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宇宙学原理(4)

归属:天文科普 2024-08-14 
四、泡的世界
  熵的爆炸温度极高,在如此高温下,强核力、弱核力和电磁力全部会统一成单一的力,宇宙的温度会随膨胀而降低,同时粒子的能量随之减小。 随着熵爆炸形成的区域不断膨胀,温度进一步下降,在碰撞过程中,电子和电子对的产生率,会变得低于它们因湮灭而消失的速率,于是大部分电子和反电子会彼此湮灭,产生出更多的光子,只剩下为数不多的电子。 随着温度进一步下降,质子和中子所具有的能量已不足以摆脱强核力的吸引作用,它们开始可以结合在一起,生成氘原子核,其中包含了一个质子和一个中子。然而,氘核又会和别的中子和质子结合,生成含有两个质子和两价目中子的氦核,此外,还会生成少量的两种较重的元素,即锂和铍。 最终当温度继续下降至几千度时,电子和原子核不再具有足够的能量来克服它们之间的电磁力的吸引作用,这时,它们就会开始结合在一起,并生成原子。这种过程的继续演化,随着时间的推移,原始星云物质开始形成了。 早期宇宙由熵爆炸形成星云之后,各个独立的星云结构的单泡已随着温度的逐渐下降,表现出相对温和的膨胀速度,泡与泡之间的并合成为了可能,由于熵的爆炸会有差异。因此当爆炸开始时,会快速远离,泡体积因膨胀增大后,各泡内温度是由差异的,然而,随着泡的并合,泡与泡之间的温度在并合后,可以根据热力学第二定律,泡的温度会趋于一致。因此,早期泡与泡之间的并合非常频繁,当泡的体积不断膨胀后,整个宇宙空间中泡的数量却逐步减少,泡内星云及星系物质却随着并合而不断增加,由于熵的爆炸发生在无限空间中,由无数个熵引起的。
  因此,可以想象,泡的并合永远不能终结,或者说,初始宇宙中的无限空间与泡并合后形成的泡内空间,永远是存在与被存在之间的关系,我们目前所观测到的宇宙可以理解为无限个泡中的一个泡内时空区域,正因为这样,我们现在所观测到的宇宙才能在大尺度上如此均匀,早期的温度会如此相同。 可以对泡分两个步骤分析:第一步,在熵爆炸时产生的单个泡内区域的形成过程,经过爆炸形成的物质从粒子、光子、中微子进行核反应,形成重金属等物质,逐步会形成原始星云,原始星云的中心区域又会由于引力坍缩而不断发生新的爆炸,原始星云物质从中心区域不断分离出来,平衡与非平衡状态中,通过爆炸产生的一系列反应,产生了不同区域的有序和无序结构,逐步远离区域中心的物质,逐步形成了星系物质,有序结构与区域中心成反比,亦即与区域中心距离越远,有序结构越高,离区域中心越近有序结构越低,这个过程加速原始星云通过爆炸不断产生新的物质而使质量和区间规模不断增大,这个时期,单泡内主要发生泡内温度压力下降,泡的体积不断膨胀,原始星云物质规模不断处于扩大之中,并且星系从星云中分离出来,整个泡内物质逐渐向有序和无序两种结构方向演化,接着由于泡的体积膨胀到一定程度后,张力与泡外压力处于相对平衡,泡与周边相应的单泡发生并合的过程,由于是一个无限空间中产生的由无数个熵爆炸形成的单泡结构,在爆炸前期单泡数量密布,加上快速膨胀,泡的并合速度相当频繁,根据热力学第二定律,温度由高温向低温传递,可以想象泡的并合,首先带来泡内温度的不断变化,而泡或多泡之间的并合,使温度趋于一致,原始宇宙中存在无数的单泡结构在不断的并合,星云物质之间不具可塑性和相干性,星系间发生碰撞的概率极低,即使有也是泡内物质由于质量太大,捕获了对方或有因距离较近而发生碰撞的可能,可以假定,早期宇宙中,泡的并合是最主要活动的现象,随着单泡数量的减小,体积不断庞大单泡内的星系数量也不断增加。
  因此,泡内星系物质仍旧受到来自单泡自身张力以及外泡的整体引力作用,泡内星系物质均表现为泡的边缘运动,这与我们观测到的星系在膨胀的结果是相一致的。 因为存在无数的熵爆炸的区域,就可以理解我们所观测到的称之为宇宙的时空,只能算是初始宇宙中的一个区域,初始宇宙中同样存在着无数个象我们这样的区域,我们所处的区域同样受到周围这种类似区域的强大引力,而且周围的物质相对平均的,所受的引力也表现为大致相同。因此,泡内物质(星云、星系)所表现形式为膨胀,所有的星系都沿着向外的路径远离,泡与泡物质(如星云、星系)在并合中,两个泡内物质(星云、星系)具不相干性和不可逆性,因此,主要的变化是泡与泡并合后区域内的温度和压力的变化。 首先是我们所知的区域内,在时间上,同时具有了热力学时间箭头,心理学时间箭头及宇宙时间箭头等三个时间箭头,而我们的空间永远在并合的过程中,使我们目前所处的空间范围不断庞大,时间不可能倒退,宇宙也不会缩小,更不会因此而成为一个奇点,我们的区域只会越来越庞大,但不可能无限,一个有限的区域始终不可能成为无限。时间箭头不会反演,宇宙只能取膨胀相而不可能有收缩相。
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  • 关键词:宇宙学原理
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