科學分析,宇宙中的基本元素如何形成的?其實與宇宙大爆炸有關!

2020-12-03 百家號

大家好,歡迎來到靜靜聊科學,1946年的時候,美國的前蘇聯科學家也在探討宇宙中的基本元素如何形成的問題,他在勒梅特原始原子的基礎上另闢蹊徑,提出宇宙中的氦主要是在大爆炸後不久的高溫條件下合成的理論。這個觀點給了大爆炸理論有力的支持,這位科學家的名字叫做喬治。他在一次會議上提出,如果大爆炸的當時會產生一些光子,這些光子向各個方向飛出去了,那麼我們以後就再也沒有機會看到這些光子了。他是處在這個微薄波段,那個溫度是這個絕對的溫度的幾千倍,但是我們應該是能夠探測的。正是由於知道了這一點,加莫夫才對找到大爆炸遺留的輻射充滿信心。

有力的支持

由於長期從事國防研究,他們一直關注著美國在電子技術方面的最新進展。不久前美國貝爾實驗室建立了一座用於衛星的高靈敏度天線。蘇聯人注意到這座天線的靈敏度應該足以探測到大爆炸的遺蹟,然而閱讀美國人關於這座天線的實驗論文後,裡面並沒有提及這樣的熱輻射。這時蘇聯人一度認為宇宙大爆炸理論也許並不長了。實際上聯訊和彭提亞斯的實驗室就在紐約附近的小山上,這裡經常有奇怪的噪聲,不是城市的噪聲傳過來了,他們把天線對向紐約,結果沒發現任何特別的狀況。這意味著紐約並沒有發出那種頻率的噪聲,之後的時間裡,噪聲總是揮之不去,即使把天線指向太空噪聲依然存在。

奇怪的噪聲

到第二年他們快要絕望的時候,龐提亞斯偶然和同行聊起此事,說他的一位朋友曾聽過普林斯頓大學一位叫皮波斯的學者做過的一個報告,他們也在進行類似的工作。波克告訴龐齊亞斯他們發現的奇怪噪聲可能正是普林斯頓大學的教授正在尋找的東西。於是龐提亞斯趕緊給基地打去電話,當電話鈴響的時候,那個教授和其他的小組成員也都在同一個辦公室裡,當這些小組成員聽到這個事情的時候,他們就意識到有可能得到了類似的、確鑿的證據證明宇宙的確曾經處於與今天完全不同的高分高密狀態。這是繼哈勃發現宇宙膨脹之後宇宙學研究上的又一個重大突破,認為宇宙起源於原始原子,並以此說服愛因斯坦。

完全不同的高分高密狀態

勒梅特在民眾前幾天聽到了這個消息,他的宇宙誕生於理論猜想終於被科學所證明,這個出色的物理學家於1968年去世。而龐蒂亞斯和威爾遜也因為自己的發現在13年後的1978年獲得了諾貝爾物理學獎。宇宙微波背景輻射被發現的時候,史蒂芬霍金正在劍橋攻讀博士學位,這件事情很可能是促使他選擇大爆炸和愛因斯坦的相對論作為博士論文的研究主題的原因。

被科學所證明

1970年霍金和彭羅斯在論文中證明,如果廣義相對論和經典物理學是正確的,時空中一定存在著起點,因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事,而且是不可避免的。宇宙微波背景輻射被發現後,一些原來主張溫恆理論的人的觀念發生了轉變。

時空中一定存在著起點

大爆炸理論已接近完整,但是仍然有一個重要的問題,如果要形成星系,最初的宇宙必須不是完全均勻的。彭齊亞斯和威爾遜發現的輻射應該能夠反映這一點,但它卻似乎與方向無關,如果到史密斯天體物理中心去觀測,這些觀測技術的興起的三維空間分布,那麼他做一個圖、是一個扇形圖,這個扇形圖還是表現在二維的頂點,是我們觀測者的位置。這個半徑是星體的距離,那麼三星的這個角度表示是全球的六個坐標經度的大小。那麼這個上面的每一個點就表示一個星系,是星系在上面分布的均不均勻一眼就看出來了,你在上面看到星系並不很均勻,有些地方有一個洞,這個洞的直徑可以達到一億光年左右。

三維空間分布

還有一條很長的一條線可以達到五億光年,天文學家把這個這些洞叫做奇洞,把這條非常長的這個線叫做長線,這說明這個信息分布並不是很均勻的。那麼為什麼會分布成這樣的不均勻狀態呢?天文學家稱之為各向異性探測。這個任務落到了美國伯克利大學教授喬治斯穆特的肩上,喬治斯穆特是一位宇宙學家,他認為這項工作是一個大的挑戰,如果能找出與宇宙微波背景輻射在不同方向上的微小變化,宇宙形成擴張的秘密將進一步揭開。

微小變化

他希望做出一張地圖來標出大爆炸殘留的遺蹟,並勾畫出銀河的宇宙的結構。他們發現用人造衛星是一個健康的方法,為什麼呢?第一,頻道衛星是在地球大氣層外背景的觀測,這樣就可以擺脫地球大氣的觀測的不利影響。比如說大氣的吸收或者因為溫度不均勻造成的大氣抖動。另外一個好處就是人造地球衛星可以在地球同步。

可以在地球同步

假設有一幅圖,如果我們去掉均勻的背景,紅色代表溫度較高的區域,藍色代表溫度較低的區域。由於地球相對於宇宙微波背景輻射的運動,都卜勒效應導致一邊溫度更高,這裡用紅色表示。我們再除去地球的運動,微波背景輻射形成星系所不可缺少的是大爆炸後的存留與宇宙不同方向上的溫度細微變化的證據。從此以後,大爆炸也終於被大多數人所接受。

相關焦點

  • 宇宙中的物質從何而來?為何大爆炸之後,宇宙中會形成各類元素?
    我們生存在地球之上,地球與無數的星球一起,生活在宇宙之中。宇宙是怎麼來的呢?科學家經過研究後告訴我們,宇宙中的一切都來自於一場大爆炸,雖然這也只是諸多猜想中的一個,但是卻深入人心。大約150億年之前,一個體積無限小、密度無限大、溫度無限高的點出現了,這個點就是科學家們口中的「奇點」,然後在137億年之前,奇點爆炸宇宙誕生,時間和空間的概念也隨之出現。伴隨著宇宙大爆炸,宇宙開始迅速的膨脹,最先出現的是光子、電子、中微子、質子和中子。
  • 21世紀最大的難題之一:宇宙大爆炸後,元素是如何形成的?
    該實驗利用阿貢國家實驗室開發的新技術,研究宇宙中重元素的性質和起源。對它們行為的了解,對於理解產生宇宙中許多重元素的快速中子捕獲過程或r過程至關重要。r過程被認為發生在極端恆星條件下,如中子星合併或超新星。這些富含中子的環境是原子核可以快速生長的地方,在中子有機會衰變之前捕獲中子來產生新的更重元素,這項實驗的重點是汞的同位素Hg207。
  • 如果宇宙由奇點大爆炸而來,那麼奇點又是如何來的?
    所謂的穩態理論就是科學家認為宇宙是一個靜止穩定的環境,可是隨著科技的不斷發展,科學家發現很多有關宇宙的謎團,用穩態理論很難做出解釋。反而是大爆炸理論能夠解釋很多的宇宙謎團,所以最後奇點大爆炸成為了科學界對宇宙起源主流的理論。
  • 毫不起眼的氘元素,緣何成為構建宇宙大爆炸模型的重要基石?
    但在現在看來,化學元素周期表的創建堪稱史詩級的巨作,因為它明確告訴了我們這個如此宏偉壯麗的宇宙所有已知的成分,甚至通過分析這些成分,還能知道宇宙在誕生之初到底發生了什麼。當前宇宙學的主流理論是宇宙大爆炸理論,但很多人對現代科學持懷疑態度,有些人更是喜歡挑戰宇宙大爆炸理論,認為它是胡說八道。
  • 最新證據揭示宇宙大爆炸之後重元素是如何產生的!
    此前加拿大達爾豪西大學的宇宙學家艾倫·科利和倫敦瑪麗皇后大學的伯納德·卡爾發表了一篇論文,認為一些所謂的原始黑洞可能是在大爆炸之前的大爆炸中產生,這為大爆炸不是單一事件的理論提供了支持,這種理論認為,大爆炸不是單一事件,而是隨著宇宙壓縮到一個點,然後再一次爆炸,一次又一次發生。
  • 宇宙起源於宇宙大爆炸,無窮小的奇點為何會爆炸出如此浩瀚的宇宙?
    就這樣,宇宙間所有的物質和能量全部都擠壓在這樣一個高壓的環境中,而在奇點發生爆炸的一瞬間,所有的物質和能量被釋放了出來,而現如今宇宙中的物質粒子都是在宇宙大爆炸之後4分鐘內形成的,直到宇宙大爆炸後來的38萬年,宇宙溫度才下降到3000度左右,而宇宙也從粒子粥一樣的混沌狀態變得透明,光子開始在宇宙中穿梭,原子結構得以形成。
  • 黃金是如何在宇宙中形成的?
    他們的分析揭示了所有比鐵重的元素的形成都是在這些巨大的碰撞中形成的。但一項新的研究表明,這些碰撞不會產生足夠多的黃金,不足以解釋我們在宇宙中看到的黃金的數量。 金元素在恆星中形成,在中子星的碰撞中形成,在一種特定類型的超新星爆發中形成。當原子在大爆炸後第一次形成時,只產生了氫和氦。
  • 科學大爆炸 揭開宇宙中富鋰巨星的神秘面紗
    科學大爆炸揭開宇宙中富鋰巨星的神秘面紗  破獲宇宙起源與演化「大案」  北京時間10月6日,中國、日本、法國、荷蘭、美國、澳大利亞等多國科研人員合作完成的關於富鋰巨星真實身份的重要天文研究成果論文,在國際學術期刊《自然·天文》發表。
  • 或許是宇宙最深奧問題:宇宙大爆炸的純能量是如何轉化為物質的?
    137億年前,從虛無中誕生了萬物,宇宙出現了,我們全部都來自大爆炸,但是它是怎麼發生的呢?我們自身,行星和恆星都是由原子產生的,大爆炸到底是怎樣製造出原子的呢?本質上來講,沒有能完美解釋物質最初是如何出現的。
  • 宇宙大爆炸後,最初期形成的黑洞還是恆星?
    大爆炸後3億年,宇宙在「黑暗時代」裡形成了第一代恆星、星系、黑洞。計算機模擬可以向我們展示宇宙在這一時期中充滿疑問和遐想的波瀾壯闊的過程。我們的宇宙始於130多億年前的「大爆炸」。大爆炸之後的數億年裡,恆星、星系等發光的天體尚不存在,這個時期被稱為宇宙的「黑暗時代」。
  • 科學分析:宇宙演化歷程如何促使人類誕生?
    通過觀察我們自己的身體,我們可以了解很多宇宙歷史。一位成年人擁有令人難以置信的複雜身體系統,由數萬億個細胞構成,如何造就一個人的科學故事不僅教會我們關於地球生命的進化和演變,還能洞悉整個宇宙發展歷程。
  • 宇宙起源於一次大爆炸,但我們如何向十歲孩子解釋大爆炸?
    為什麼會大爆炸?我們將如何解釋?或者我們自己知道什麼是大爆炸嗎?相信「大爆炸」是大多數成年人也都不完全了解的事情,但這是科學知道的事情,我們會用科學的方法告訴孩子。想知道宇宙中所有行星、恆星和星系一切從何而來?這個問題人類一直在猜測直到最近一百年來,才有了科學的答案。
  • 宇宙揭秘:宇宙大爆炸理論是如何被發現的?
    >宇宙是如何誕生的呢?我們都聽過大爆炸,但我們要如何知道真的就是如此?畢竟沒人曾在場親眼目睹。如果這個問題難以回答,那就試試這個吧:宇宙創世之前發生了什麼事?在「創世紀」中,神說「要有光」,接著「就有了光」,「神於是創造了天地」。但如果一切都是從此刻開始,那麼神是如何創造萬物的?在時間出現之前,就有時間存在嗎?這個問題已讓科學家和哲學家還有一般大腦思索了5000多年。
  • 霍金:宇宙中黑洞是怎樣形成的?太陽和地球如何形成的?
    讀完這篇文章的收益:我們了解霍金對黑洞是如何形成的,地球是如何誕生的,跟著霍金了解宇宙。上一篇文章了解宇宙大爆炸 霍金早就給出答案:宇宙是如何誕生的?宇宙大爆炸是如何開始的?黑洞,當我二十多歲的時候 我做過一些黑洞的基本計算,不過很少人和我共享這個令人著迷的結果,如今已經是過時的課題,全世界的科學家都在研究黑洞的行為,我們所知的黑洞本身就令人費解,,但他們在星系的形成中扮演著重要的角色,也同樣可能是宇宙終結的結果。
  • 宇宙大爆炸以後,宇宙是如何一步步演化到現在的?
    宇宙在1929年的時候,美國著名的天文學家埃德溫哈勃經過觀測發現,我們宇宙中的大部分星系都存在明顯的紅移現象,這說明我們的宇宙正在膨脹這個年齡通過與目前的宇宙大爆炸理論結合後,科學家便推測除出了宇宙誕生之初發生的事,也就是知道了宇宙是如何一步步形成我們現在看到的樣子的。
  • 最近,物理學家重現了宇宙大爆炸的核反應,證實了宇宙大爆炸模型
    他們對反應速率的測量結果發表在昨天的《自然》雜誌上,確定了被稱為大爆炸核聚變的一系列步驟中最不確定的因素(大爆炸核聚變產生了宇宙中第一顆原子核)。據英國杜倫大學天體物理學家萊恩·庫克說,研究人員對這個結果「欣喜若狂」。「會有很多人對粒子物理、核物理、宇宙學和天文學感興趣,」他說。
  • 宇宙學家是如何看待「大爆炸宇宙模型」與「穩恆態宇宙模型」的?
    在整個20世紀50年代科學界也被分裂了,1959年《科學新聞》快報進行了一項調查,要求33位傑出的天文學家公開他們的立場,結果顯示11位專家支持「大爆炸宇宙模型」,8位支持「穩恆態宇宙模型」,其餘14位要麼不確定、要麼認為這兩個模型都是錯的。
  • 批駁宇宙大爆炸理論
    我們一直以來都在告誡基督徒:把大爆炸理論納入基督教思想,無異於將木馬運進特洛伊城牆內。這麼說是因為:接受大爆炸理論就必須接受一連串與聖經根本無法相容的事件 [如:地球出現於太陽之後,而非於太陽之先——參見「兩種世界觀的衝突」和「若太陽不是到第四天才被創造,創世記一章中的『一天』如何能按字面理解?」
  • 宇宙94種自然元素中,有三種元素非常罕見,生命離不開它們
    理論上來講,這三種元素是輕元素,只比氫和氦更重一些,否則也不會成為3號,4號,5號元素。在元素周期表上,排名越靠後的元素越重,自然界的含量應該越少,越靠前的含量應該越多,是宇宙中比較常見的元素。可為什麼這三個元素卻成為了例外,非常罕見呢?要揭開這個謎團,我們還需要從宇宙大爆炸到元素的形成來分析。我們都知道,宇宙是起源於138億年前的時空奇點大爆炸。
  • 宇宙大爆炸後,宇宙中只有氫和氦,其它元素是恆星爆炸產生的!
    天文學家們已經在來自超巨星和巨星的紅外光中,記錄了九種重金屬跡象。基於這個目錄的新觀測,將幫助天文學家了解像雙星中子星合併這樣的事件,是如何影響我們銀河系和其他星系的化學成分和演化。宇宙大爆炸後不久,宇宙中只有氫和氦,其他元素後來通過恆星的核聚變或超新星、雙星合併等劇烈事件形成。但是,對各種過程的細節及其相對貢獻的了解仍然很少。