空間膨脹是如何讓物質粒子失去能量的?這對形成星系非常重要

2021-01-15 李論科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

「生長緩慢的樹，往往會結出最好的果實。」——法國著名劇作家，莫裡哀

大爆炸理論認為，隨著時空的膨脹，宇宙一直在冷卻，這中間包括光的波長會被拉長並損失能量。這沒有問題，輻射粒子可以損失能量，但是你有沒有考慮過物質粒子呢？宇宙早期的物質粒子也同樣擁有極高的動能，粒子的快速運動可以表現出極高的能量（溫度），那麼物質粒子是怎樣冷卻的？時空膨脹對物質粒子有什麼影響？

宇宙膨脹對輻射粒子的影響

我們的宇宙有一個驚人的故事發生在大約138億年前，並且一直持續到了今天，就是所謂的熱大爆炸。宇宙中所有形式的物質和能量都處於一種高溫、密集的狀態，並且一直在膨脹。這個膨脹方式不像鞭炮爆炸的碎片那樣膨脹，而是像放進烤箱裡的麵團那樣膨脹。如果把麵包裡的每一點物質想像成一個原子，你就能理解宇宙膨脹的原理了。

從任何單個原子的角度來看，所有其他的原子似乎都在遠離自己，那些一開始離自己較遠的原子似乎比離自己較近的原子遠離得更快。當然這不是因為任何一個原子在移動，也不是因為遠處的原子比近處的原子移動得快，原子在自己的位置並沒有動，而是因為原子所在的空間本身在膨脹。如果空間本身在膨脹，那麼宇宙就會對空間裡面的所有物質都會產生一種重要而特別的影響。

膨脹的宇宙能讓一切冷卻下來！對於輻射來說，原因很容易理解。因為所有的輻射都有一個特定的波長，正是這個波長決定了輻射的能量。

那麼當距離擴張時，宇宙會發生什麼呢？輻射的波長被拉長，能量隨之下降。這就是中性原子從電離等離子體的海洋中形成的原因，在這之前自髮結合在一起的電子和原子核會被光子炸開（電離），但隨著膨脹冷卻，光子就不再有足夠的能量來電離原子。

結果就是我們得到了中性原子，幾千萬年後，它們坍縮成恆星和星系。隨著宇宙繼續膨脹，輻射繼續冷卻，其波長繼續延伸。現在光子冷卻了，問題是物質粒子呢？

如果輻射粒子沒有冷卻，宇宙中就不可能形成任何結構

物質粒子開始移動得也很快，也就是說它們具有很高的動能，那麼需要發生什麼機制來冷卻物質粒子，否則物質粒子就不可能坍縮成恆星和星系。我們需要知道的是，要想使分子雲聚集在一起形成恆星，氣體雲必須是冷的（運動速度慢），否則引力將束縛不住具有高動能的粒子！

此外，要形成一個星系，要使物質保持在螺旋或橢圓結構中，粒子運動的速度必須低於星系的逃逸速度。對於大多數星系來說，逃逸速度是每秒幾百公裡。雖然這個速度很快，但是在早期，大多數原子的移動速度是每秒數十萬公裡！然而，今天宇宙中的恆星和星系非常豐富！這說明物質粒子的動能確實下降了。

宇宙的膨脹，對於一個以一定速度運動的粒子來說意味著什麼？

首先，速度就是物體在一定時間內移動的距離，就像波長是兩個連續波峰之間的距離一樣。對於一個粒子，速度的作用與輻射波長的作用類似：粒子的運動速度是對該系統固有動能的測量。

能量更高（波長更短）的輻射是伽馬射線，而不是無線電波，而速度更高的粒子也有更高的能量，這裡就表現為溫度！這就是為什麼溫度更高的粒子速度也更快，運動的更歡實。

然而，當宇宙膨脹物體之間的距離增加時，增加的不只是波長，降低的不只是輻射的能量，粒子的速度也會下降，所以粒子的能量也會隨著時間下降！為什麼粒子速度會下降呢？假設一個粒子以100千米/秒的速度相對於一個特定的位置移動，宇宙膨脹的速率為10千米/秒/千秒差距。(這個速度比現在的膨脹速度快了1000多倍，1千秒差距是3000光年多一點）那麼這個粒子以100千米/秒的速度傳播一千萬年，也就是傳播到1千秒差距後，會發生什麼？

相對於原來的位置，粒子仍在以每秒100公裡的速度移動，但是在1千秒差距的位置上空間的膨脹速度為10千米/秒！這樣就會抵消掉一部分粒子的運動速度；粒子現在相對於空間只以90km /s的速度移動。隨著宇宙膨脹得越來越遠，粒子的速度就會持續下降。

所以在膨脹的宇宙中，輻射會因為波長的紅移而失去能量，但是動能的物質也會因為宇宙的膨脹而失去能量！

總結

更加有趣的是：當所有粒子都以接近光速的速度運動時，我們可以把這些粒子當作輻射，當粒子的運動速度比光速慢得多時，我們可以把粒子當作物質。因此在早期的宇宙，像電子和質子這樣的粒子它們擁有極高的動能更像是輻射粒子，而在晚期（如今天)，像質量很小中微子也會表現為物質。如果我們給光子和引力子這樣的粒子一個非常非常小的（非零）靜止質量，宇宙繼續膨脹和冷卻，那麼這些粒子最終會像物質一樣運動，並且變得很冷（失去動能），假如暗能量沒有把所有東西都膨脹的孤立起來，光子和引力子在未來甚至會在引力的作用下聚集在一起！就像下圖那樣！

因此物質粒子受到宇宙膨脹的影響，它們會冷卻並失去能量。對於非相對論性粒子（速度遠低於光速的粒子）來說，能量與它們的速度平方成正比，所以每一次由於宇宙的膨脹，一個粒子的動能就會減半，速度就會降低29%。像質子和中子這樣的粒子在宇宙大約一微妙的時候就會變成非相對論性粒子，並開始表現為物質；電子大約是一秒；中微子需要數萬年的時間。

我們今天在宇宙中看到的分子、恆星、星系和行星的形成，不僅需要輻射能量的下降，還需要宇宙中個別粒子的能量下降，動能下降。宇宙的膨脹就是這樣使物質粒子冷卻下來的，因為這正是創造我們今天宇宙所需要的過程！

相關焦點

  • 空間、能量與物質
    其後的宇宙膨脹學說提出：我們可以假設宇宙是一個正在膨脹的氣球，而星系是氣球表面上的點，我們就住在這些點上。我們還可以假設星系不會離開氣球的表面，只能沿著表面移動而不能進入氣球內部或向外運動……如果宇宙不斷膨脹，也就是說，氣球的表面不斷地向外膨脹，則表面上的每個點彼此離得越來越遠，其中某一點上的某個人將會看到其他所有的點都在退行，而且離得越遠的點退行速度越快。
  • 光的傳播也會損失能量發生紅移,是不是宇宙沒有膨脹?
    按照目前的宇宙尺度和以上的膨脹速率來看，宇宙再超光速遠離我們，其實很多小夥伴都有一個疑問，超光速了？不是說不能超光速嘛！其實我們需要清楚一個概念就不會再有這樣的疑問，那就是宇宙的膨脹只是空間再膨脹，並沒有牽扯到任何物質！回歸正題！那麼我們觀察到了什麼？使我們相信宇宙在膨脹！
  • 物質是能量的顯性存在!空間是能量的隱性存在!
    任何爆炸都不可能是絕對完美的，由於"奇點」爆炸時的角度略有偏差，造成了生成的正反粒子有一個微小的差額，正粒子多出反粒子十億分之一，而正是由於正反粒子湮滅後，多出來的這部分正粒子就形成了我們的宇宙。那麼宇宙誕生時產生的巨量能量，就分成了兩個組成部分，絕大部分給了正反粒子的湮滅，很少一部分給了未湮滅的正粒子，而正粒子就形成了宇宙中的萬物，包括恆星、星雲、中子星等許多天體結構，當然也包括我們的地球。所以我們地球上的任何物質包括我們人類自已其實都是能量的聚集體。可能許多人對此表示不理解或懷疑，這確實情有可原。
  • 宇宙起源之謎之能量粒子形成的波
    在同平面旋轉而方向相反的物體，就會對夾角空間形成共同推動力，改變原先作用力的方向，形成相對的引力！在同平面同軸同向旋轉的物體同樣相對具有引力！而相對各方向的旋轉之間產生各不相同力，在環境中形成複雜多變的壓力壓強，物體不斷的被運動來平衡周圍壓強！能量母體的粒子流在強壓向低壓的彈能釋放中加速形成的波！
  • 「宇宙膨脹」重大新發現，有望揭開暗能量謎團！
    哈勃常量是一個非常基礎的常量，宇宙的年齡，就是在它的基礎上推算出來的。因此它有一個精確的值非常重要。若事實上哈勃常量在隨時間發生變化，那麼，這又意味了什麼？哈勃常量測量結果的變化直接體現了宇宙膨脹率的變化！這說明宇宙是以不均勻的方式膨脹且宇宙系統十分不穩定。
  • 宇宙的膨脹,告訴我們外面可能還有空間,那麼外面會是什麼?
    最初的宇宙是非常非常小的，當大爆炸發生之後，宇宙誕生，並且開始快速的膨脹。宇宙的溫度也在宇宙不斷膨脹的過程中慢慢冷卻下來，之後才有了恆星，行星，星系等各種天體和物質的不斷形成。宇宙的膨脹並不難觀測，通過天文望遠鏡，我們很容易就可以觀測到宇宙深處星系在不斷遠離我們，離我們越遠的星系，遠離我們的速度也越快，於是有了可觀測宇宙的設定。
  • 暗物質&暗能量:未知的~95%
    我們也知道它跟其它任何東西之間的作用都非常弱，甚至是自身——否則暗物質就會在自身的引力下坍縮而形成諸如星系的構造，而不是我們觀測到的球狀「暈」。還有，暗物質佔據了宇宙總量的26.8%。極大的可能是某種我們從未探測到的新粒子（或者一整個族的粒子）。暗物質很可能圍繞著我們，並在這一刻穿過你的身體。這就意味著這個宇宙大難題的答案很可能取決於微觀粒子。
  • 大爆炸後宇宙一直在冷卻,那失去的能量去哪了?
    能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式！——熱力學第一定律宇宙大爆炸是我們思維中最難理解的抽象概念。今天的宇宙正在膨脹，這就意味著在過去，物質之間的距離更近，密度更大，溫度更高，其中的輻射粒子（主要說光子）也更具有能量！
  • 世界上的一切物質都是由原子組成的,那暗物質是否也包含粒子呢?
    問題曾經，我們認為暗物質由粒子組成，並試圖去找到它們，但是如果我們尋找錯了，該怎麼辦？如果把暗能量認為是空間本身組織中固有的能量，那麼「暗物質」是否也是空間本身的內部功能？為了形成我們在宇宙中看到的結構，特別是在大空間尺度上，暗物質不僅應該存在，而且還應該聚集在一起。它應該集中在密度較高的區域，實際上，我們可以通過觀察來說明有多少暗物質處於不同的空間區域。
  • 3分45秒原子核形成、38萬年中性原子形成,這些時間是怎麼來的?
    而且在宇宙演化的細節上，在元素形成和星系形成等問題上，我們還知道了非常具體的時間間隔，也就是時間節點，例如下圖中所標註的時間點，那麼科學家是從哪裡得到這些數字的？這些數據又從何而來？今天就說宇宙時間節點的問題。首先我們要知道非常重要的一點：誤差範圍。所有這些時間都有不確定性，但總體上是正確的，不確定性相對較小。那我們怎麼知道的？
  • 基本粒子與能量
    ​          基本粒子是宇宙中不可再分的粒子，基本形狀應該是球形，有正負兩極、大小差異。         基本粒子通過異極相互吸引形成光線，不同長度的光線形成不同的光，光具有定向能量，這是宇宙的基本能量形式。
  • 「宇宙紅移」可能是由星系運動引起的,而不是膨脹的空間?
    然而，還有第二種可能：這可能是一種宇宙學上的轉變。在廣義相對論中，物理上不可能有一個充滿物質和輻射的靜態宇宙。如果我們有一個宇宙，在最大的尺度上，到處充滿等量的能量，那麼這個宇宙要麼膨脹要麼收縮。如果宇宙膨脹，從遙遠的光源發出的光的波長會隨著空間結構本身的膨脹而拉長，從而導致紅移。同樣，如果宇宙收縮，發出的光的波長會被壓縮，導致藍移。
  • 研究：由暗能量形成的奇異天體可能在推動宇宙膨脹
    據外媒報導，宇宙在膨脹，而且膨脹還在加速，但究竟為什麼會發生這種情況以及它是如何發生的還不得而知。有一種假說認為，這種膨脹是由神秘的、由暗能量構成的類似黑洞的物體驅動，現在天體物理學家已經理論化了這些物體是如何對宇宙產生魔力的--以及它們都去了哪裡。
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  • 加速膨脹的宇宙,是因為引力逃到了高維空間?
    過去，弦論物理學家認為這些額外維度非常小，人類無法看見，也無法進入。但最新的研究進展顯示，部分或所有的額外維度可能都是無限大的。我們看不見它們，並不是因為它們太小，而是因為組成我們身體的粒子被限制在常規的三維空間中。一種能夠超越這一限制的粒子就是傳播引力的粒子。在這種情況下，引力定律需要做出修改。
  • 宇宙在膨脹,說明外面還有空間,那外面是什麼?
    空間各項同性的標題（大尺度上看，宇宙物質分布又險些是勻稱的），幾十、乃至數百光年外的宇宙，它們相距那麼邊遠並沒有產生過信息交流，那麼空間的溫度為何是一律的？也就是從微波布景輻射上看，空間各處的平均溫度為2.725K。空間為如何若何此平坦？
  • 中微子為什麼是第二豐富的粒子
    中微子是怎樣是正反物質湮滅中大量存活的宇宙源於大爆炸，那大爆炸這個想法是咋來的？其實是一個很簡單的推理，自從哈勃說我們這個宇宙不是恆定不變的，星光在紅移空間在膨脹，絕大多數星系正在遠離我們，而且離我們越遠的星系推行的速度越快。還不止這些，當你看到一個遙遠星系的時候，因為光速是有限的，所以你看到的是遙遠的過去。
  • 物質、引力、文明
    光子對在宇宙中無處不在，在太空環境可以形成虛粒子，瞬間形成和湮滅。真成的粒子是在宇宙初期的高溫、高壓環境中形成的。        光是宇宙中的最小微粒，可以從質子、中子和電子的光子對中逃逸，成為光速直線運動的粒子。光子在遇到物質時，也容易被物質的光子對捕獲，形成熱能。熱能是光子對的不平衡現象，它可以傳導給其他物質和向空間輻射。
  • 什麼是暗能量,暗物質?
    暗能量，暗物質在20世紀90年代早期，有一件事對宇宙的擴張是相當肯定的。它可能具有足夠的能量密度來阻止它的膨脹和重新坍塌，它可能具有如此小的能量密度以至於它永遠不會停止膨脹，但隨著時間的推移，重力肯定會減緩膨脹。當然，沒有觀察到減速，但理論上，宇宙必須放慢速度。宇宙充滿了物質，引力的吸引力將所有物質拉到了一起。
  • 暗物質與暗能量是什麼?看完秒懂
    我們所熟知的物，原子、恆星、星系、行星、樹、巖石，以及我們，但這些物質佔整個宇宙不到5%。在整個宇宙中，大約25%是暗物質，70%是暗能量。但是，暗物質與暗能量都無法被觀測到。這聽起來有點奇怪，這表示我們所接觸到的世界只佔了極其微小的部分。更糟糕的是，我們對暗物質與暗能量究竟是什麼、如何運作毫無頭緒。