宇宙的五個時代,時間盡頭的原子與可觀測的宇宙一樣大

2020-12-03 老胡說科學

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這幅由美國宇航局費米伽馬射線太空望遠鏡拍攝的圖像顯示了銀河系中心的橙色光帶。正電子對的湮滅導致了伽瑪射線的產生,大多數天然的正電子對原子來自於星系的凸起。我們宇宙的未來圖景在很大程度上取決於一個關於亞原子粒子的問題的答案。質子會衰變嗎?我們的標準粒子物理模型說它不應該,但是我們從實驗室實驗中得到的唯一信息是我們還沒有足夠長的時間來回答這個問題。如果質子衰變,那麼它將需要10年的時間。不久之後——在宇宙的大尺度上——所有其他質子也將消失,隨之消失的還有形成行星、小行星、黑矮星。剩下的將是一些微弱的弱相互作用的粒子,比如快速移動的中微子、電子-正電子對等。

我們即將進入宇宙的老年期。無論質子衰變問題的答案是什麼,宇宙的老年期總是以奇怪的景象為標誌。沉重的全鐵恆星,或者像宇宙一樣大的原子,會把時空擠得越來越大,讓人無法理解。

真的,這只不過是一個戰場。引力和熱力學之間有一場鬥爭。結構在熵增加的情況下會發生震動和變形。這場鬥爭始於宇宙大爆炸之後不久。

宇宙背景輻射地圖是由歐洲航天局的普朗克衛星拍攝的。與之前來自美國宇航局WMAP衛星的圖像一樣,它揭示了宇宙主要是暗能量和暗物質,其次是少量的普通物質。這表明我們平坦的宇宙將繼續膨脹。原始時代

這一次主要是輻射。我們的宇宙微波背景輻射圖來自大爆炸後38萬年,當時高溫阻止了原子的形成,那時還沒有恆星。然而,恆星的燃料——氫和氦——正在年輕的、新生的宇宙中擴散。介於10^-50到10^5秒,四種力互相分裂,不再統一,重力、強核力、弱核力和電磁力各走各的路。那是一個悶熱的時代,生命還不可能存在。但時空一直在膨脹和冷卻,直到第一批恆星出現。

星狀時代

悶熱的氫氣雲被壓縮成圓形的、明亮的星體。在數十億年的時間裡,它們將繼續在燃燒的星座裡,吞噬它們的核燃料,要麼完全變成一種新的恆星,要麼爆發成超新星爆炸的光芒。生命,因為它與星星的存在交織在一起,最終可以發展。有巨大的,膨脹的恆星,它們只能持續幾百萬年,或者像我們的黃色太陽那樣的中等恆星,它們可以持續幾十億年。

隨著太陽的成熟,它比年輕時熱了30%。這種熱量會隨著年齡的增長而持續增加,直到地球上的生命在經歷了10億年的複雜而豐富多彩的生活之後,在太陽灼熱的光芒下,生命將不復存在。當它在50億年後吞沒水星和金星時,沒有人會對它現在在天空中的巨大形象感到驚奇。隨著地球自身的融化,地球的大部分表面將是灼熱的熔巖流。氣溫達到華氏3000度。太陽已經變成了一個無情的紅巨星,並將在未來的7億年裡保持這種狀態。引力決定了太陽會變成白矮星,顏色從淡紅色到棕色,逐漸變冷,最後變成白矮星。在此期間,地球的軌道將比現在遠70%,因為這顆白矮星只有0.55個太陽質量。

在石器時代,地球將繼續與它自己的人造和自然的障礙鬥爭。核武器、環境汙染、冰河時代和流星撞擊被認為是所有智能生命在發展過程中必須克服的挑戰。例如,如果小行星1997XF11在2880年撞擊地球,可能會產生400英尺高的潮汐波,威脅到附近的沿海地區。在這幅藝術家的印象中,太陽是一個紅巨星,在前景中取代了地球。墮落的時代

對於中子星和矮星來說,宇宙已經變成了一個黑暗、冰凍的舞臺,它們暗淡的面孔經過一層薄薄的彌散氣體薄膜和不斷觀測的黑洞。白矮星的質量是棕矮星的十倍,所以大多數剩下的質子都是在它們幸災樂禍的球體中發現的。所有的恆星能量已經耗盡,這大大降低了我們宇宙的溫度。即使紅矮星可以存在上萬億年,並且比大的紅矮星壽命更長,最終也會死亡,儘管有希望在褐矮星之間的碰撞中形成新的紅矮星。在我們的銀河系中,預計會形成2-3顆這種罕見的恆星。

但這個階段仍然是偶爾發生超新星爆炸的地方,當白矮星碰撞並將大量的光投射到不斷增長的黑洞上,或繼續衰變的質子上。簡併時代是以稠密物質的量子力學性質命名的,因為它不會進一步坍縮。即使這顆恆星不再退化,從太陽的大小縮小到木星的大小,質子也會繼續衰變,而這顆恆星也會更像一個無助的冰核,直到這個冰核也輻射到時空為止。所有星星的命運也是如此。一旦最後一個質子衰變,簡併時代就會寒冷地結束。

經過10年,所有行星系統將中斷旅行和恆星外殼之間的會議。這些行星,也許在某一時刻是生命的家園,並且經歷了年老恆星的動蕩,被驅逐出去扮演流氓角色,被凍結,註定孤獨死亡。a .斯特爾特的《流氓星球的藝術印象》。黑洞時代

它們是地球引力的圓形、威脅性和強大的代表,是宇宙中僅存的能量來源。它們能統治多久取決於它們的大小。最小的黑洞只和我們的太陽系一樣大。黑洞將是曾經活躍的星系草地所剩下的一切。

黑暗的時代

我們在地球上的實驗室裡製造電子偶素。它是一個簡單的系統,由一個電子和一個反電子(正電子)相互環繞,直到兩者之間不可避免的湮滅。這種湮滅發生在不到一秒的時間內,產生兩到三束伽馬射線。正電子在銀河系的中心大量存在,以每秒150億噸的速度湮滅。然而,它們的起源仍然是個謎。最非正統的理論認為,這可能是暗物質粒子與其反粒子對碰撞的結果。

但是,就像現代的正電子觀測一樣,未來的正電子也存在於難以理解的尺度上。由於擴散的背景密度,未來的正電子可以長到萬億光年寬,每個原子的半徑是整個可觀測宇宙的數百萬倍。高能狀態和低速的發行量意味著這些未來亞馬遜正電子可以大約10年衰變。就像黑洞和它們的霍金輻射一樣,這些原子放射出的輻射越小,它們的半徑就越小。因為時空會繼續膨脹,許多年後,它的大小將令人生畏,足以容納這些宇宙大小的原子。

隨著所有其他熱源的消失,科學家們推測,正電子元素是否會完全成為一種新生命的基石。這些系統的化學成分可能在某種程度上與生命相似,也可能是一種能夠在巨大規模上存在的全新的生物形態。

這種生命將存在於一個稀疏的中微子、光子、黑洞和一些仍在漫步的剩餘質子的集合中。

另一方面,如果質子不衰變,那麼一些結構仍將保留在宇宙的黑暗時代。其中包括小行星和被冰層覆蓋的古老行星。鐵星-金屬的完美球體後會出現10年由於量子隧穿過程。可以看到光子穿過屏障穿到另一邊。就像海洋層也被劃分成五個獨立的區域,宇宙也註定要在大部分時間裡沒有星星和月亮。相反,這些條件將是殘酷的,成為對像人類這樣的生物生存的更大挑戰。我們可以在紅矮星和黑洞周圍建立新的文明,用它們作為我們最後的篝火,在世界末日的艱難條件下。因此,我們和我們崇拜了多年的太陽這一豐裕生命的時刻,是一個特殊的時刻,也是一個極其短暫的時刻。

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    畢竟在微觀世界領域,原子與原子之間有同性原子之間的庫侖斥力作用,這種作用力連太陽內核1500萬攝氏度、幾百萬個大氣壓條件下,也無法大機率地實現原子中質子與質子的結合,只能藉助於量子隧穿效應,以很低的機率推動氫核聚變「溫和」地發生。同時,電子在原子核外的排列,是以量子態的形式隨機分布的,遵循同性相斥力和泡利不相容原理。
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