問答題"宇宙大爆炸理論"是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最著名、也是影響最大的一種學(xué)說,它是到目前為止關(guān)于宇宙起源最科學(xué)的一種解釋。大爆炸理論的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)"原始原子"中,然后突然發(fā)生大爆炸,使物質(zhì)密度和整體溫度發(fā)生極大的變化,宇宙從密到稀、從熱到冷、不斷膨脹,形成了我們的宇宙。最初那次無與倫比的爆發(fā)就被稱為大爆炸,這一關(guān)于宇宙起源的理論則被稱為宇宙大爆炸理論。
宇宙大爆炸的設(shè)想最早由比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特在1932年提出的。到20世紀(jì)40年代,美籍俄國天體物理學(xué)家伽莫夫提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型,并計(jì)算出爆炸之初的溫度、溫度下降的快慢等,論述了演化過程。大爆炸理論在誕生之初由于缺少證據(jù)并不使人信服,但到20世紀(jì)60年代以后,越來越多的證據(jù)表明大爆炸模型在科學(xué)上有強(qiáng)大的說服力,特別是英國著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金對于宇宙起源后最初的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋。
根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)模型的觀點(diǎn),宇宙150億年的演化過程分為三個(gè)階段。大爆炸的整個(gè)過程大致是這樣的:
大約150億年前,宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起,并濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大。突然,這個(gè)體積無限小的點(diǎn)在四大皆空的"無"中爆炸了,時(shí)空從這一刻開始,物質(zhì)和能量也由此產(chǎn)生,這就是宇宙創(chuàng)生的大爆炸。人們將大爆炸的瞬間定作宇宙年齡"零"時(shí)。
第一個(gè)階段是宇宙的極早期。宇宙處在這個(gè)階段的時(shí)間特別短,短到以秒來計(jì),稱為"太初第一秒"。剛剛誕生的宇宙是極其熾熱、致密的,隨著宇宙迅速膨脹,溫度急速下降。宇宙年齡為百分之一秒時(shí),溫度降到1000億攝氏度;宇宙年齡為1秒時(shí),溫度繼續(xù)下降,但仍高達(dá)100億攝氏度以上,宇宙處于一種極高溫、高密的狀態(tài),當(dāng)時(shí)除氫核--質(zhì)子外,沒有任何別的化學(xué)元素,只有由質(zhì)子、中子、電子、光子等基本粒子混合而成,成為熱平衡狀態(tài)下的"宇宙湯"。
第二個(gè)階段是化學(xué)元素形成階段,大約經(jīng)歷了數(shù)千年。在"宇宙湯"中,原先只有中子和質(zhì)子等基本粒子,在3分鐘時(shí)中子和質(zhì)子之比為1:6。隨著整個(gè)宇宙體系不斷膨脹,溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時(shí),中子開始失去自由存在的條件,化學(xué)元素從這一時(shí)期開始形成。中子和質(zhì)子開始核聚變過程,所有的中子迅速合成到由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成的氦核中,余下的質(zhì)子就成了氫原子核。這一時(shí)期還合成了其它輕元素,如氘、氚、鋰、鈹、硼等,數(shù)量較少。各種輕元素的豐度--即與氫的比例在宇宙各處都是一定的。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降到100萬攝氏度時(shí),早期形成化學(xué)元素的過程就結(jié)束了。此時(shí)宇宙間的物質(zhì)主要是這些比較輕的原子核和質(zhì)子、電子、光子等,光輻射很強(qiáng),但是沒有星體存在。
第三個(gè)階段是宇宙形成的主體階段。這個(gè)階段的時(shí)間最長,至今我們?nèi)陨钤谶@一階段中。這一階段起始于溫度降到幾千攝氏度時(shí),此時(shí)上述各種原子核開始與電子結(jié)合為中性原子,這一過程稱為復(fù)合。由于溫度的降低,輻射也逐步減弱,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),這些物質(zhì)的微粒相互吸引、融合,形成越來越大的團(tuán)塊。又過了幾十億年,中性原子在引力作用下逐漸聚集,先后形成了各級(jí)天體。氣體逐漸凝聚成星云,并逐漸演化成星系、恒星和行星,再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天所看到的五彩繽紛的星空世界。在個(gè)別天體上還出現(xiàn)了生命現(xiàn)象,人類也終于在地球上誕生了。生命現(xiàn)象出現(xiàn)在宇宙形成的哪個(gè)階段?這個(gè)階段的主要特征是什么?
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