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五月

上帝粒子(六):星塵

作者 : 海遠   在 邁向現代 Road to Modernity

海遠繼續在此介紹這本書《The God Particle:If the Universe Is the Answer, What Is the Question?》〈Chapter 9:Inner Space, Outer Space, and the Time Before Time:Looks at astrophysics and describes the evidence for the big bang〉,第九章內容涵括大爆炸理論。

(A) 大爆炸理論

自1924年開始,美國天文學家「哈勃」(Edwin Hubble) 在「威爾遜山天文台」(Mount Wilson, California) 利用口徑250厘米的「虎克望遠鏡」(Hooker telescope;當時世界最大的望遠鏡) 觀察夜空,在點點繁星中分辨出「銀河系」(galaxies) 以外的星系:The universe goes beyond the Milky Way galaxy,並由此建造了一系列天文距離指示儀。這是宇宙距離尺度的前身,這些儀器使他能夠通過觀測星系的紅移量,來推測星系與地球之間的距離。

他在1929年發現,星系遠離地球的速度,與它們和地球之間的距離剛好成正比,這就是所謂「哈勃定律」:Redshift increases with distance。「哈勃定律」說明宇宙在膨脹,如果當前星系和星團間彼此的距離在不斷增大,則說明它們在過去曾經距離很近。從這一觀點,物理學家進一步推測:在過去宇宙曾經處於一個密度極高、兼且溫度極高的狀態,這狀態被稱為「奇異點」(singularity)。膨脹的過程就像一次大爆炸,根據這些觀察而建立宇宙源起的理論,被稱為「大爆炸理論」(the Big Bang Theory)。

1965年,「宇宙微波背景輻射」(Cosmic Microwave Background;CMB) 的發現和確認,更使絕大多數物理學家都相信:大爆炸是描述宇宙起源和演化最好的理論。根據2013年普朗克衛星所得到的最佳觀測結果–the European Space Agency (ESA) Planck Surveyor,宇宙大爆炸距今137.98 ± 0.37億年。

(B)「宇宙年表」

有關「宇宙年表」的資料,可參閱《維基百科》以下網頁–
“http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%B9%B4%E8%A1%A8”;

有關「宇宙」的資料,可參閱《維基百科》以下網頁–
“http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%AE%87%E5%AE%99”。

對於大爆炸以後的宇宙,則可以用較成熟的理論加以描述。一種典型的理論是:

10-43秒:宇宙從量子背景出現。

10-35秒:宇宙由夸克–膠子等離子體構成,強相互作用、引力與電磁相互作用/弱相互作用分開。

10-5秒:電子形成,宇宙主要包括光子、電子和中微子,溫度約1000億度。

10秒:質子和中子結合成氫、氦等原子核,溫度30億度。

35分鐘:「核融合」(nucleosynthesis;亦稱核合成,是形成原子核的過程) 停止,溫度3億度。

30萬年:電子和原子核結合成為原子。物質和輻射脫耦,大爆炸輻射的殘餘成為今天的3K微波背景輻射–CMB。「Afterglow light pattern」見附圖一。

4億年:第一批「恆星」形成。

20億年:形成了「類星體」(quasar)。

46億年:「太陽系」形成。

(C)「核合成」( nucleosynthesis )

要連繫我們眼前構成地球的元素,及遠古前的「宇宙大爆炸」,必須引入三個概念:「太初核合成」;「恆星核合成」;及「超新星核合成」。

「太初核合成」(Big Bang nucleosynthesis;also known as primordial nucleosynthesis):這是由「宇宙大爆炸」時的「純能量」,到第一批「物質」 — 即「氫原子」(Hydrogen) 和「氦原子」(Helium) — 的轉化過程,亦即是「歐洲核子研究中心」 (CERN) 的「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider) 及之前的各種「粒子對撞機」所研究的物理學範圍。太初核合成發生在宇宙最初的三十分鐘,我們身體內的氫原子,是「太初」時已形成,存在於「水」(H2O)、「糖」(Carbohydrate) 及「脂肪」(Hydrocarbon)。

「恆星核合成」(stellar nucleosynthesis):恆星是將氫和氦聚變成更重元素的核子爐,經由「核聚變」(nuclear fusion) 而產生巨大的能量。我們的「太陽」,正是在進行這種「核聚變」,現時核武大國製造的「氫氣彈」(hydrogen bomb),亦是運用「由氫原子聚合成氦原子產生能量」的原理來發展。但科學理論計算指出,「熱核聚變」祇能最高產生到「鐵元素」,在「元素週期表」(periodic table) 中,較鐵更重的元素,祇能由其他過程中產生。

「超新星核合成」(Supernova nucleosynthesis):質量大於太陽10倍以上的恆星,當其核燃料耗盡以後,其巨大的質量會引至重力塌縮,這强大的重力塌縮會把較鐵輕的元素,聚變至較鐵重的元素。塌縮後的星體極不穩定,星體內核會形成「中子星」(neutron star),其外殼的重元素則會被噴發到星際空間,其爆炸力亦可能會壓縮其附近的氫原子雲,凝聚成一夥新「恆星」。

因為地球擁有較鐵重的元素,因此地球並不全是太初時形成的物質,而是幾十億年前一次「超新星爆炸」的碎片,整個太陽系亦然。因此科學家感慨的說:「我們都是星塵的孩子」(We are all born of star dust)。而太陽是第二代或第三代的「恆星」(star)。

更確切的說,以原子的數量來說,我們身體中有60%是氫原子,是太初核合成的產品;有40%是其他的元素,是稍後的恆星和超新星核合成並爆炸出來的碎片,亦即是「星塵」(stardust)。但氫原子的質量小,atomic weight =1;其他的元素則重得多,例如:碳=12;氮=14;氧=16;鈣=40 …。因此就「身體質量」(body mass) 來說,人類身體的93%是「星塵」。

上列資料引述自題為《How much of the human body is made up of stardust?》的文章,網址是–
“http://www.physicscentral.com/explore/poster-stardust.cfm”。

走筆至此,相關題目已共有六篇文章,海遠就以本文結束有關「上帝粒子」的討論。

附圖一:Graphical timeline of the Big Bang,從大爆炸形成的宇宙演化圖解,在這幅圖中以二維呈現宇宙,第三維度是時間,向右方是增加。

Big BangTheory01

這篇文章發表 於 星期一, 五月 19th, 2014 8:46 上午 在 邁向現代 Road to Modernity. 你可以回應這篇文章透過 RSS 2.0 feed. 你可以 留下回覆, 或 引用 從你的個人網站.

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