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从宇宙大爆炸到生命的诞生 约138亿年前,我们的宇宙通过大爆炸诞生于物质密度极大、温度极高的奇点,然后开启进化之路。物质或能量或时空在急速膨胀的过程中,物质或能量分布密度与温度急剧下降,逐渐形成可以产生引力效应的粒子。然后随着时空的进一步膨胀,温度继续下降,这些可以产生引力效应的粒子结合成了夸克、电子等基本粒子,开始产生弱相互作用和强相互作用及电磁力。 时空的持续膨胀伴随着温度与物质密度的持续下降,温度下降就是物质运动速度的下降,就是物质相互碰撞速度的下降,逐渐准许夸克结合成中子和质子,宇宙进入以中子和质子为主的时代。这个进化过程虽然很复杂,但进行得很快。比如,当时宇宙的反物质与物质是同比例并且均匀分布的。在局部区域,物质与反物质分布开始趋向极端化,有些区域完全向反物质方向发展,有些区域就向物质方向发展,并继续膨胀。比如,我们银河系与附近星系应该都是物质构成。 在完成正反物质空间分布差异之后,时空又膨胀了许多,温度同步也下降了许多。中子容易衰变成电子和质子,而质子却比较稳定,这意味着质子占比会增加,中子占比会下降。在中子占比下降的过程中,时空继续膨胀,温度继续下降。中子与质子可以结合一起了,而不至于被轻易撞开了,这就形成了氢元素的氘和氚。氘和氚等的碰撞,可以形成氦元素,甚至锂元素。在形成氦元素的过程中,温度继续下降,这样就不具备形成更重元素的温度条件了。 中子的衰变与放射性元素的衰变一样,是粒子的隧穿效应所致,这是一种量子效应。中子与质子结合以后,由于质子的电磁力效应,极大遏制了中子发生遂穿效应的概率,促使中子寿命大幅度提高。但是一个质子的电磁力不如两个质子的电磁力强大,因此,氢的氘同位素中的中子寿命明显小于氦元素中的中子寿命。这也是氢元素中,氘与氚占比极小的原因。
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从宇宙大爆炸到星系、恒星的形成,是一段跨越百亿年的漫长演化史,大致可分为以下几个关键阶段: 1. 大爆炸后的“黑暗时代”(0~38万年) 约138亿年前,宇宙从一个密度无限大的奇点爆炸诞生,初期温度极高(超过100亿℃),只有光子、电子、夸克等基本粒子,没有原子,更没有星体。随着宇宙膨胀冷却,38万年后温度降至约3000℃,电子与质子结合形成氢原子、氦原子,宇宙变得透明,第一缕光(宇宙微波背景辐射)得以传播——这就是我们现在能观测到的“大爆炸余晖”。此时的宇宙几乎均匀,仅存在微小的密度波动(源于量子涨落),为后续结构形成埋下伏笔。 2. 暗物质“播种”结构(38万年~1亿年) 宇宙中85%的质量是暗物质,它们不发光但有引力。大爆炸后,暗物质因引力逐渐聚集,形成巨大的“暗物质晕”——就像宇宙中的“引力骨架”。而普通物质(氢、氦)被暗物质晕的引力捕获,在其中心聚集,这些微小的密度差异(比平均密度高万分之一),成为未来星系、恒星的“种子”。 3. 星系的诞生(1亿年~10亿年) 随着暗物质晕不断坍缩,中心的气体(氢、氦)被压缩、加热,形成旋转的气体云。当气体云密度足够高时,会分裂成多个小团块——这就是星系的雏形。最初的星系较小,通过合并逐渐长大:两个小星系碰撞融合,形成更大的星系(如银河系的祖先,就是由数十个小星系合并而成)。星系中心的气体越聚越多,旋转速度加快,形成盘状结构(如银河系的银盘),而暗物质晕则包裹着星系,维持其稳定。 4. 恒星的“点火”(1亿年至今) 在星系的气体云中,密度较高的小团块因引力坍缩,温度飙升。当核心温度达到1000万℃时,氢原子核聚变形成氦(质子-质子链反应),释放巨大能量,抵消引力坍缩——一颗恒星就此诞生。 - 第一代恒星(星族Ⅲ)由纯氢、氦组成,质量极大(可达太阳的数百倍),寿命很短(仅几百万年),死亡时通过超新星爆发将碳、氧等重元素抛回太空,为下一代恒星“施肥”。 - 第二代、第三代恒星(如太阳)则含有这些重元素,周围还会形成行星(地球的岩石、金属,就来自恒星制造的重元素)。 总结:引力与涨落的“杰作” 从均匀的粒子海到星系的旋臂,从氢云到发光的恒星,本质上都是引力放大微小密度差异的结果:暗物质搭建骨架,普通物质填充细节,而恒星的诞生则是“引力坍缩+核聚变质变”的必然。我们脚下的地球、呼吸的氧
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