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1 # 量子科學論
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2 # 小宇堂
在宇宙大爆炸理論的背景下來說,光子並非宇宙一誕生就出現了。因為宇宙初生的時候各種基本作用力還沒有分開,或者物質還沒有形成,或者物質密度太高,因此那個時候還沒有光。不過宇宙初生的時候沒有那麼簡單。下面我們來詳細解說在大爆炸理論下宇宙早期的歷史過程,並解釋微波背景輻射的產生原因。
上圖:大爆炸學說對於宇宙歷史的描述。
Quantum Fluctuations - 量子漲落
Inflation - 膨脹
Afterglow Light - 餘暉
Dark Age- 黑暗時代
根據大爆炸理論我們可以把宇宙的早期分為下面四個階段:
極早期宇宙——的宇宙時間的第一皮秒 (10^-12秒)。這個階段包括了普朗克時代,在那個時期內,目前我們的科學家透過觀察並歸納出來的物理定律完全不適用。四種已知的基本相互作用力就像抽絲剝繭一般次第出現——首先是引力,然後是強力、弱力和電磁相互作用,然後就是由強力和電弱作用的分離而催生的宇宙自身的膨脹和宇宙膨脹所引起的超冷卻(當然那時的宇宙還是極熱的)。
上圖:普朗克時代所處的時間線位置。
在這個階段,宇宙中微小的漣漪被認為是後來形成的大規模宇宙結構的基礎。我們隊宇宙極早期的不同階段的理解程度尚不完善,其中某些階段甚至超出了粒子物理學透過實驗所掌握的知識範圍。
在這個時期,應該是沒有光的,因為這個時候各種作用力正在分離之中,在極高能量狀態下,光這種低能的能量形式還沒有足夠的空間和時間來展開。
上圖:各種基本作用力的分離
Gravity - 引力
Weak Force - 弱力
Electromagnetic force - 電磁力
Strong Forace - 強力
早期宇宙,持續了大概377000年。在這個階段當中,各種亞原子粒子陸續形成。這些粒子包括幾乎相等數量的物質和反物質,因此大部分物質迅速湮滅(變成光),最終只在宇宙中留下了非常少量的物質。
在大爆炸後大約一秒鐘的時候,中微子解耦,這些中微子形成了宇宙的中微子背景。如果存在原始黑洞,那它們也在宇宙時間的大約第一秒鐘內形成。
大約在2分鐘的時候,複合的亞原子粒子出現,這包括質子和中子,此時的條件開始適合於核合成:大約25%的質子和所有中子聚合成較重的元素,例如氘很快相互融合成氦-4。
到了20分鐘的時候,宇宙的溫度下降到不足以維持聚合的程度,但是溫度仍然很高使得中性原子無法形成,而光子還無法輻射出去,此時的宇宙只是一團不透明的等離子體。
大約到了大爆炸後47000年的時候隨著宇宙的冷卻,其行為開始由物質而不是輻射支配。
在大約大爆炸後100000年時,氫化氦成為了宇宙中出現的第一個分子。很久以後,氫和氫化氦反應形成分子氫,才有了第一顆恆星所需的燃料。
大約在大爆炸後377000年時,宇宙最終冷卻到足夠低的溫度,這時中性原子才具備了形成條件,這被個過程被稱為“重組”,其結果是宇宙首次變得透明。新形成的原子,主要是含有痕量鋰的氫和氦,它們透過釋放光子(“光子脫耦”)迅速達到其最低能態(基態),這些光子今天仍然可以被探測為宇宙微波背景(CMB) 。這是目前我們對宇宙最古老的觀察所看到的東西和情景。到這個時間為止,宇宙中才有了光。
上圖:光子脫藕示意圖(光子從與電子能量相互轉換的均衡態當中脫離得以自由輻射出去,在宇宙沒有足夠膨脹的情況下,光子產生後就立刻被電子吸收了,如此高速迴圈,沒有光可以逃逸出去)。
黑暗時代,從宇宙誕生之後377000年到大約10億年。在重組和解耦之後,宇宙是透明的,但是氫雲坍縮形成恆星和星系的過程異常緩慢,所以在相當長的一段時間內都沒有任何可以產生電磁輻射的光源。在這個時候宇宙中唯一的光子就是在脫耦期間釋放的宇宙微波背景輻射,以及偶爾由氫原子發射的21釐米射頻輻射。
脫藕釋放的光子最早是充滿宇宙的鮮豔的橙色光芒,而隨著光的傳播,逐漸地在大約300萬年後紅移到不可見的波端,成為了不可見光。於是,宇宙又變得黑暗起來。這個時代被稱為“黑暗時代”。
在大約2億到5億年的某個時間點,最早的恆星和星系形成,早期的宇宙大型結構開始出現。這時宇宙才又開始明亮起來。銀河系和超星系團也逐步形成,直到大約10億年後黑暗時代才告完結。
上圖:黑暗時代還是一個相當長的時期,隨之而來的是“再離子化”,宇宙大量的氫原子被高能光子離子化。
總結宇宙形成最初期沒有光是因為電磁作用還沒有從其它基本力當中分離出來。之後,宇宙經歷了一次由光子脫藕而產生的光輝,那是宇宙第一次被點亮,而這一次光輝的餘輝就是我們今天看到的宇宙微波背景輻射。但隨之宇宙又暗淡了下去,進入了黑暗時代,直到第一顆恆星引重力內爆點燃聚合反應,宇宙才再一次明亮起來。
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3 # 淡漠乾坤
自然界是不連續的,存在著質的變化。我們的宇宙只是自然界的一部分,是一個相對獨立且封閉的系統。
由於普朗克常數h的普遍存在,由於普朗克常數h的物理量綱是粒子的角動量,由於普朗克常數h的提出是為了使能量具有不連續性,說明在我們的宇宙中存在著不可再分的最小粒子即量子,說明我們的宇宙是由無數個量子構成的。
基態的量子構成宇宙的物理背景即量子空間,這些量子的無規運動就形成了宇宙的微波背景輻射溫度。
而光子只是受到激發的量子,其能量高於本底(最低)能量,因而具有有向的運動,屬於能量的範疇。
如果量子的能量非常高且彼此之間的距離很小,就會由數個高能量子相對於量子空間產生遮蔽效應,形成封閉體系即形成各種基本粒子,屬於物質的範疇。
在宇宙的絕大部分演化過程中,宇宙內部只有單一的基態量子,即宇宙中只有不可再分的最小粒子存在。而且,每一個最小粒子都處於基態,大家彼此能量相同,因而不存在能量的傳播與交換。
不過,宇宙中的這些最小粒子(量子)的絕對能量會隨著宇宙的膨脹或收縮而相應地減小或增加。此時,不存在作為激發量子的光子和作為封閉體系的基本粒子,即宇宙的常態是隻有一種存在狀態——基態。
只有當宇宙劇烈變化,比如宇宙早期的高速膨脹即宇宙大爆炸時,宇宙的膨脹速度遠高於其內部空間的傳播速度,使得宇宙的內部空間隨著宇宙的膨脹越來越不平衡時,區域性高能量子就會形成封閉體系,從而暫時緩解了宇宙內部的不平衡。
於是,在宇宙的內部,由原來單一的基態,由增加了另一種存在狀態即封閉體系,通俗地說就是能量的聚集狀態。
之後,當宇宙的變化趨於平穩時,由劇烈變化所產生的封閉體系(物質)就會逐漸地解體,把封閉的高能量子釋放出來。這些釋放出來的量子具有高於基態量子的能量,因而成為光子,從而使我們的宇宙又增加了一種存在狀態,即開放的能量(光子)。
因此,光子的本質是宇宙早期高能的量子,而宇宙背景空間的量子是宇宙膨脹之後能量降低的量子。至於各種基本粒子即物質則是尚未解體的,由高能量子組成的封閉體系。
於是,在宇宙的演化過程中,有一個特殊的演化階段。在這一階段中,宇宙內部的量子同時存在著三種不同的狀態,即離散的基態量子構成空間,受到激發的量子成為光子屬於能量的範疇,由高能量子組成的封閉體系就是物質。
我們人類就是宇宙在這一特定演化階段所產生的副產品,從而使我們有機會認識到宇宙的這三種不同的量子存在狀態。
總之,宇宙的微波背景輻射溫度是關於宇宙中最小粒子(量子)基態能量的度量,該溫度會隨著宇宙的演化而變化。而光子和各種基本粒子則僅只是宇宙劇烈變化的副產品,它們只存在於宇宙演化的特殊階段。
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4 # 河北薛之謙
光子
光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子,是一種規範玻色子,也是電磁輻射的載體,而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。在宇宙誕生之初,宇宙內的所存物質和能量都聚集到了一起,並濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大,瞬間產生巨大壓力,之後發生了大爆炸,大爆炸使物質四散出去,宇宙空間不斷膨脹,溫度也相應下降,後來相繼出現在宇宙中的所有星系、恆星、行星乃至生命,光子也由此產生。
微波背景輻射
1964年,美國貝爾實驗室的工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜第一次發現了微波背景輻射。宇宙微波背景輻射是宇宙中最古老的光,存在於整個宇宙空間的、各向同性的、在微波波段的電磁輻射,同時也是宇宙大爆炸模型最令人信服的證據,打開了宇宙整體物理演化研究的大門。
按照宇宙大爆炸理論,約140億年前(關於宇宙年齡,還有不同的說法),宇宙形成之初,緻密物質像籠子一樣禁錮了所有輻射,大爆炸後30萬年,隨著這些物質密度的下降,微波背景輻射才得以掙脫束縛。就像恐龍化石能讓我們認識若干萬年前的恐龍一樣,這種“化石”光可以不受阻擋地穿越茫茫宇宙,讓我們瞭解宇宙“嬰兒時期”的各種資訊。
最後,光子是電磁輻射的載體,而微波背景輻射是一種充滿整個宇宙的電磁輻射,現如今我們早已發現了微波背景輻射,這是宇宙大爆炸模型最令人信服的證據,打開了宇宙整體物理演化研究的大門。
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5 # 中承明
宇宙沒有“開始”,開始與微波背景輻射等說法是“大爆炸宇宙”學說的錯誤觀念。光子是宇宙物質的基本粒子,有物質就有光子。時間、空間、物質和能量是構成宇宙四大要素。
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6 # 上善若水吳大河
宇宙大爆炸學說還有一個最不能自圓其說的疑點。 觀測表明,最遙遠的星系看起來以光速遠離我們,宇宙大爆炸學說的解釋是在暗能量(還沒找到,不知其有無)的作用下宇宙在加速膨脹,其邊緣的膨脹速度超光速,那麼作為所謂的大爆炸的最早痕跡,發射於可視宇宙最邊緣的宇宙背景輻射也應該以超光速遠離我們,那樣我們將無法觀測到宇宙背景輻射(因為背景輻射也是以光速傳播的),但這與觀測實事不符,宇宙背景輻射是毋庸置疑的。如何理解大爆炸所引起的宇宙背景輻射起始於137億年前,並且背景輻射在我們這個超光速膨脹的可視宇宙的最外層,其輻射波源現在已位於465億光年以外,從宇宙誕生都在超光速膨脹,而其最早的訊號卻能回傳到我們地球?這真是一件令人匪夷所思的事情,也是宇宙大爆炸學說在邏輯上不能自洽的最大疑點,宇宙在超光速膨脹而位於宇宙邊緣的宇宙背景輻射卻能被觀測到,這該如何解釋?
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7 # 易境2
天地乃一氣耳!
根據我們民族的傳統文化來講 ,生成宇宙的本源物質是“氣”。氣以陰陽兩種方式共居一體而運動存在。陰為無形 ,陽是有形。
無形與有形因氣的形態和運動速度大小而構成。
無形氣的存在以彌散態與結合態兩種方式構成,彌散態是氣的均勻分佈態,結合態則是氣運動類聚像構成 虛無飄渺的量子體(符號象數27=3^3)執行態。彌散態為背景輻射,象數符號是73數,結合態為量子體運動 呈象為資訊。符號象數是27數。73+27=100=10^2,自然形成為無形的“二維”百數量子資訊(象數符號是27~2V象)世界存在方式(n^2)。
有形氣的存在方式,則是二維量子資訊能量凝聚生成的物質“現(線)象”,其符號象數為28數。物質的基本粒子則是由氣陰陽運動界線上生成的光子構成的。因光子是在陰陽運動界線上生成的,故光子的符號象數則自然形成為72數,與二維量子體符號27(=3^3)數構成了陰陽互逆關係。於是28(現象)+72(界線)=100乃自然形成等量百數的三維(符號象數37~3V)時空。
二維世界象數27+三維時空象數37=64=8^2乃自然形成陰陽合和二層次世界存在的8卦象結構存在方式。即宇宙64基因象存在模式。
是故,光子是氣在陰陽運動界線(72數符號)上生成的一種客觀上用於區別有無特徵的氣特殊質能現象,也就是由物質具備電磁輻射效能而證明客觀存在的表現方式。因此光子是與百數宇宙同步而存在的。72數是它生成氛圍條件,而宇宙背景(符號象數是73,也可以解讀為極光,氣光)輻射則是他存在的形式。
綜上所述,時空光子的存在與背景輻射都是我們民族傳統文化精髓~氣運動不同形式的具體體現!
以上是鄙人用易經象數思維方式對問題的詮釋,可能方式有所不妥,望高人指教!
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我們知道現今宇宙中含量最高的物質形式是由一個質子和一個電子組成的最不起眼的氫原子,它是恆星聚變發光發熱的初始原料,是元素週期表中所有元素的起點,是我們一切物質的開始,在我們可觀測宇宙中大約含有10^80個原子,構成了我們豐富多彩的宇宙。
那麼如果我們把這些都從宇宙空間背景中去掉,空間中還剩下什麼?黑暗、寒冷?不不不!我們的空間充滿了微小的溫度波動,我們稱它為——宇宙微波背景輻射!這也是宇宙早期留下輝光,但這並不是宇宙大量光子誕生的時期,我們就回到宇宙早期看下充滿空間的微波輻射時怎麼來的。
那麼它是怎麼來的?為何如此重要?既然被稱為宇宙的“指紋”,那我們就必須回到大爆炸的早期階段,不僅在原子出現之前,甚至在質子出現之前,這時的宇宙充滿了所謂的夸克和膠子的等離子體。
如果把物質加熱到2萬億開爾文以上,組成原子核的基本成分夸克和膠子就會具有極高的能量,這時把它們稱為質子和中子已經沒有任何意義了。
相反,夸克,膠子以及在極高能量下允許的任何粒子,都以一種不受束縛的狀態存在,我們稱它們為——夸克湯!
而早期宇宙的溫度更是超過了2萬億開爾文!怎麼說。這就跟煉丹爐一樣,能量越高,創造出來的東西越多越神奇!事實上這時的宇宙不僅製造了標準模型中的所有粒子,還製造了所有的粒子的反粒子!以及我們至今還沒發現的粒子,也就是標準模型缺失的部分。
但宇宙標準模型中最重要的一個特性就是,宇宙會隨著年齡的增長膨脹和冷卻。
其中一個結果就是:隨著宇宙的膨脹可用的能量越來越少,所以製造重粒子就會變得越來越難。另一個結果是:隨著溫度的降低,意味著夸克開始凝結成束縛的粒子:重子和介子。最後,隨著時間的推移,生成的不穩定粒子將會發生衰變!
一些衰變的粒子(可能)造成了宇宙中物質/反物質的不對稱性,但絕大多數衰變為穩定的輻射粒子:光子和中微子。
最終的結果是,我們的宇宙充滿了大約10^80個質子(和電子),但大約有10^90個光子,這就是光子大量生成的階段!而此時質子和電子很想結合在一起形成中性原子。但是這時的光子擁有極強的能量,會立即出現,並把電子踢出去,使宇宙一直保持等離子體的狀態。所以還需要在等待宇宙的冷卻!直到它冷卻到足以第一次形成中性原子為止....
那麼宇宙需要冷卻什麼程度,中性原子才能形成呢?上文我們說到光子比原子多了10億倍!這意味著宇宙需要冷卻到平均光子的能量不能再電離氫原子,而且每十億光子中沒有一個光子有足夠的能量來電離氫原子。
所以宇宙需要冷卻到3000開爾文左右,中性原子才得以形成,而這時的宇宙大約已有38萬年的歷史了,為什麼非要等中性原子的形成呢?因為只有中性原子形成以後,光子才不會和等離子體發生不斷地碰撞,阻礙光子地傳播,還記得我們地太陽嗎?
所以只有中性原子地形成大爆炸遺留下來的輻射最終可以以直線的形式傳播,隨著宇宙的膨脹而冷卻,並在138億年之後到達我們今天的衛星和望遠鏡。我們就看到了下圖:
這就是這幅著名的WMAP影象向我們展示了天空中每個地方的平均溫度是2.725開爾文。這就是微波輻射的來源,大爆炸的指紋,輝光,以及向我們遞出的大爆炸“名片”!為什麼這麼說呢?因為再中心原子之前,宇宙稱為不透明時期,而最後逃出來的光線就是我們能看到宇宙早期的唯一線索!所以微波輻射真的很重要!
那麼這麼重要的資訊,我們從中看到什麼?今天其實我還看到了一個問題,有朋友問:微波背景圖怎麼是個橢圓啊,不應該是整天天空呈球形嗎?現在看看上圖我們就知道了,這個橢圓就顯示了整個天空。
接下來我們要做的是觀察這個地圖不同部分的平均溫度。例如,我們可以把它分成四個相等的小塊,看看這四個小塊的平均溫度是多少,看看它們和整體平均溫度的差異。然後,就這樣無限細分,我們一遍又一遍的分析,看平均波動的大小如何隨著尺度的變化而變化。
例如,發生在大約1平方度的範圍內,最大平均溫度波動約70-80微開爾文。
這對我們瞭解宇宙非常有用,因為,根據我們的主要理論,宇宙開始時在所有的尺度上都有相同的溫度波動!但到宇宙38萬年的時候,情況就完全不同了,為什麼呢?
因為宇宙結構已經開始形成了!密度稍高的區域已經開始生長,密集稍低的區域已經開始縮小。而物質密度稍微高的區域,溫度越低,物質稀疏的區域溫度溫度略高!根據溫度的波動,我們將能估算出物質的總量!而我們發現正常物質只佔了物質總量的1/6。
總結:簡而言之,這些波動產生的模式對當時宇宙中的物質、輻射的數量和型別非常敏感,當我們分析這些資料時,我們就可以知道在任何給定的時間宇宙中存在著多少物質(以及不同的種類)。