第1323章 渊天宫(160)(1/1)
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宇宙可能会被微调。微调宇宙假说是一个命题,即只有某些宇宙基本物理常数位于非常狭窄的值范围内,才可能允许宇宙出现生命的条件。因此,如果几个基本常数中的任何一个只是略有不同,宇宙就不太可能有利于物质生成、天文结构、元素多样性或可理解宇宙的生命的产生和发展。哲学家、科学家、神学家和创造论的支持者都讨论过这一命题。
宇宙几乎完全由暗能量、暗物质和普通物质组成。其他包括电磁辐射(估计占宇宙总能量的0.005%或接近0.01%)和反物质。在宇宙的历史中,所有类型的物质和能量的比例都发生了变化。在过去20亿年中,宇宙中产生的电磁辐射总量减少了。当前包括原子、行星、恒星、星系和生命在内的普通物质仅占宇宙质能总量的4.9%。当前这类物质的总体密度非常低,大约为4.5×10-31g/3,相当于每4立方米体积中只有一个质子的密度。暗能量和暗物质的性质是未知的。暗物质是一种尚未被确认的神秘物质形式,占宇宙总量的26.8%。暗能量是来自虚无空间的能量,它导致宇宙的膨胀加速,占宇宙总量的68.3%。
普通物质、暗物质和暗能量在超过3亿光年左右的尺度上均匀地分布在整个宇宙中。然而,在较小的尺度上,物质往往按层级聚集,绝大多数原子聚集成恒星,绝大多数恒星聚集形成星系,绝大多数星系聚集形成超星系团,最后是大尺度纤维状结构。可观测宇宙包含超过2万亿(1012)个星系,总体而言,估计有超过1亿亿亿(1024)颗恒星(比地球上所有的沙粒都多)。典型星系中的恒星数量范围从只有几千万(107)颗恒星的矮星系到拥有数万亿(1012)颗恒星的巨星系。银河系位于本星系群中,而本星系群又位于拉尼亚凯亚超星系团中。这个超星系团跨越5亿光年,而本星系群跨越1000万光年。宇宙空洞是宇宙中相对空虚的广阔区域,位于较大的天文结构之间,其直径通常为1000万–1.5亿秒差距(3300万-4.9亿光年)。已测量到的最大宇宙空洞跨越18亿光年 (5.5亿秒差距)。
可观测的宇宙在比超星系团大得多的尺度上是各向同性的,这意味着宇宙的统计属性在从地球上观察到的所有方向上是相同的。宇宙沐浴在高度各项同性的微波辐射中,相当于大约2.开尔文的热平衡黑体光谱。大尺度宇宙是均匀的和各向同性假设被称为宇宙学原理。一个既均匀的和各向同性的宇宙从所有观察点看都是一样的,没有中心。
宇宙膨胀加速的原因仍然难以捉摸,这通常归因于暗能量。暗能量是一种被假设为渗入空间中的未知能量形式。在质能等价的基础上,暗能量的密度(约7×10-30 g/3)比星系内普通物质或暗物质的密度要低得多。然而,在当前的暗能量时期,它主宰着宇宙的质能,并且它在空间之中是均匀的。
暗能量的两种拟议形式是宇宙常数和标量场。宇宙常数以恒定的能量密度均匀的填充空间,标量场能量密度可能因时间和空间而动态变化。标量场的贡献通常也包括在宇宙常数中。公示化表达的宇宙常数相当于真空能量。仅具有少量空间不均匀性的标量场将很难与宇宙学常数区分开。
暗物质是一种假设物质,对整个电磁波谱都是不可见的,但却占了宇宙物质的大部分。暗物质的存在和性质是因为它对可见物质、辐射和宇宙大尺度结构的引力作用而推断的。除了中微子被认为是一种热暗物质,其他暗物质特别是冷暗物质还没有被直接探测到,因此它成为现代天体物理学中最大的谜团之一。暗物质既不发射也不吸收光(或任何其他在显着水平的电磁辐射)。据估计,暗物质占宇宙总质能的26.8%,占宇宙总物质的84.5%。
宇宙剩余4.9%的质能是普通物质,即原子、离子、电子和它们所形成的物体。物质包括恒星(产生几乎所有从星系发出的光)、行星、星际和星系际介质中的气体,以及日常生活中可以碰到,触摸或挤压到的所有物体。事实上,宇宙中绝大多数普通物质是看不见的,因为星系和星系团内的可见恒星和气体仅占普通物质的10%。普通物质通常存在四种物质状态(相):固体、液体、气体和等离子体。然而,实验技术的进步揭示了其他之前处于理论阶段的物质状态,如玻色-爱因斯坦凝聚态与费米子凝聚态。
普通物质由两种基本粒子组成:夸克和轻子。例如,质子由两个向上夸克和一个下夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成,电子是一种轻子。原子由原子核组成,由质子和中子组成,电子围绕原子核运行。由于原子的绝大多数质量集中在其原子核中,而核由重子组成,天文学家经常使用“重子物质”一词来描述普通物质,尽管这种重子物质中有一小部分是电子。
大爆炸后不久,原始质子和中子由早期宇宙的夸克-胶子等离子体形成,温度低于两万亿度后冷却。几分钟后,在一个称为大爆炸核合成的过程中,原子核由原始质子和中子形成。这种核合成形成了较轻的元素,即原子序数小于锂和铍的元素,但较重元素的丰度随着原子序数的增加而急剧下降。此时可能已形成一些硼,但下一个更重的元素——碳并没有大量形成。由于宇宙膨胀,温度和密度迅速下降,大爆炸核合成在大约20分钟后关闭。此后,恒星核合成和超新星核合成过程形成了较重元素。