第一集講了物質(zhì)的起源， 《140億年宇宙演化全史》讀書(shū)筆記：物質(zhì)起源、宇宙的其他成分和恒星的演化與結(jié)局。
第二集講了恒星的演化邏輯，《140億年宇宙演化全史》+《六級(jí)物理》讀書(shū)筆記：氦閃、紅巨星、簡(jiǎn)并壓、錢德拉塞...
本集繼續(xù)。 我們的世界位于一個(gè)巨型旋渦星云的遠(yuǎn)郊，距離星系中心約有3萬(wàn)光年。往外再走2萬(wàn)光年就是模糊彌散的星系邊緣。太陽(yáng)誕生于一片氣體云團(tuán)中，它圍繞銀河系中心沿著一條近乎圓形的軌道旋轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期大約是2.4億年，太陽(yáng)為此已經(jīng)轉(zhuǎn)了20圈。它以后還能再轉(zhuǎn)20圈。這一切是怎么形成的？宇宙學(xué)要做的是，描述一種能將宇宙中彌散物質(zhì)凝聚成高度結(jié)構(gòu)化的組織機(jī)制。對(duì)此，人類現(xiàn)有的工具是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論。 首先回顧早期宇宙，不難發(fā)現(xiàn)，如果初始階段宇宙所有尺度都是嚴(yán)格遵守均勻且各向同性規(guī)則的話，就不可能有物質(zhì)聚集以至于不可能有今天的一切。唯一邏輯就是宇宙并不是均勻分布且各向同性的。為什么？答案在量子力學(xué)。 一、宇宙起源 1、相變與暴脹時(shí)期： 10的負(fù)37次方秒到10的負(fù)33次方秒是宇宙的暴脹時(shí)期。這段時(shí)期宇宙膨脹的速度比光速還快，短短10的負(fù)33次方秒宇宙從質(zhì)子的10的20次方分之一膨脹到了10cm。宇宙發(fā)生膨脹的原因是因?yàn)橄嘧?。水凍成冰塊，開(kāi)水變成蒸汽，在糖水里放一根線，糖霜會(huì)沿著這跟線凝結(jié)，這些現(xiàn)象都是相變。根據(jù)宇宙膨脹模型，宇宙能量場(chǎng)在大爆炸之后經(jīng)歷了幾次相似的相變，它不僅促成了宇宙的早期膨脹，還賦予宇宙密度交錯(cuò)分布的特殊形式，為宇宙凝固成膨脹的空間構(gòu)造提供了特殊模式。宇宙所有的結(jié)構(gòu)都起源于暴賬時(shí)期亞原子核~夸克尺度的量子漲落。對(duì)此，我們能夠從宇宙背景輻射中找到印證。 2、量子漲落 奇點(diǎn)時(shí)刻充滿了伽馬射線，就像是一股離奇密度的超高能量伽馬射線湯。其中伽馬射線蘊(yùn)含的能量（頻率）是可見(jiàn)光光子的20萬(wàn)—2萬(wàn)億倍。這些超高能光子所到之處會(huì)激發(fā)質(zhì)能轉(zhuǎn)換反應(yīng)，一對(duì)對(duì)正反物質(zhì)電子會(huì)憑空出現(xiàn)，然后彼此碰撞湮滅。這意味著每一刻都有不同數(shù)量的粒子消失或者重現(xiàn)，在任意給定時(shí)刻總有某個(gè)空間區(qū)域內(nèi)的粒子數(shù)量略高于其他區(qū)域，這才造成“每10億次光子湮滅制造的10億個(gè)光子在瞬間所激發(fā)出來(lái)的質(zhì)能轉(zhuǎn)化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量夸克，這些夸克會(huì)在瞬間形成的正反物質(zhì)夸克組~既正反物質(zhì)強(qiáng)子在湮滅中只會(huì)幸存1枚強(qiáng)子。同理，所產(chǎn)生的每10億顆正反物質(zhì)電子湮滅會(huì)幸存1顆電子。而那些湮滅所產(chǎn)生的光又會(huì)讓邏輯回到原點(diǎn)?！本瓦@樣，物質(zhì)的分布出現(xiàn)隨隨機(jī)的漲落，隨著宇宙的膨脹在空間中形成了十分微弱的不均勻的物質(zhì)密度差異，于是在宇宙膨脹的作用下，密度相對(duì)較高的區(qū)域逐漸開(kāi)始形成結(jié)構(gòu)。需要指出，真空中也存在量子漲落。 3、宇宙背景輻射地圖 宇宙暴脹時(shí)期所發(fā)生的大規(guī)模量子漲落制造了物質(zhì)和能量分布的不均勻，而宇宙退耦時(shí)期將宇宙的不均勻特征加以演化。宇宙的能量密集區(qū)將形成龐大的質(zhì)量密集區(qū)~星系團(tuán)和超星系團(tuán)，在宇宙的能量稀疏區(qū)，它們最終會(huì)發(fā)展成巨大的真空結(jié)構(gòu)被稱為空洞。而隨著宇宙膨脹，能量越來(lái)越弱的光子繼續(xù)在宇宙中游蕩，形成宇宙背景輻射，即CBR。 因此，我們測(cè)量宇宙背景輻射的精度越高，就越能在天空中找到那些能量密度略高于平均值的地區(qū)，這些地區(qū)就是后來(lái)發(fā)展出星系團(tuán)和超星系團(tuán)的區(qū)域。找到這些能量起落的區(qū)域是我們這個(gè)理論的關(guān)鍵，將這些信息繪制成宇宙背景輻射地圖，就是宇宙起源和其結(jié)構(gòu)模型的依據(jù)。這個(gè)壯舉在1993年由WMAP衛(wèi)星以極高的精度描繪完成。今天，人類已經(jīng)繪制了包含1000個(gè)星系的龐大宇宙結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)星系各自擁有1000萬(wàn)億顆恒星。算上暗物質(zhì)，這些星系團(tuán)的質(zhì)量相當(dāng)于10的16次方個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。 二、退耦時(shí)期：38萬(wàn)年-2億年 在宇宙歷史形成的早期（0-2分鐘），光子與物質(zhì)相互作用，高能光子射線所到之處不斷形成原子，而這些射線并以極高的能量將任何形成原子的機(jī)會(huì)撞的粉碎。但宇宙的持續(xù)膨脹稀釋了這些光子的能量。到了退耦時(shí)期（2分鐘-38萬(wàn)年），空間中光子的能量密度漸漸不足以制造物質(zhì)，也不足以干擾氫、氦原子的形成。大爆炸后38萬(wàn)年，宇宙中漸漸稀疏微弱的光子能量終于徹底的不再與當(dāng)年它們所制造的物質(zhì)發(fā)生互動(dòng)。 在這個(gè)時(shí)期，宇宙中非常黑暗，因?yàn)槟芪展獾某Ｒ?jiàn)原子和分子還未形成，空間中大都是氫原子和氦原子（以及非常少量的其他一點(diǎn)物質(zhì)，比如鋰）。于是，巨量的物質(zhì)在廣闊的尺度上因引力吸引而不斷聚集，這種聚集會(huì)合成恒星。
三、原始宇宙 1、光譜 各級(jí)原子能級(jí)軌道上所具有的能量各自含有特定的值，一個(gè)電子進(jìn)行軌道躍遷會(huì)產(chǎn)生能量變化。從高能向低能級(jí)躍遷所減少的這部分能量不能憑空消失，這部分能量會(huì)變成光子從原子里射出，光子攜帶的能量恰好就是電子從高能級(jí)運(yùn)動(dòng)到低能級(jí)所損失的能量，是特定的值。同理，從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷也需要吸收特定的能量，即特定的值。這些具有特定數(shù)值的能量表現(xiàn)為振動(dòng)頻率，即特定的值。這些特定的能量振動(dòng)頻率就是光譜。也就是說(shuō)，特定的能級(jí)軌道具備特定的光譜。在現(xiàn)實(shí)中，一種物質(zhì)往往具有多層核外電子層，其所擁有的能級(jí)光譜往往是多種特定能量（頻率）的組合，從而形成一個(gè)光組（波包）。即該物質(zhì)的光譜。也就是說(shuō)，特定物質(zhì)的原子攜帶特定的光譜。它輻射特定的熱頻率，也吸收特定頻率的光子，最終表達(dá)出特定的顏色。 氫原子和氦原子的光譜都在紫外波段，肉眼不可見(jiàn)。 2、第一批恒星 對(duì)于現(xiàn)代宇宙來(lái)說(shuō)，恒星發(fā)出的全頻段光線會(huì)被空間中的比較重的原子和分子大量吸收，當(dāng)各條能級(jí)飽和后在光子所攜帶的動(dòng)能作用下會(huì)對(duì)這些粒子產(chǎn)生光壓，從而將這些物質(zhì)吹開(kāi)。這樣的驅(qū)逐會(huì)將新生恒星的最大質(zhì)量限值在太陽(yáng)的100倍質(zhì)量以內(nèi)。在某個(gè)力學(xué)平衡線上，100倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星所釋放的光壓會(huì)大于其所發(fā)出的引力，使得現(xiàn)代宇宙內(nèi)的恒星發(fā)育尺寸最多就到此為止。但早期宇宙不是這樣。 首先，由于最初的宇宙里只有氫原子和氦原子以及痕量的鋰。而這些原子的光譜都在紫外波段，肉眼不可見(jiàn)。第一，這意味著早期宇宙很暗。其次，早期恒星所輻射出來(lái)的光動(dòng)能只有極少部分與氫原子和氦原子產(chǎn)生共振，它們所受到的光壓影響比較而言非常微小。這意味著，第一批恒星的孕育過(guò)程的尺寸限值要比現(xiàn)代宇宙寬松的多。這導(dǎo)致宇宙第一批恒星的尺寸可以達(dá)到幾千倍太陽(yáng)質(zhì)量。 3、星系之核 質(zhì)量大的恒星其生命節(jié)律也快，它們的壽命只有幾百萬(wàn)年，還不到太陽(yáng)的千分之一。而且，這種規(guī)模的恒星會(huì)制造出海量的更重的元素，包括碳、氧、氮、硅和鐵?？梢韵胂?，按照恒星的演化規(guī)律，它們的結(jié)局會(huì)是什么。 在這樣的環(huán)境和恒星的演化規(guī)律作用下，所有物質(zhì)都受到了引力控制從而聚集成團(tuán)，因此而產(chǎn)生的引力塌縮也是家常便飯，這會(huì)形成可達(dá)幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞的尺寸可以參照海王星公轉(zhuǎn)軌道。巨大的黑洞會(huì)制造巨大的引力旋渦，周邊被其引力控制而進(jìn)入旋轉(zhuǎn)軌道將被吸入其中的氣體甚至來(lái)不及被吸入其中~形成巨大的星際尺寸的吸積盤。巨量的氣體彼此摩擦形成超熱物質(zhì)向外輻射海量能量，并噴射海量的等離子物質(zhì)，所造成的亮度達(dá)到太陽(yáng)的幾十億倍。起初由于超大亮度其被稱為類星體，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它即星系之核。 類星體是星系之核。在引力作用下，一團(tuán)巨大的氣體云會(huì)形成幾十萬(wàn)顆恒星。松散的恒星密度被稱為星協(xié)，密集的恒星密度被稱為星團(tuán)。星團(tuán)內(nèi)部所有恒星圍繞星團(tuán)中心（星系之核）公轉(zhuǎn)。它們之間的引力會(huì)發(fā)生共同作用，在力學(xué)平衡后所有的恒星都位于不會(huì)被星核黑洞摧毀的安全軌道之上。從而形成旋渦星系。 在恒星的演化邏輯下，旋渦星系的系統(tǒng)內(nèi)部不斷地孕育一代又一代的恒星。按照恒星的演化邏輯下，每一代恒星的重元素含量都將高于上一代。這些重元素會(huì)在大質(zhì)量恒星衰亡時(shí)被拋射形成游蕩的殘骸，或者重新聚集再次點(diǎn)燃聚變反應(yīng)，或者被周邊其他恒星的引力系統(tǒng)捕獲，在新的軌道上互相碰撞凝聚成大小不一的固態(tài)行星。續(xù)寫(xiě)新的篇章。
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