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從質量守恆到能量守恆,再到質能守恆,這是我們認識世界的一個縮影,但有一個問題,質能守恆是在二十世紀初期,那會都還沒發現裂變和聚變,甚至連衰變都還不清楚,我們是怎麼知道質能守恆的?
質能等價?
愛因斯坦是在1905年11月21日發表的《物體的慣性同它所含的能量有關嗎?》論文中提出質能等價方程的,但大家對這個質能守恆方程有個誤解,認為必須要了解裂變和聚變才能窺見質量與能量之間的秘密,而質能等價(守恆)則是完全是以光速不變和相對性的前提下,滿足洛侖茲變換後在狹義相對論中推導出來的其中一個推論。
通過狹義相對論的等效原理和洛侖茲變換推導出來的公式,認為質量和能量是完全等價的,一團質量就是一團能量,一團能量就是一團質量,或者我們可以用一體兩面來形容這個公式的定義的關係,當然這在當初並不知道原子核中等量跟這個有什麼關係,只是後來在1938年哈恩發現了核裂變的秘密,緊接着1939年漢斯·貝特分析了太陽內核的氫聚變成氦可能不同反應,當然聚變理論提出則更早一些,但曼哈頓工程實現原子彈以及泰勒後來實現了氫彈都證明E=MC^2公式的巨大成功。
物質的由來?
質能等價方程的意義並不只是停留在原子彈和氫彈這些人類能製造的極端能量武器上,也不是核裂變電站和解決未來能源的核聚變能源上,而是解決了一個宇宙物質的起源問題。
大爆炸理論的由來
從2000年前的古希臘哲學家到哥白尼,赫歇爾,以及現代哈勃等天文學家都在苦苦思索的一個問題,但在愛因斯坦的廣宜鄉對論提出以後,似乎一切的發展就開始揭開序幕:
1922年,蘇聯物理學家亞歷山大·弗裏德曼假設了一個特殊情況,即假設宇宙各處的物質都是均勻的,因此大幅簡化了廣義相對論的場方程,在空間曲率上給出了三種不同情況時宇宙的形狀的場方程描述方式
1927年時勒梅特在求解弗裏德曼方程時提出了宇宙正在膨脹的觀點,這個就是後來被稱作弗裏德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規,簡稱FRW度規。1929年,美國物理學家埃德温·哈勃通過將近十年的觀測發現,遙遠的星系正在快速離去,而速度與這些星系與地球的距離成正比,從觀測上證實宇宙正在膨脹。但哈勃拒絕推測宇宙的過去發生過什麼。
儘管哈勃並沒有繼續聯想,但這架不住天文學家浮想聯翩:既然現在這些天體正在快速離去,那麼表示它們在很遙遠的過去曾經距離很近。1964年美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜無意中發現宇宙微波背景輻射,則為宇宙誕生提供了一個事實層面上的證據
高能加速器的論證更是在實驗物理中支持了宇宙的過去曾經可能處在一個温度極高的狀態下,現代宇宙則從中膨脹而來。對宇宙中氫元素丰度的觀測中得到的數據,也指向了膨脹的最初幾分鐘內誕生的元素理論模型非常接近。物質是怎麼誕生的?
大爆炸理論的萌芽到成熟,大概用了半個來世紀,但宇宙誕生物質只要三分鐘,這效率實在是高,但我們卻不能複製,僅供圍觀。
普朗克時期:從大爆炸開始至10^-43秒大一統時期:從大爆炸之後10^-43秒至10^-36秒電弱時期:大爆炸結束之後,10^-36秒(或暴脹結束)至10^-32秒暴脹時期:從未知的時間至大爆炸之後10^32重子生成超對稱破缺(理論推測)電弱對稱破缺和夸克時期:在大爆炸之後10^12秒和10^6秒g強子時期:在大爆炸之後10^-6秒至1秒輕子時期:在大爆炸之後1秒至10秒鐘光子時期:在大爆炸之後10秒鐘至380000年原初核聚變:大爆炸之後3分鐘至20分鐘物質主導:至大爆炸後70000年複合:大約在大爆炸之後377000年當然這個過程太複雜,我們還是説的白話一點吧:
忽略-忽略-忽略,之前雲裏霧裏都不用説了,從誕生夸克開始,大家都知道物質分到了夸克就分不下去了哈:
當宇宙温度下降到夸克相變温度,夸克與膠子誕生宇宙誕生10^-6S時,夸克和膠子集合形成重子宇宙誕生三分鐘時,重子或者重子結合形成請原子核與少量氦原子核以及微量鋰原子核等
當宇宙誕生38萬年時温度下降到離子和自由電子互相結合,原子誕生,至此物質的最基本之路就完成了,剩下的就是經過黑暗時代後的誕生的恆星的天下了,除了這三種元素以外,都是有恆星的不同發展階段形成的,包括各位身上的將近60種元素,有的是大爆炸產生的,比如氫,其他都來自恆星。
準確的説,宇宙從最早那會開始就包含了所有物質,包括我們搞不清楚的暗能量和暗物質,只不過那是物質的另一種形態而已,所以我們根本就不用糾結宇宙中的物質來自於哪裏,因為宇宙早就已經準備好了。