金属玻璃中类声子属性研究进展
宇宙如何使我们的生存成为可能?
你能想象在黑洞中坠落是什么样子
万物都会消亡,那时间本身会停止
科学家研究人的极限寿命有多长

宇宙如何使我们的生存成为可能?

2020-07-27 14:15 主页 来源:未知
宇宙如何使我们的生存成为可能?


仅通过观察我们自己的身体,我们就可以了解很多有关宇宙历史的知识。一个成年人就是一个非常复杂的系统,它由数万亿个细胞组成,大约有10^28个原子:原子是地球上所有物质的构建基块。关于人类造物的科学故事,不仅使我们了解了地球生命的进化和历史,而且也使我们了解了整个宇宙。

宇宙如何使我们的生存成为可能?

 

使我们得以存在的不仅仅是数十亿年的生命存活、繁荣昌盛、充满了地球上每一个可能的生态位,而是一个完整的宇宙,从上一代的恒星到古代星系的合并,再到大爆炸本身,甚至暗物质在使人类能够在宇宙中生存方面扮演着极其重要的角色。人类在地球上诞生化了138亿年

它不只是数十亿年的生命生存,繁荣,并填补了每一个生态利基可能在我们的星球上,使我们存在,但整个宇宙。我们是如何成为什么样的故事需要各种各样的宇宙前辈,从前几代恒星到古代星系的合并,到大爆炸本身。即使是暗物质,在使人类能够生存在这个宇宙中也起着极其重要的作用。人类花了138亿年的时间才诞生于地球上,我们终于重新构造了关于如何到达这里的宇宙故事。

宇宙如何使我们的生存成为可能?

 

图注:人体组成,按原子序数和质量计。 0.1毫克或更高的水平代表人体中有56种元素,其中大多数具有已知的生物学功能。

在一个非常基本的层面上,我们可以简单地通过观察构成人体的微小成分(原子)来了解人类。 氧气是人体中最丰富的元素,其次是碳、氢、氮和钙。总而言之,元素周期表中至少有56种不同的元素构成典型人类的至少0.1毫克,而轻元素和重元素在人体的生物活动中均起着重要作用。

在过去20万年左右的时间里,人类已经在地球上行走,每一代现代人类都源于前一代。每个生物都是这样工作的:它是从其父代有机体(或从多个父本)衍生而来的,遗传物质(加上发生的任何突变)是从父代传给孩子的。在地球上超过40亿年的不间断的生命线中,这是当今存在的每种生物的来源。

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图注:被称为虹吸虫的一类令人着迷的有机体本身就是一个小型动物的集合,它们共同作用于形成一个更大的殖民生物。这些生命形式跨越多细胞有机体和殖民生物之间的边界,可能代表多细胞生命形式发展的中间进化阶段。

但是,曾经存在的所有各种形式的生命,都依赖于人类所拥有的相同成分:相同的原子和相同的元素。它们都需要一个稳定的家园,在那里它们可以组装成可以自我繁殖和维持数十亿年的生命形式:像地球这样的岩石行星,围绕着相对稳定的恒星,例如我们的太阳。无法保证像人类这样的事物的进化是不可避免的,但是对于宇宙中每个与地球条件相似的星球,我们必须认识到这是可能的。

那么问题是,在宇宙中如何发生一颗类似太阳的恒星,围绕类似太阳的恒星生长,并具有生命所需的正确原料呢?您不能只说“宇宙是通过这种方式创造的”,因为这不是科学的工作原理。在科学中,如果您想知道有关宇宙的问题的答案,则必须询问宇宙本身。我们这样做的方式是通过提出假设,进行实验,进行观察并得出结论。

幸运的是,该方法在提供我们寻求的答案方面非常成功。

宇宙如何使我们的生存成为可能?

 

图注:以我们的太阳系衡量,当今宇宙中元素的丰度。宇宙中排名前10位的元素依次是氢、氦、氧、碳、氮、氖、镁、硅、铁和硫。

我们需要的第一个成分是生命所需的元素:组成周期表的各种原子。当我们详细查看地球和太阳系中的其他物体(包括掉落到地球上的陨石)时,我们可以确定哪些元素以哪种比例存在,其中包括生命所需的所有元素。

然后研究宇宙,包括:

  • 大质量的恒星
  • 超新星事件,
  • 太阳般的小恒星,
  • 像白矮星和中子星这样的恒星残留物,
  • 宇宙射线,
  • 甚至是大爆炸本身

我们可以确定每个元素的大部分来自何处。 因此,为了使人类能够生存的宇宙,我们可以得出结论。

宇宙如何使我们的生存成为可能?

 

图注:上面的这张图详细描述了元素周期表的元素及其来源。 锂来自三种来源的混合物,但事实证明,一个特定的通道(经典新星)实际上可能负责那里的所有锂(〜80%+)。

也许令人惊讶,答案是所有这些。只是,您无法立即获得它们。

如果我们的宇宙始于炽热的大爆炸,那么产生的唯一元素就是氢、氦和一小撮锂(元素3)。没有其他的。 原因很简单,但有局限性:在最早、最热的阶段,您拥有大量高能的质子和中子,但是您还有足够的光子或光粒子,以至于任何时候质子和中子结合在一起,光就进入了 并将它们分开。

只有宇宙膨胀并充分冷却后,质子和中子才能结合在一起形成较重的元素,这需要时间。但是到那时,物质的密度和能量已经大大降低,以至于排斥两个氦原子的电力是如此之强,粒子无法克服它。我们可以在“大爆炸”中制作最轻的元素,但不能制作更重的元素。对于这些,我们必须等待很长的时间:要形成恒星。

宇宙如何使我们的生存成为可能?

 

宇宙需要足够甚至数亿年的时间才能冷却下来,万有引力将足够多的物质吸引到各个位置,从而首次触发恒星的形成。为此,宇宙需要:

  1. 天生就有微小的瑕疵,有些地区的物质比其他地方多,
  2. 足够冷却,以便可以从电离的原子核和自由电子中形成稳定的原子,
  3. 将足够多的物质吸引到一个地方,以便气体云可以坍塌形成恒星,
  4. 并使坍缩的物质散发出足够的能量,以使核聚变可以开始在恒星的核中发生。

第一部分是宇宙通货膨胀的主要证据之一。第二部分是我们看到的宇宙微波背景的来源;第三是需要花费所有时间(数千万至数亿年)的事情;但是第四是挑战。

为什么?

因为通常,气体冷却形成恒星的方式涉及通过气体中的重元素辐射出能量。如果没有这些冷却剂,唯一的冷却方法是通过氢气辐射,效率极低。结果,宇宙中最早的恒星被天文学家称为第三星族星,与我们今天形成的恒星有很大不同。

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平均而言,每当新星形成时,宇宙就会形成一些大的、重的、块状的蓝色恒星,但平均新星很小:大约占太阳质量的40%。但是,由于缺少重元素,因此,第三星族星的平均恒星应该是太阳质量的10倍,这意味着它们都寿命很短,并且可能在超新星爆炸中死亡。

从某种意义上讲,这非常不错,因为超新星不仅会产生大量的重元素,而且还会导致中子星的形成,然后中子星可以自身融合在一起以产生所有重元素:碘,金等元素,铂和钨。这些第一批恒星很重要,它们制造超新星的事实也很重要。

但这也带来了挑战,因为这些早期的恒星团中只有一点点物质,而超新星则以令人难以置信的猛烈速度将物质排出。如果您进行数学运算并加起来“形成第一颗恒星需要多少材料”,然后将其与“超新星弹出材料的速度有多快”相比较,就会遇到难题。

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图注:同一超新星显示在两个面板中:同样的超新星在两个面板中显示:从1985年左,右从2007/8年,大约22年后。后一个图像不只是更高的分辨率,但提供信息,告诉我们超新星物质从中心区域弹出的速度。如果这个空间区域没有足够的引力,弹射物质将完全离开银河系。

所发射的物质太快,无法满足现有的质量要求,这意味着这些重元素应压倒性地喷射到星际介质中。

那很糟!我们需要依靠这种物质,以便它可以参与子孙后代的形成。我们需要它来帮助形成:

  • 后代的恒星,所以我们可以获得低质量的恒星,
  • 岩石行星,这样我们就可以拥有一个像地球这样的地球世界,而不是仅以气体为主的行星,
  • 和生命,因为我们需要这些重元素能够实现的化学反应。

仅宇宙中基于原子的正常物质不足以做到这一点。存在的所有气体、灰尘和黑洞根本无法为我们提供足够的引力来挂在这种材料上。在仅由原子构成的宇宙中,我们所看到的更庞大的结构(如我们居住的结构,银河系)将是不可能的。为了形成它们,我们需要额外的成分:暗物质。

宇宙如何使我们的生存成为可能?

 

在暗物质的作用下,这些早期的恒星团和原星系可能具有足够的引力,可以挂在超新星和其他大灾变所喷射的物质上,同时又吸引了越来越多的物质。随着时间的流逝,会形成足够多的重元素,从而开始形成更多演化的恒星,其中大部分是重元素。这些恒星质量较低,不仅有助于产生我们周期表中的许多元素,而且还有助于白矮星的融合和爆炸,导致形成碳,氮和钙等原子:这是人体的重要元素。

最终,经过数十亿年之后,像银河系这样的单个星系将富含这些重元素,以至于当新恒星形成时,它们也能够在它们周围形成岩石状的类地行星。人们认为,在大爆炸之后大约92亿年,我们银河系中一个恒星形成区域创造了各种各样的恒星,其中一颗恒星将长成我们的太阳。它的原行星盘最终将形成四个内部岩石行星,以及一个由外部气体巨行星组成的系统。从太阳到地球的第三颗行星最终将形成生命并导致人类崛起。

宇宙如何使我们的生存成为可能?

 

这些都不是预定的结论。如果我们将时钟倒回太阳系的最初形成并再次向前移动十亿次,那么人类即使出现一次也不大可能出现。但是,如果我们将时间回溯到热闹的大爆炸的早期,那么一个充满恒星、星系、岩石行星、类太阳恒星以及万亿万亿生命机会的宇宙将是不可避免的。

原因很简单:宇宙的规律和原始成分总是相同的。具有正常物质的宇宙将产生光元素。具有密度缺陷的宇宙将产生第一代恒星;具有暗物质的宇宙将悬挂在喷射出的物质上,并形成具有重元素的恒星;具有第二代恒星的宇宙将形成岩石行星和类似太阳的恒星;拥有岩石状地球行星的宇宙将使生命存在,生存和繁荣发展数十亿年。其余的一切都取决于机会,但这就是使我们存在的可能。我们所有人都应该好好珍惜它。