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2013 年 2 月 10 日

太陽系的前世今生 (41): 光子時期 ─ 大霹靂之後 10 秒 ~ 38 萬年

提供者 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 :神說,要有光,就有了光。」這是基督教聖經創世記起頭的第三句經文,到底含有甚麼樣的意涵呢? 我們不妨從建立在專門論述時空結構的「愛因斯坦的廣義相對論」 (General Relativity) 數學方程、以及在大尺度觀測下宇宙該呈現均質且各向同性 (homogeneity and isotropy) 「宇宙學原理」 (The Cosmological Principle) 哲理規範兩個基本假設通則的 大霹靂 (Big Bang) 學說說起。 在前幾天我們介紹大霹靂造就了時間 (time) 、空間 (space) 的起源 ,在大霹靂發生至 10-43 秒之間存有極高溫狀態的普朗克時期 (Planck epoch),從 10-43 秒開始持續到 10-36 秒之間的大一統時期 (Grand unification epoch),從大霹靂之後的 10-36開始持續到 10-33 之間能夠使 基礎粒子 獲得 質量  (mass) 的希格斯機制Higgs mechanism)促使宇宙的最早期階段由基本粒子 輕子、夸克、介子、重子等粒子與反粒子和輻射充斥整個時空, 呈現出宇宙初期的渾沌膨脹 (chaotic inflation) 狀態,在大霹靂之後的 10-36開始持續到 10-12 之間伴隨著這些基本粒子產生的 電弱交互作用力主導的時期 (Electroweak epoch), 從大霹靂之後的 10-12開始持續到 10-6 之間的 夸克時期 (Quark epoch), 從大霹靂之後的 10-6開始持續到 1 秒之間的 強子時期 (Hadron epoch),從大霹靂之後的 1 秒開始持續到 10 秒之間的 輕子時期 (lepton epoch) 。今天繼續介紹從大霹靂之後的 10 秒開始持續到 38 萬年之間的 光子時期 (photon epoch)。   

            在 輕子時期 (lepton epoch) 的末期, 宇宙的溫度冷卻到輕子/反輕子對不再能創造出來,並且多數的輕子和反輕子在湮滅反應 (annihilation reactions)中被消滅掉,只留下少量殘餘的輕子。宇宙的物質由 光子 (photons) 主導,開始進入光子時期。光子是 電磁波 (Electromagnetic wave) 的形式,所 謂的光子時期就是 電磁力主導的時期。 在光子時期的初期幾分鐘經由太初核融合 (nucleosynthesis) 的程序產生原子核 (nuclei),在光子時期的期間內,宇宙充斥著包含了由原子核電子 (electrons) 和光子組成熱且濃密的電漿 (hot dense plasma),如上圖所示。大約在大霹靂之後的 38 萬年,宇宙的溫度下降至原子核可以和電子結合在一起 形成中性的原子。這樣的結果使得光子不再和物質頻繁的交互作用,宇宙開始變得透明 (transparent) 而宇宙放晴了,同時產生現今觀察到的宇宙微波背景輻射 (cosmic microwave background radiation)。

明日主題 : 太陽系的前世今生 (42):太初核融合
天文史上的今天 : 1768 年 2 月 10 日,蘇格蘭數學家、物理學家、天文學家、發明家、作家大衛•布儒斯特(David Brewster,1781.12.11.-1868.2.10.)逝世。他於 1816 年發明萬花筒著名。  
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                        蘇明俊 (樹德科技大學  休閒事業管理系)

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