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2013 年 2 月 11 日

太陽系的前世今生 (42):太初核融合 ─ 大霹靂之後 3 分鐘 ~ 20 分鐘  

提供者 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 :神看光是好的,就把光暗分開了。」這是基督教聖經創世記起頭的第四句經文,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) ,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)。 今天繼續介紹從大霹靂之後的 3 分鐘開始持續到 20 分鐘之間進行 太初核融合 (Big Bang nucleosynthesis) 核過程。   
   

            太初核合成Big Bang nucleosynthesisBBN)是指宇宙在早期階段於 17 分鐘的短暫時間內 ,宇宙普遍充斥著融合單一個質子 1H 成為氫同位素 (isotope) 氘與氚 (2H3H)、氦的同位素 (3He 4He) 、鋰同位素(6Li7Li)、鈹同位素(7Be8Be )等原子序最低原子量原子的一個物理宇宙學概念。太初核合成雖然開啟了往後較大原子序原子的核融合 (nuclear fusion) 步驟, 但是太初核合成之後,宇宙的溫度和密度降至核融合所需要條件,因此也使得原子量比鈹重的原子核無法大量地瞬間生成 。依據宇宙早期的溫度和密度相關參數可計算出上述 元素的豐度 (elemental abundances),結果以質量表示的豐度: 1H 75%2H 0.01% 4He 25%、以及總量僅可供辨識的微量鋰,並無其他的重元素。宇宙被觀測到的元素豐度與理論數值的一致性,被認為是大霹靂理論最有力的證據。

明日主題 : 太陽系的前世今生 (43):物質主導時期
天文史上的今天 : 1993 年 2 月 11 日,美國生物化學家、基因遺傳學家 羅伯特•W•霍利 (Dr Robert W. Holley,1922.1.28.-1993.2.11.)逝世。他因闡明了連結丙氨酸與 DNA 的 tRNA 關聯解出遺傳密碼,而與馬歇爾•沃倫•尼倫伯格 (Marshall Warren Nirenberg,1927.4.10. - 2010.1.15.) 和哈爾•葛賓•科拉納 (Har Gobind Khorana,1922.1.9.-2011.11.9.) 共同榮獲得 1968 年諾貝爾生理學或醫學獎。  
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                        蘇明俊 (樹德科技大學  休閒事業管理系)

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