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临界宇宙

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临界宇宙是指一种宇宙存在的型态,其密度参数 = 1。定义一个宇宙开始扩张的临界速率,若在宇宙扩张之初,物质的运动速率大于临界速率,则物质间的重力将无法阻止宇宙扩张的倾向,反之,有一天,宇宙会停止扩张并开始收缩。最后,所有的物质收缩到一个没有体积的点上,也就是大霹雳初始状态的奇异点。若宇宙扩张的初始速率刚好等于临界速率,则宇宙会保持不断扩张的最小初始速率,也就是临界宇宙。

宇宙类型

科学家们将宇宙的类型大致粗分为三种,开放型的宇宙、临界型的宇宙、封闭型的宇宙。开放型的宇宙,会不断的扩张,其宇宙扩张速率远大于临界速率,而导致不会有星体的生成;封闭型的宇宙,因为宇宙的扩张速率小于临界速率,故扩张到一定程度之后就会开始收缩,也不会导致星体的生成;临界型的宇宙,扩张速率和界速率差不多,但宇宙会保持慢慢的继续扩张下去,并会在过程中让星体产生。

临界速率

根据大霹雳理论,人类存在的宇宙从大霹雳之后就开始膨胀。 将一物体往上抛,因为地球的万有引力,物体最后会掉落在地面,若物理以秒速11公里往上运动,物体将不会被地球的万有引力拉回来。这速率就是发射火箭的临界速率,太空科学家称之为地球的脱离速率

临界宇宙的成因

类似的理论适用于任何正在向外膨胀、并且受到重力影响而不断减速的物质系统。如果系统向外运动的动能超过了向内拉的重力所产生的能量,这个系统的速率就会超过脱离速率,因而将会永远不同的膨胀。但是,如果系统相互之间的重力吸引过强的话,那么这个系统终将停止膨胀,然后开始向内收缩,最终会聚集在一起。

将此类似的理论用在现在假设的宇宙,重力产生向内拉的力,宇宙膨胀是向外的力。若重力的拉力和向外膨胀的力大小极为相似(重力略小),则会造就临界宇宙。

现在的宇宙类型

现在的宇宙扩张方式和临界宇宙极为接近。由于这两者太接近,科学家不敢断定宇宙到底属于那一种类型,也不能断言人类所处宇宙的最终命运。宇宙学家将这个巧合,视为这个宇宙的一项特殊性质。若宇宙刚开始时的初始速率不等于临界速率,那么随着宇宙的不断扩张与老化,就一定会与临界宇宙的差距越来越大。现今宇宙已经持续扩张了约一百三十七亿年,仍和临界宇宙相当接近,以致到目前为止,仍无法确定它的属性。根据计算,与临界宇宙相差不超过

星体的形成和宇宙类型的关系

如果宇宙扩张的初始速率远大于临界速率,那么重力就永远无法聚集邻近的物质而凝聚成星系和星体。

在宇宙的演化过程中,恒星的形成是一个关键步骤,恒星是由大量的物质凝聚而成的,而在凝聚的过程中,恒星中心会产生足以引发物质进行自发核反应的高压。这些在恒星内部进行的核反应,会使氢原子核渐渐燃烧变成氦原子核,这个过程跨越了恒星生命史中极长的一段时期(我们的太阳目前正在进行这个过程)。但是当恒星步入生命的末期,它将会遭遇到严重的核能危机,因而进入一个急速变化的核爆时期,此时原子迅速燃烧变成等等生化反应不可或缺的元素。最后当恒星爆炸变成了超新星时,这些元素都会被抛散在太空中,经过长远时间后化作行星或人类的一部分。构成宇宙的复杂度以及生命的各种元素,全都源自恒星的演化;人体内每一个碳原子的原子核,也都产生于恒星之中。

因此如果宇宙扩张的速率比临界宇宙快的话,绝不会有恒星出现,因此也就不可能形成建构生命的基件,不论是复杂的碳基人类或是硅基电脑。而那些扩张速率太小的宇宙,早在恒星能够形成、爆炸、制造生命基件之前,整个宇宙就已经开始收缩。因此在那种宇宙中,也绝对不可能演化成生命。

生命只能存在临界宇宙

从以上可以发现一件事:只有持续扩张了至少几十亿年,却仍与临界宇宙非常接近的宇宙,才有可能从中产生足够的基件,进而组成复杂结构,形成如人类等高复杂度的生命体。