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臨界宇宙

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臨界宇宙是指一種宇宙存在的型態,其密度參數 = 1。定義一個宇宙開始擴張的臨界速率,若在宇宙擴張之初,物質的運動速率大於臨界速率,則物質間的重力將無法阻止宇宙擴張的傾向,反之,有一天,宇宙會停止擴張並開始收縮。最後,所有的物質收縮到一個沒有體積的點上,也就是大霹靂初始狀態的奇異點。若宇宙擴張的初始速率剛好等於臨界速率,則宇宙會保持不斷擴張的最小初始速率,也就是臨界宇宙。

宇宙類型

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科學家們將宇宙的類型大致粗分為三種,開放型的宇宙、臨界型的宇宙、封閉型的宇宙。開放型的宇宙,會不斷的擴張,其宇宙擴張速率遠大於臨界速率,而導致不會有星體的生成;封閉型的宇宙,因為宇宙的擴張速率小於臨界速率,故擴張到一定程度之後就會開始收縮,也不會導致星體的生成;臨界型的宇宙,擴張速率和界速率差不多,但宇宙會保持慢慢的繼續擴張下去,並會在過程中讓星體產生。

臨界速率

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根據大霹靂理論,人類存在的宇宙從大霹靂之後就開始膨脹。 將一物體往上拋,因為地球的萬有引力,物體最後會掉落在地面,若物理以秒速11公里往上運動,物體將不會被地球的萬有引力拉回來。這速率就是發射火箭的臨界速率,太空科學家稱之為地球的脫離速率

臨界宇宙的成因

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類似的理論適用於任何正在向外膨脹、並且受到重力影響而不斷減速的物質系統。如果系統向外運動的動能超過了向內拉的重力所產生的能量,這個系統的速率就會超過脫離速率,因而將會永遠不同的膨脹。但是,如果系統相互之間的重力吸引過強的話,那麼這個系統終將停止膨脹,然後開始向內收縮,最終會聚集在一起。

將此類似的理論用在現在假設的宇宙,重力產生向內拉的力,宇宙膨脹是向外的力。若重力的拉力和向外膨脹的力大小極為相似(重力略小),則會造就臨界宇宙。

現在的宇宙類型

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現在的宇宙擴張方式和臨界宇宙極為接近。由於這兩者太接近,科學家不敢斷定宇宙到底屬於那一種類型,也不能斷言人類所處宇宙的最終命運。宇宙學家將這個巧合,視為這個宇宙的一項特殊性質。若宇宙剛開始時的初始速率不等於臨界速率,那麼隨著宇宙的不斷擴張與老化,就一定會與臨界宇宙的差距越來越大。現今宇宙已經持續擴張了約一百三十七億年,仍和臨界宇宙相當接近,以致到目前為止,仍無法確定它的屬性。根據計算,與臨界宇宙相差不超過

星體的形成和宇宙類型的關係

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如果宇宙擴張的初始速率遠大於臨界速率,那麼重力就永遠無法聚集鄰近的物質而凝聚成星系和星體。

在宇宙的演化過程中,恆星的形成是一個關鍵步驟,恆星是由大量的物質凝聚而成的,而在凝聚的過程中,恆星中心會產生足以引發物質進行自發核反應的高壓。這些在恆星內部進行的核反應,會使氫原子核漸漸燃燒變成氦原子核,這個過程跨越了恆星生命史中極長的一段時期(我們的太陽目前正在進行這個過程)。但是當恆星步入生命的末期,它將會遭遇到嚴重的核能危機,因而進入一個急速變化的核爆時期,此時原子迅速燃燒變成等等生化反應不可或缺的元素。最後當恆星爆炸變成了超新星時,這些元素都會被拋散在太空中,經過長遠時間後化作行星或人類的一部分。構成宇宙的複雜度以及生命的各種元素,全都源自恆星的演化;人體內每一個碳原子的原子核,也都產生於恆星之中。

因此如果宇宙擴張的速率比臨界宇宙快的話,絕不會有恆星出現,因此也就不可能形成建構生命的基件,不論是複雜的碳基人類或是矽基電腦。而那些擴張速率太小的宇宙,早在恆星能夠形成、爆炸、製造生命基件之前,整個宇宙就已經開始收縮。因此在那種宇宙中,也絕對不可能演化成生命。

生命只能存在臨界宇宙

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從以上可以發現一件事:只有持續擴張了至少幾十億年,卻仍與臨界宇宙非常接近的宇宙,才有可能從中產生足夠的基件,進而組成複雜結構,形成如人類等高複雜度的生命體。