爭(zhēng)論中的“大爆炸”:宇宙是如何開(kāi)始的

2019/6/19 8:56:44 來(lái)源:新浪科技 作者:- 責(zé)編:遠(yuǎn)洋

北京時(shí)間6月19日消息,據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,“大爆炸”一詞對(duì)不同的人有不同的含義,最普遍的含義是,它描述了可觀測(cè)宇宙從致密、熾熱的原始狀態(tài)變得稀薄、不斷冷卻的過(guò)程,根據(jù)這一描述,宇宙正在不斷擴(kuò)張,而這一理論就像生物學(xué)界的“適者生存”學(xué)說(shuō)一樣,很少有人質(zhì)疑。

大爆炸理論還代表著宇宙學(xué)家根據(jù)如今觀察到的蛛絲馬跡、還原宇宙140億年歷史的最佳嘗試,說(shuō)得更具體些,大爆炸還可以指可觀測(cè)宇宙的誕生,即事物開(kāi)始變化、最終導(dǎo)致如今的一系列事件發(fā)生的那一瞬間。

關(guān)于那短短的一瞬間里究竟發(fā)生了什么,宇宙學(xué)家已經(jīng)爭(zhēng)論了數(shù)十年,且至今仍未有定論。

經(jīng)典大爆炸理論

在人類(lèi)歷史的大部分時(shí)間里,觀星者們都認(rèn)為宇宙是永恒、亙古不變的,而埃德溫·哈勃在上世紀(jì)20年代進(jìn)行的觀測(cè)引起了軒然大波:他的觀測(cè)顯示,銀河系之外不僅存在其它星系,且這些星系的光線(xiàn)呈拉伸狀,這一跡象說(shuō)明它們正在遠(yuǎn)離地球。

當(dāng)代比利時(shí)物理學(xué)家喬治·勒梅特將哈勃等人的觀測(cè)數(shù)據(jù)解讀為宇宙正在擴(kuò)張的證據(jù),而就在這不久之前,愛(ài)因斯坦剛剛發(fā)布了廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程,也提出了宇宙擴(kuò)張的可能性,勒梅特向前倒推,認(rèn)為各個(gè)星系如今雖彼此分離,但最開(kāi)始必定都聚集在他所謂的“原始原子”中。

勒梅特的理論就是現(xiàn)在所說(shuō)的“宇宙大爆炸”,而“大爆炸”一詞的首次公開(kāi)使用,其實(shí)出自該理論的批評(píng)者、英國(guó)天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾。

1949年3月28日,霍伊爾在為自己支持的理論辯論時(shí),首次創(chuàng)造了這個(gè)詞。他認(rèn)為宇宙是永恒的,會(huì)不斷創(chuàng)造出新物質(zhì)、以彌補(bǔ)宇宙擴(kuò)張?jiān)斐傻奈镔|(zhì)稀釋?zhuān)粢翣柗Q(chēng)“宇宙中的全部物質(zhì)均誕生于遙遠(yuǎn)過(guò)去某個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的一場(chǎng)大爆炸”的說(shuō)法并不合理。

“大爆炸這個(gè)詞很差勁!”

普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家保羅·施泰因哈特指出,用“大伸展“可能更為貼切。施泰因哈特認(rèn)為,“爆炸”這一意象容易導(dǎo)致混淆,它暗示著存在一個(gè)中心點(diǎn)、不斷向外擴(kuò)張的邊緣、以及小碎片在前、大石塊在后的飛散景象,但宇宙擴(kuò)張與這些描述大相徑庭,并不存在所謂的中心點(diǎn)和邊緣,并且大小星系散開(kāi)的速度并無(wú)區(qū)別(盡管在暗能量的影響下,遠(yuǎn)處星系的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)更快一些)。

不管名字起得是否貼切,大爆炸理論能夠很好地解釋我們的觀測(cè)結(jié)果,這一點(diǎn)暫無(wú)其它理論能夠比擬,因此被人們廣泛接受,例如,在宇宙剛剛誕生的三分鐘之內(nèi),光與質(zhì)子和中子等粒子之間達(dá)到的平衡使早期元素形成的速率,剛好與現(xiàn)在宇宙中氦和其它輕原子的數(shù)量相符。

當(dāng)時(shí)有一段短暫的窗口期,讓原子核得以形成,在此之后,宇宙就一直在擴(kuò)張,這些元素就無(wú)法相遇了;而在此之前,環(huán)境又過(guò)于熾熱。

在接下來(lái)的37.8萬(wàn)年中,宇宙中充滿(mǎn)了云霧狀的等離子體,直到宇宙進(jìn)一步冷卻之后,電子和質(zhì)子才形成了中性的氫原子,這團(tuán)“霧”才散去。這一過(guò)程中還釋放出了光線(xiàn),光線(xiàn)的波長(zhǎng)又進(jìn)一步延長(zhǎng)、變成微波,這是研究人員能夠直接研究的、已知的最早對(duì)象,它們被稱(chēng)作“宇宙微波背景輻射”,被許多研究人員視為宇宙大爆炸理論的最有力證據(jù)。

爆炸性的更新

但隨著宇宙學(xué)家不斷追根溯源、進(jìn)一步考察宇宙的早期歷史,故事的真相也逐漸浮出水面,廣義相對(duì)論方程指出,宇宙初始時(shí)是一個(gè)溫度無(wú)限高、密度無(wú)限大的小點(diǎn),即所謂的奇點(diǎn),但這一理論不僅在物理學(xué)上說(shuō)不通,也與光滑、平坦的宇宙微波背景不符。

奇點(diǎn)的超高溫和高密度的波動(dòng)會(huì)使宇宙各處性質(zhì)各異,但宇宙微波背景的變化幅度非常小,時(shí)空曲率看上去也非常平坦,說(shuō)明物質(zhì)與曲率在初始時(shí)達(dá)到了近乎完美的平衡狀態(tài),這在大多數(shù)宇宙學(xué)家看來(lái)都十分不可思議。

上世紀(jì)80年代,美國(guó)宇宙學(xué)家阿蘭·古斯對(duì)宇宙剛剛誕生時(shí)發(fā)生的事件提出了一套新構(gòu)想,認(rèn)為在剛開(kāi)始的一瞬間,宇宙的膨脹速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出如今的膨脹速度,而在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上,這個(gè)過(guò)程停止了,產(chǎn)生了大量致密而熾熱的粒子,取代了原先的奇點(diǎn)?!霸谖铱磥?lái),宇宙變熱的時(shí)候就是所謂的宇宙大爆炸?!?/p>

該理論名叫膨脹理論,如今有眾多理論模型在與之競(jìng)爭(zhēng),雖然沒(méi)人知道宇宙為何擴(kuò)張得如此迅速,但由于該理論能夠很好地解釋光滑平坦的宇宙微波背景(膨脹保留了較小的波動(dòng),抹平了較大的波動(dòng)),其支持者越來(lái)越多。

其它理論

而近期的研究使膨脹理論產(chǎn)生了一些波瀾。研究顯示,宇宙中部分區(qū)域(如我們的可觀測(cè)宇宙)的膨脹可能會(huì)停止,而其它區(qū)域的膨脹則可能持續(xù)下去,這就將宇宙割裂成了一系列相互獨(dú)立的區(qū)塊,各自擁有“一套能夠想象得到的宇宙性質(zhì)”。許多物理學(xué)家并不喜歡這種“多重宇宙”的構(gòu)想,因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)種無(wú)法測(cè)驗(yàn)真?zhèn)蔚耐茰y(cè)。

宇宙學(xué)家認(rèn)為,就像引起輕微的溫度和密度變化一樣,宇宙膨脹會(huì)在宇宙微波背景中產(chǎn)生貫穿星系的引力波,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)該已經(jīng)足夠敏感、能夠監(jiān)測(cè)到這一現(xiàn)象,但直至目前,我們?nèi)晕从^察到這種原始的時(shí)空漣漪。

許多研究人員還在等待更加精確的宇宙微波背景測(cè)量技術(shù),對(duì)目前的多種膨脹模型進(jìn)行證實(shí)或證偽,但其他物理學(xué)家并不認(rèn)為宇宙的“光滑”存在任何問(wèn)題,也許宇宙剛開(kāi)始時(shí)就是四處均等一致的,無(wú)需更多解釋。

雖然實(shí)驗(yàn)學(xué)家還在努力提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)的精確度,但一些理論學(xué)家已經(jīng)放棄了膨脹理論,試圖尋找其它能解釋宇宙為何如此“平坦”的理論,例如正在研究“大跳躍”模型,該模型認(rèn)為,宇宙的起始點(diǎn)比原先認(rèn)為的還要早,宇宙曾經(jīng)歷過(guò)一段時(shí)期的收縮,使時(shí)空變得平滑,為后來(lái)發(fā)生的爆炸性擴(kuò)張做好準(zhǔn)備。宇宙學(xué)家希望能發(fā)現(xiàn)一些新跡象,并借此提出新理論。

宇宙中還能找到其它可觀測(cè)的特征嗎?過(guò)幾年再來(lái)問(wèn)宇宙學(xué)家這個(gè)問(wèn)題,希望到時(shí)已經(jīng)有了答案。

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