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宇宙大爆炸理論的五個事實

宇宙大爆炸理論的五個事實

喬治•勒梅特:「任何宇宙演化理論的目的,都是試圖尋找儘可能簡潔的宇宙誕生時的初始條件。當我們將已知的相互作用力置於這些初始條件之上時,世界上一切複雜現象就可以統統冒出來。」

每當牽涉到宇宙的話題時,我們的第一反應總是覺得好神奇,但又覺得離我們好遙遠。其實,我們跟宇宙之間有著千絲萬縷的聯繫,只是你沒注意到而已。我簡單舉兩個例子:

  • 我們的身體是由原子組成的,而許多原子,比如你骨頭中的鈣和血液中的鐵,它們都是在數十億年前爆炸恆星的中心孕育出來的。如果沒有恆星的迭代更換,就不會有構築生命的必要元素。

  • 當電視沒有節目的時候, 我們會看到滿屏的「雪花」,同時聽到噝噝噝的聲音,這其中有一小部分比例是來自宇宙大爆炸的餘暉——微波背景輻射,也就是說你「看到」和「聽到」了宇宙大爆炸的證據。

在20世紀早期,哈勃和赫馬森發現了其它的星系正在遠離銀河系。之後更多的證據指出每個星系都在相互遠離,意味著整個宇宙都是在膨脹的。如果是這樣,那麼在過去,宇宙應該更小、更熱以及更緻密。這個簡單的描述也就是宇宙大爆炸模型,在過去的幾十年內該理論與天文觀測都相當符合,於是在眾多宇宙模型中脫穎而出,被科學家接受。那麼「大爆炸」到底都在講些什麼?

1. 第一個用科學解釋宇宙起源的科學家之一是一位天主教神父

1923年,喬治•勒梅特被任命為天主教牧師。除了擁有宗教信仰,他還專註於科學。1923年10月到1924年7月,勒梅特在劍橋做愛丁頓的研究所。梅勒特在劍橋交流的時間把精力投入到了學習廣義相對論中。1927年,關於愛因斯坦理論預言的簡單宇宙,勒梅特做出了最透徹的研究工作。當時他發表了一篇重要的論文,第一次把愛因斯坦方程組的膨脹宇宙解及其物理解釋,同遙遠星光由於多普勒效應而產生紅移的計算結合了起來。1933年4月勒梅特在卡皮查俱樂部作了一次演講,題目為「起源的假設」,他的宇宙觀點是,宇宙是在一次「大爆炸」中,由爆炸的放射性超級原子演變而來的。

也有人認為勒梅特被自己的宗教觀念左右,所以才偏好有開端的宇宙。但實際上並不是,勒梅特把科學和宗教分得很清楚,將它們看做不相關也不矛盾的事情。

他個人更喜歡用「宇宙蛋」和「太古原子」來比喻宇宙的起源,但是從來沒有流行開來,這很糟,因為.......

2. 似乎沒有人喜歡「大爆炸」這個名字

1948年以後,對大爆炸模型的關注才逐漸多了起來。「大爆炸」這個名字其實是另一個天文學家霍伊爾1949年一次做客BBC講宇宙學提出的,他是大爆炸理論的反對者。

他提出這個名字瞬間就引起了注意,並一直沿用到了現在。

(註:1948年,霍伊爾、邦迪和戈爾德提出了恆穩態宇宙模型,他們認為宇宙是亘古不變的。從大體上看都是一樣的,局部上可以存在一些小變化,不斷有恆星和行星在形成。然而宇宙所有的總體性質平均而言,在任何時刻都是不變的。)

3. 大爆炸是在各處同時發生的

宇宙並沒有中心,也沒有邊緣,它的每一個部分都在膨脹。這意味著,如果我們把時間往回撥,我們就可以知道萬物是在什麼時候開始誕生的,那就是138億年以前。但是,當我們知道宇宙有一個開始的時候,我們很難不去想象它是從某個特殊的點開始的。而結論卻是反直覺的:宇宙並不是從一個點開始的,而是在各處同時發生的。

4. 大爆炸理論或許不能描述萬物真正的開始

「大爆炸」理論通常指的是宇宙的膨脹以及早期熾熱的宇宙。但是,有時候科學家甚至用它來描述當萬物都被集中在一個點的那個時刻,那一刻被稱為初始奇點。問題是我們並沒有觀測或理論來描述初始奇點。初始奇點是我們所觀測的宇宙的開端,但或許在這之前還有別的事情發生。

但是困難在於,在奇點后,宇宙急速的膨脹(稱為暴漲時期)以及在早期非常熾熱的狀態下磨滅了在大爆炸之前有可能發生的所有歷史。物理學家還在努力的思考新的方法來尋找來自早期宇宙的信號,儘管目前沒有找到任何跡象但我們還不能夠排除這樣的可能性。

5. 大爆炸理論解釋了宇宙中的所有氫和氦是怎麼誕生的

1948年,伽莫夫證明宇宙的膨脹進行了大約100秒時,質子和種子就開始相互結合形成氘核。之後阿爾珀和赫爾曼發展了該想法,並計算了宇宙的溫度和密度隨時間變化的規律。他們證明,如果宇宙膨脹的過程是各項同性而均勻的,那麼從起初的熾熱狀態開始,用物質密度除以輻射溫度的立方,得到的比始終是個常數。通過計算,他們推導出如今的宇宙應該存在高溫輻射遺留下的痕迹,溫度為5開爾文左右。這是歷史上最重要的科學預言之一。

1965年,彭齊亞斯和威爾遜,兩個頂級無線電工程師,發現了來自宇宙大爆炸的輻射痕迹——微波背景輻射。正是宇宙微波背景輻射的發現,使大爆炸理論成為了描述宇宙最好的理論,也為霍伊爾提出的恆穩態宇宙理論敲響了喪鐘。

有趣的是,在熱大爆炸宇宙學中,霍伊爾也扮演了關鍵角色。利用核物理學方面的專業知識,霍伊爾比上述三位科學家走的更遠。他預言了宇宙中最輕的幾個化學元素的丰度,這些元素應該在大爆炸后的最初幾分鐘內被製造出來。霍伊爾預言了不同的大爆炸宇宙模型中,輕元素的完整丰度分布圖(而諸如氧、鐵等重元素都是在恆星和超新星爆發中形成的)。

1953年,林忠四郎的一個關鍵小發現,為霍伊爾的預言填補了缺失的一環:當宇宙的年齡大約是一百秒時,溫度降低到十億度,核反應過程突然啟動了。這個時候的中子數和質子數的比為1:7。絕大部分中子最終的歸宿是形成氦-4原子核。最後,宇宙之中的物質組成是23%為氦-4,氫為77%,其餘的為氘、氦-3和鋰-7。今天,觀測完美地證實了理論預言。

大爆炸理論是現代宇宙學的基石,但是這並不是全部的故事。科學家不斷地在提出各種不同的模型來解釋越來越多的無法理解的天文現象。例如,大爆炸理論並沒有解釋暗物質和暗能量,而這兩者卻佔據了宇宙總能量和質量的~95%。

我們對宇宙的觀點,跟宇宙自身一樣,隨著越來越多的新發現也在不斷地演化。文轉自原理(圖片來源: Sandbox Studio)

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