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宇宙大爆炸是怎麼一回事?

2020-11-10  hercules0...

    熱大爆炸宇宙學

    “大爆炸”是中國大陸對“The Big Bang”的意譯,港台譯為“大霹靂”。有意思的是,“Big Bang”本來是它的反對者為了嘲笑它而取的名稱。1949年3月,穩恆態宇宙模型的提出者弗雷德·霍伊爾在BBC廣播節目“The Nature of Things”諷刺性的把對手的宇宙模型形象地稱作“Big Bang”,不料歪打正着,這個詞卻成了這個理論最深入人心的名稱。

    事情要從愛因斯坦的廣義相對論開始説起。1917年,愛因斯坦發表了論文《根據廣義相對論對宇宙學所做的考察》,根據他的廣義相對論計算的結果,宇宙不是靜態的,這和當時的主流認識不一致,因此愛因斯坦在方程中人為地加入一個“宇宙學常數”的參數進行修正。後來他稱這是他一生中犯的最大錯誤。

    為什麼?因為十幾年後天文觀測就發現,宇宙不是靜態的——1929年,天文學家埃德温·哈勃通過天文觀測發現兩個規律:1,遙遠的星系都在遠離地球;2,遠離的速度和它們到地球的距離成正比,這被稱作哈勃定律。

    勒梅特和愛因斯坦在一起

    哈勃定律揭示了一個事實:我們所處的宇宙正在膨脹。最早意識到這一點的是比利時天文學家勒梅特,他同時想到,既然宇宙在膨脹,那麼追溯既往,宇宙一定是從一個很小很小的“宇宙蛋”開始演化的。

    出生於俄國的科學家伽莫夫發展了勒梅特的思想,他和他的兩個學生阿爾菲、赫爾曼一起於1948年提出了一個宇宙模型。在這個宇宙模型裏,宇宙最初開始於一個物質、時間和空間都捲曲在一起的“奇(qǐ)點”,奇點處物質密度、温度和時空曲率都是無窮大的,隨後宇宙開始膨脹,温度逐漸下降,開始形成現在我們所能見到的星系等天體。這個模型和霍伊爾的宇宙模型嚴重對立,於是就發生了上文提到的事件。

    不過可別望文生義,以為宇宙是伴隨着一聲巨響而誕生的。這個宇宙模型並沒有這個意思,是對手強加給它的。

    那麼宇宙大爆炸模型究竟正確不正確?它到底是異想天開的猜想還是反映了客觀規律的理論?我們常講,實踐是檢驗真理的唯一標準,具體到天文學上,就是要看有沒有觀測證據支持它,或者根據它所作的預言能不能得到證實。如上所述,哈勃定律是宇宙大爆炸模型的第一個觀測支柱。

    從大爆炸宇宙模型中可以得出幾個推論,其中之一就是宇宙誕生之初遺留下的熱輻射依然存在於宇宙的各個角落,只是已經降低到2.735K,其輻射頻率已經降到微波範圍。

    1964年,美國貝爾實驗室的兩個無線電工程師彭齊亞斯和威爾遜在研究衞星通信時發現,宇宙中存在一種各向異性的微波輻射,波長為7.35釐米,天文學家們很快意識到這就是大爆炸宇宙模型預言的宇宙背景輻射。他們因為這項成就獲得了1978年諾貝爾物理學獎。

    威爾遜和彭齊亞斯,背景是他們當時用的天線

    伽莫夫的學生阿爾菲研究了輕元素的合成問題,1948年愚人節那天他與貝特、伽莫夫聯名發表了一篇論文,被人戲稱為αβγ理論。根據這個理論預測的宇宙中的輕元素同位素(氦4、氦3、氘、鋰7等)相對於普通氫元素的質量比與實測結果大體相符。而且到目前為止也沒有第二個理論能解釋這些觀測結果。

    大爆炸理論預言,最早的一批星系和類星體出現在大爆炸後10億年,之後更大的結構如星系團才開始形成。由於星系不斷的衰老和演化,所以我們觀測到的距離遙遠的因而也更早(光速傳播速度有限,我們看到的遙遠星系是它們很久很久以前的形態)的星系和近距離的星系存在很多不同之處。

    此外,即便距離相近,相對較晚形成的星系和宇宙誕生之初就形成的星系也存在較大差異,這與霍伊爾等人的穩恆態宇宙模型強烈牴觸,相反與大爆炸理論的計算模擬結果比較吻合。這是支持大爆炸理論的第四個觀測支柱。

    由於這些天文學觀測結果,目前天文學家普遍相信,宇宙大爆炸正如地球繞太陽運動一樣,是一個事實。天文學家之間爭論的,只是這個模型的具體細節。

    最後自問自答幾個常見的小問題。

    1、大爆炸之前宇宙是什麼樣?

    時間本身都是大爆炸之後產生的,所以“大爆炸之前”在邏輯上是不存在的。

    2、大爆炸對我們有什麼影響?

    如上所述,大爆炸只是一個形象的稱呼,但和我們日常生活所見到的化學爆炸和物理爆炸不同的是,膨脹的不是某種物質,而是時間和空間。更具體地講,就是我們度量宇宙的尺子被宇宙本身悄悄改變了,而我們能且只能通過對宇宙早期的尺子(也就是説是遠處的尺子)的研究來證實和發現這一點。

    但是,在距離我們較近的這部分宇宙根本觀測不到這種變化,所以宇宙膨脹和大爆炸對我們日常生活沒有影響。換言之,你早上扯的三尺布,中午量是三尺,晚上量是三尺,什麼時候量都是三尺,10億年以後去量也還是,因為我們用的尺子和我們的布同步膨脹,但是如果用10億光年外的尺子量,就會發現這塊布不是三尺了。

    3、日常生活中能體會到大爆炸嗎?

    這個倒是能的,起碼以前是能的。打開你家的模擬信號電視機,在沒有任何信號輸入的情況下,能看到滿屏的雪花點,其中的一小部分雪花點就是宇宙大爆炸之初殘存的熱輻射所致。

    老式電視機的滿屏雪花點

    4、宇宙會持續膨脹嗎?

    這個取決於宇宙中物質的“密度”。如果物質密度高於一個特定值,那麼宇宙會由於引力的作用而停止膨脹並開始收縮,最終會重新收縮在一起;如果物質密度等於或低於這個值,則宇宙會持續膨脹下去。

    -完-

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