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争论中的“大爆炸”:宇宙是如何开始的?

06-19 17:10  来源:新浪科技  阅读:36

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    据国外媒体报道,“大爆炸”一词对不同的人有不同的含义,最普遍的含义是,它描述了可观测宇宙从致密、炽热的原始状态变得稀薄、不断冷却的过程,根据这一描述,宇宙正在不断扩张,而这一理论就像生物学界的“适者生存”学说一样,很少有人质疑。

  大爆炸理论还代表着宇宙学家根据如今观察到的蛛丝马迹、还原宇宙140亿年历史的最佳尝试,说得更具体些,大爆炸还可以指可观测宇宙的诞生,即事物开始变化、最终导致如今的一系列事件发生的那一瞬间。

  关于那短短的一瞬间里究竟发生了什么,宇宙学家已经争论了数十年,且至今仍未有定论。

  经典大爆炸理论

  在人类历史的大部分时间里,观星者们都认为宇宙是永恒、亘古不变的,而埃德温·哈勃在上世纪20年代进行的观测引起了轩然大波:他的观测显示,银河系之外不仅存在其它星系,且这些星系的光线呈拉伸状,这一迹象说明它们正在远离地球。

  当代比利时物理学家乔治·勒梅特将哈勃等人的观测数据解读为宇宙正在扩张的证据,而就在这不久之前,爱因斯坦刚刚发布了广义相对论的场方程,也提出了宇宙扩张的可能性,勒梅特向前倒推,认为各个星系如今虽彼此分离,但最开始必定都聚集在他所谓的“原始原子”中。

  勒梅特的理论就是现在所说的“宇宙大爆炸”,而“大爆炸”一次的首次公开使用,其实出自该理论的批评者、英国天文学家弗雷德·霍伊尔。

  1949年3月28日,霍伊尔在为自己支持的理论辩论时,首次创造了这个词。他认为宇宙是永恒的,会不断创造出新物质、以弥补宇宙扩张造成的物质稀释,霍伊尔称“宇宙中的全部物质均诞生于遥远过去某个特定时间点发生的一场大爆炸”的说法并不合理。

  “大爆炸这个词很差劲!”

  普林斯顿大学宇宙学家保罗·施泰因哈特指出,用“大伸展“可能更为贴切。施泰因哈特认为,“爆炸”这一意象容易导致混淆,它暗示着存在一个中心点、不断向外扩张的边缘、以及小碎片在前、大石块在后的飞散景象,但宇宙扩张与这些描述大相径庭,并不存在所谓的中心点和边缘,并且大小星系散开的速度并无区别(尽管在暗能量的影响下,远处星系的运动速度会更快一些)。

  不管名字起得是否贴切,大爆炸理论能够很好地解释我们的观测结果,这一点暂无其它理论能够比拟,因此被人们广泛接受,例如,在宇宙刚刚诞生的三分钟之内,光与质子和中子等粒子之间达到的平衡使早期元素形成的速率,刚好与现在宇宙中氦和其它轻原子的数量相符。

  当时有一段短暂的窗口期,让原子核得以形成,在此之后,宇宙就一直在扩张,这些元素就无法相遇了;而在此之前,环境又过于炽热。

  在接下来的37.8万年中,宇宙中充满了云雾状的等离子体,直到宇宙进一步冷却之后,电子和质子才形成了中性的氢原子,这团“雾”才散去。这一过程中还释放出了光线,光线的波长又进一步延长、变成微波,这是研究人员能够直接研究的、已知的最早对象,它们被称作“宇宙微波背景辐射”,被许多研究人员视为宇宙大爆炸理论的最有力证据。

  爆炸性的更新

  但随着宇宙学家不断追根溯源、进一步考察宇宙的早期历史,故事的真相也逐渐浮出水面,广义相对论方程指出,宇宙初始时是一个温度无限高、密度无限大的小点,即所谓的奇点,但这一理论不仅在物理学上说不通,也与光滑、平坦的宇宙微波背景不符。

  奇点的超高温和高密度的波动会使宇宙各处性质各异,但宇宙微波背景的变化幅度非常小,时空曲率看上去也非常平坦,说明物质与曲率在初始时达到了近乎完美的平衡状态,这在大多数宇宙学家看来都十分不可思议。

  上世纪80年代,美国宇宙学家阿兰·古斯对宇宙刚刚诞生时发生的事件提出了一套新构想,认为在刚开始的一瞬间,宇宙的膨胀速度远远高出如今的膨胀速度,而在某个时间点上,这个过程停止了,产生了大量致密而炽热的粒子,取代了原先的奇点。“在我看来,宇宙变热的时候就是所谓的宇宙大爆炸。”

  该理论名叫膨胀理论,如今有众多理论模型在与之竞争,虽然没人知道宇宙为何扩张得如此迅速,但由于该理论能够很好地解释光滑平坦的宇宙微波背景(膨胀保留了较小的波动,抹平了较大的波动),其支持者越来越多。

  其它理论

  而近期的研究使膨胀理论产生了一些波澜。研究显示,宇宙中部分区域(如我们的可观测宇宙)的膨胀可能会停止,而其它区域的膨胀则可能持续下去,这就将宇宙割裂成了一系列相互独立的区块,各自拥有“一套能够想象得到的宇宙性质”。许多物理学家并不喜欢这种“多重宇宙”的构想,因为它会产生无数种无法测验真伪的推测。

  宇宙学家认为,就像引起轻微的温度和密度变化一样,宇宙膨胀会在宇宙微波背景中产生贯穿星系的引力波,现有的实验技术应该已经足够敏感、能够监测到这一现象,但直至目前,我们仍未观察到这种原始的时空涟漪。

  许多研究人员还在等待更加精确的宇宙微波背景测量技术,对目前的多种膨胀模型进行证实或证伪,但其他物理学家并不认为宇宙的“光滑”存在任何问题,也许宇宙刚开始时就是四处均等一致的,无需更多解释。

  虽然实验学家还在努力提高实验技术的精确度,但一些理论学家已经放弃了膨胀理论,试图寻找其它能解释宇宙为何如此“平坦”的理论,例如正在研究“大跳跃”模型,该模型认为,宇宙的起始点比原先认为的还要早,宇宙曾经历过一段时期的收缩,使时空变得平滑,为后来发生的爆炸性扩张做好准备。宇宙学家希望能发现一些新迹象,并借此提出新理论。

  宇宙中还能找到其它可观测的特征吗?过几年再来问宇宙学家这个问题,希望到时已经有了答案。


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