宇宙真的是大爆炸產生的嗎？還是無始無終一直存在著？

2020-10-11 墨玫人工智慧

「宇宙不到一小時就造出了原子，幾百萬年就造出了恆星和行星，而造出人類卻用了50億年！」——喬治·伽莫夫

大爆炸宇宙模型告訴我們宇宙是有起源的，萬物是經過數億年的演化發展至今的。而這個模型的提出也給出了我們很多關於宇宙起源的預測，並與我們的觀察結果相符！

那麼大爆炸模型的正確機率有多大？還是說宇宙一直都存在？我們就先來看看宇宙中有什麼？

宇宙中有什麼

我們的夜空中布滿了恆星，而僅在我們的銀河系就有數千億顆恆星。但是在恆星之外，我們現在很容易用哈勃太空望遠鏡看到，有大量的星系散布在宇宙空間中！我們目前也有許多可操作性的技術來測量宇宙中的星系離我們有多遠。

最簡單的一方法就是哈勃本人發現的，通過觀察星系中的單個恆星來測量星系的距離。

我們首先要對恆星做大量的研究工作，知道恆星是如何工作的！從新星到各種類型的變星，再到壯觀的超新星爆發，它們都有一個共同的特點！就是內稟亮度和表觀亮度。所以我們通過觀察一顆恆星首先知道它本身有多亮（內稟亮度），然後測量這顆恆星看起來有多亮（表觀亮度），根據距離和光度關係，我們就可以算出這顆恆星離我們有多遠。

還有一點就是都卜勒效應，向我們移動的物體發出的光會向光譜的藍端移動，而遠離我們的物體發出的光會向紅端移動，通過測量星系的光譜線，從而發現星系是在向我們移動還是在遠離我們，以及移動的速度有多快。

通過對星系光度的測量我們發現了什麼？以及一些可能的理論

通過觀察星系的距離和紅移關係，我們發現星系離我們越遠，遠離我們的速度就越快！或者，更準確地說離我們越遠的星系觀測到的紅移越大。哈勃本人並不知道星係為什麼會遠離我們，但這個關係（哈勃定律）我們現在已經知道在宇宙各個方向上，超過10億光年以外的星系都是成立的。就這一點我們就可以否定一個穩恆態的宇宙，也就是永恆存在的宇宙。

那麼是什麼原因造成了物體離我們越遠，光的紅移越明顯？就其本身而言，這一觀察結果就提供了許多可能的解釋，包括:

  • 光會疲勞，隨著時間的推移會失去能量，
  • 宇宙在振蕩，隨著時間的推移會收縮和膨脹，而我們只是正好處在膨脹的階段，
  • 宇宙常數，比如光速，或者引力常數，隨著時間的推移發生了變化，
  • 宇宙穩定而均勻地膨脹，並隨著膨脹而產生新的物質
  • 宇宙在快速旋轉，而遠離我們的星系有很大的、無法觀察到的平移運動。

以上的思想都預測了不同的現象，而這些預測在原則上是可以通過觀察來檢驗的，並使我們能夠把這些思想彼此區分開來。但在20世紀40年代，喬治·伽莫夫以及他的學生拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫爾曼所提出來的想法與以上的思想都不同。

喬治·伽莫夫的大爆炸模型，以及一些預測

伽莫夫的想法是：紅移是因為宇宙在膨脹，而且過去宇宙的膨脹速度更快！隨著時間的推移宇宙會冷卻、膨脹和減速。

和其他的想法一樣，伽莫夫的理論做出了一些驚人的預測。如果我們回到過去，讓宇宙變得密度、溫度越來越高，會發生什麼？

實際上，如果我們往回追溯得足夠遠，宇宙就會因為溫度太高，而無法形成穩定的中性原子！但在一個膨脹的宇宙中，電離這些原子的輻射，現在應該是溫度很低，並且均勻的散布在整個空間中，這些輻射會紅移到光譜的微波部分。不僅如此，殘留的輻射應該有一個非常特殊的光譜類型，被稱為黑體光譜。

儘管在20世紀40年代觀測的技術還比較落後，但伽莫夫的預測並沒有止步於此！

剛才說了單個原子！那麼單個原子核呢？從某種程度上說，其實跟單個原子一樣，隨著溫度的增加，原子核也會被輻射能量炸開，在這種溫度下宇宙不會形成比單個質子、中子或電子更複雜的結構！

但是我們要記住，宇宙一直在膨脹和冷卻的，在某一時刻，宇宙溫度降低就可以邁出第一步：質子和中子結合在一起產生了氘。也可以理解為宇宙在某一時間段內，在合適的溫度和密度下進行了簡單的核聚變，通過向氘添加更多的質子和中子來製造更重的元素！

也許，宇宙中豐富的元素就是這樣產生的！

其實關於宇宙模型到底是怎樣的？包括大爆炸在內的很多對立的理論被科學家認真考慮了一段時間。因為理論是預測可能發生事情的工具，但是一個理論是否正確必須依靠觀察和實驗的數據來做支撐，或者這些數據可以幫助我們確定哪些理論是最好和最有效的！

1964年是一些理論開始被終結。為什麼呢？對預測的驗證

阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和鮑勃·威爾遜（Bob Wilson）為貝爾實驗室（Bell Labs）工作，（上圖）使用喇叭天線是為了研究宇宙中的微波輻射。他們發現，雖然銀河系平面上有一些特殊的微波輻射，但整個天空中充滿了低溫噪音，他們甚至清理了天線口中大量的鳥糞，趕走了周圍的鳥，還是無法消除這些低溫噪聲！

說實話，他們對充滿全天空的低溫噪聲感到十分困惑，並不確定是什麼原因造成的。這其實就是伽莫夫預言的宇宙大爆炸遺留下來的餘暉。但是這個輻射的光譜是什麼呢？直到20世紀90年代的COBE任務、以及後來的WMAP和普朗克巡天計劃中，通過對微波輻射的精確測量，人們才真正得到了準確的驗證！

大爆炸以令人難以置信的、無可爭辯的精度，預言了充滿全天空、分布均勻的宇宙微波輻射！

那麼最後一部分呢？大爆炸預言的輕元素豐度？我們預測大爆炸會形成一個質量大約為75-77%的氫、23-25%的氦、少量的氘、氦-3和非常非常少量的鋰組成的宇宙。我們在微波輻射的光譜中看到了什麼？

大爆炸理論在20世紀40年代才開始成形，但它預測能力與觀測結果非常一致！根據廣義相對論，我們可以把各種奇異的東西扔到宇宙的大規模結構中，例如：磁單極子、宇宙弦、磁疇壁、宇宙常數、中微子、暗物質、暗能量、空間曲率，以及原子和光子。所有這些都會在大規模結構中導致截然不同的觀察結果。

通過微波背景的波動。我們發現宇宙初期有一些暗物質，有宇宙常數，少量的中微子，剩下的只是原子和光子。這和大爆炸的預測是一致的。

難道大爆炸的初始條件不需要微調就能得到一個充滿這麼多物質的宇宙？意思就是說宇宙中的物質咋來的？

解決的方案就是宇宙暴漲理論，它可以導致大爆炸的發生。

大爆炸是迄今為止最成功的宇宙理論。所有的其他的選擇都在中途失敗了，包括光的疲勞，霍伊爾的穩態理論，以及阿爾文的等離子宇宙學。

保守地說，如果要給出一個概率的話，從宇宙的誕生到現在大爆炸有99.9%的可能是正確的。這就是為什麼我們真的認為一切都始於一聲巨響！

--------------完-----------------

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編輯：Zero


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