你的「大爆炸理論」過時了嗎?

2020-12-04 天文在線

要從科學角度思考宇宙起源,便無法避開一個重要的理論:宇宙大爆炸理論。不是所有人都能就「大爆炸」的含義達成共識,尤其時不時出現的一些言論,宣稱「大爆炸」或許根本沒有發生過。這種言論合理嗎?如果合理,「大爆炸」具體指什麼呢?

要搞清楚這個問題,我們先回到100年前,也就是人類剛開始細緻觀察天空中的模糊漩渦、橢圓星雲的時候。如今當然很容易認出那是星系,但一個世紀以前並不如此。當時,人類望遠鏡還不能分辨組成星系的單個恆星,於是那時星系僅僅被看成某種「星雲」。不過,有個因素特別離奇:這些「星雲」的速度。

我們知道,每種元素都有其特徵光譜(一組其吸收或發射的譜線),這個光譜固定在一組特定的波長上。例如,氫元素的譜線總是在656、486和410納米處,每一處都對應一個特定的原子能躍遷。

在這些漩渦和「星雲」的圖譜中,雖然吸收譜線都出現了,但出現的方式卻十分奇怪、反常。

要說最簡單的解釋,那就是並非這些「星雲」中有某種類型的新元素,或超出了現有物理,而是它們正快速運動,有時是朝向我們,有時是遠離我們。與警笛的遠近運動會影響音高的頻率變化類似,遠處物體的遠近運動也會影響其反射的可見波的波長變化。

朝向我們運動時,光譜偏向藍色;遠離我們運動時,光譜偏向紅色。20世紀早期,維斯託·斯萊夫(Vesto Melvin Slipher,美國天文學家,首次測量出星系的徑向速度)發現,宇宙中絕大多數螺旋星雲都向遠離我們的方向移動,而且移動速度比已知宇宙中的任何天體都要快。

但到了20世紀20年代,才有人真正把這個謎團拼湊起來。當時,埃德溫·哈勃(哈勃望遠鏡以他的名字命名)正挨個觀察這些螺旋裡的「爆發」,尋找新星之類的天體。

哈勃發現其中一個螺旋裡有變星(variable stars的譯法建議翻譯老師修改)時,並沒就此止步,而是毅然深挖。他繼續測量了其他幾十個星系的距離,當他把這些數據和斯萊夫的速度數據結合起來,便有了一個驚人的發現:總的來說,一個星系離我們越遠,其遠離的速度就越快。宇宙膨脹的理論由此誕生。

廣義相對論認為,內部大部分空間充滿物質和輻射的時空(比如我們身處的時空),並不一直處於靜止中。它要麼膨脹,要麼收縮,取決於其中有多少能量。根據如今觀察結果,宇宙前一天比後一天稠密,處在膨脹之中。

由於光(即輻射)的能量取決於其波長,如果宇宙過去更小,那麼在過去也便更熱,能量更高。

我們反推一下。想像從今開始追溯宇宙的過去,年代越久,宇宙便越小、越熱。如果年代足夠久,會有什麼結果呢?

到那時,宇宙會變得又熱又稠密,連原子本身也無法形成。在宇宙的早期,一切都是劇熱的電離等離子體。

在更早的時候,原子和甚至還無法形成,單個的質子、中子炸得粉碎,形成一片自由粒子的海洋,除了氫意外沒有其他元素。

再往前一點,物質和反物質成對自發產生,成為宇宙中所有已知的(甚至包括一切迄今為止尚未發現)的粒子的起源。(此處釐不清,建議審核老師看一下措辭是否需要修改)

最終,我們如果回到一個萬物混沌(甚至可以說無限熾熱、稠密)的時代,我們會到達一個奇點,一個所有時間、空間和能量都凝聚成一個點的地方。

這種認為萬物起源於一個「宇宙蛋(cosmic egg)」、一個原始原子,或一個混沌的、熾熱的、稠密的奇點的觀點,就是我們今天所說的宇宙大爆炸理論。

這只不過是大爆炸的原始定義。自從這個觀點提出以來,人類已經了解了很多關於宇宙的知識。特別是,我們已經知道,除了物質和輻射之外,宇宙還包含大量的、空間本身固有的能量,也叫暗能量,或宇宙常數,或空間能量(皆為同義詞)。

宇宙現在的包含的能量相對較少,但早期包含了大量的能量。

可以說,在被物質和輻射主宰之前,宇宙被這種空間固有的能量主宰。該理論首次提出於20世紀70年代末、80年代初,並在90年代初首次通過觀測得到證實。人們所說「宇宙膨脹」,就發生在此所指的,宇宙不是由物質或輻射主導,而是由空間本身固有能量主導的時代(即暴漲時代)。

以真空能量或膨脹為主導的宇宙,其演化方式與以物質或輻射為主導的宇宙不同。

或許,看起來這些宇宙只是在細節上有所不同,但他們都以一定的速率從某一起點開始膨脹。

不過真的如此嗎?我們再看仔細一點,在開始的開始,先別局限於(0,0)點處。

雖然,一個由物質或輻射主宰的宇宙實際上來自一個奇點,來自一個時間和空間首次出現的時候,但對於一個暴漲的宇宙來說,沒有這樣的時刻。

換句話說,我們憑直覺得出的,時間和空間首次出現的點,在一個一開始就有膨脹階段的宇宙中,不一定是大爆炸的一部分。

當宇宙學(研究宇宙起源和演化的天體物理學分支)提起大爆炸的時候,他們指的是以下兩件事中的一件:(下面的內容可能圖片,可能是文本,譯者無法看到其內容,暫譯如此)

我們看到的宇宙從高溫、稠密、膨脹的狀態中誕生,膨脹、減速、冷卻,並產生了元素、原子、恆星、分子、行星,最終形成了我們。最初的奇點代表了時間和空間的誕生。

唯一的問題是,雖然這兩種理論在上世紀60年代是可以混用的,的現在已經不一樣了。

第一種理論認為的高溫、稠密、膨脹的狀態,目前還是能指「大爆炸」,但第二種理論不再如此。事實上,關於空間和時間從何而來的問題,各方仍有許多爭論,無論發表的論文是什麼,都只是這場爭論的滄海一粟,僅此而已。

說到底是什麼意思呢?大爆炸代表了我們看到的宇宙萬物的起源,但它不再是宇宙的起源。我們可以在這種理論之外,找到一種暴漲宇宙學說,它十分值得我們進行透徹研究、討論,探索它對於世間萬物起源的意義所在。

那麼到底有大爆炸發生嗎?根據第一層定義,是的,當然有,宇宙從一種高溫、稠密、均勻、快速膨脹的狀態中出現,自那時起一直變冷,密度越來越小。但如果你使用第二層定義,可能真的需要重新考慮「大爆炸」這個術語——你不會是唯一一個誤用它的人。

作者: startswithabang

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