科普丨宇宙大爆炸前後發生了什麼?

2021-01-21 時間故事會

對於太空中的創造成果,想要畫出範圍,不啻是白費心力……因此,我們已經準備好面對這樣的發現,時間中的宇宙範圍早已超乎凡人的掌握。

——萊爾

人類對於自己身處的這個世界的探究是沒有窮盡的。在遠古時期,人類還沒有科學系統的時候就在思考這所有一切的起源,於是各個文明創造了各自的創世神話。

近代科學的發展,終於讓我們能一窺宇宙的奧秘,現在小孩也知道我們身處地球,地球只是浩瀚宇宙中極其普通的一顆小行星,而這一切都是起源於 宇宙大爆炸


說起宇宙大爆炸要從哈勃說起,哈勃是一個天文迷,熱衷於觀測宇宙中的星系,觀測幾年後,他提出了一個驚人的觀測結果:所有星系都存在紅移現象

紅移想像就是當一個波離我們而去的時候,波會被拉長,也就是向光譜中的紅段移動,相對的,如果朝向我們移動,波被壓縮,也是就向著光譜中的藍端移動,稱為藍移。哈勃發現幾乎所有星系都存在紅移,就是星系發出的光的光譜會向紅色的一端移動,也就是說我們站在宇宙中的任何位置,宇宙中的星系都在離我們而去。



試想我們的宇宙在一個氣球上的點,然後將氣球吹大,你會發現氣球上的點都在相互遠離。所以這種遠離意味著我們的宇宙一直在膨脹。



哈勃的發現讓全世界的天文學家都或興奮或批判,愛因斯坦第一個坐不住了,他在提出廣義相對論方程後過了幾年把方程式套用在宇宙上,結果卻是宇宙在不斷膨脹,由於不相信宇宙是膨脹的,為了讓宇宙靜止不變而在方程中添了一個宇宙常數。哈勃的發現讓他鬱悶數天也只能接受宇宙確實是在膨脹的這個事實。

受到哈勃理論的啟發後,一位比利時天文學家勒梅特也激動不已。他提出:「在幾十億年前,整個宇宙就是無限緻密、無限炙熱的原子,然後,空間在這個原始火球中誕生。空間誕生後,時間也隨之誕生,火球迅速膨脹,物質開始出現。」另一名美國天文學家霍伊爾看到勒梅特的說法後,調侃地說道:「不就是『BIG BANG』嘛,嘭一下,宇宙就誕生了,多滑稽啊!」正是這個「Big Bang」形象的描述了勒梅特的理論使得宇宙大爆炸的說法被大眾熟知。



一位俄裔美國物理學家伽莫夫也是鼎力支持大爆炸理論,大爆炸後,宇宙溫度逐漸降低,應該還留有餘溫,也就是說宇宙中應該有殘留的背景輻射。他還計算出了這個輻射溫度應該是5K。許多天文學家都加入了探測背景輻射的隊伍,最後找到背景輻射的卻是兩個入行不久的年輕工程師彭齊亞斯和威爾遜,說來也是巧了,兩個人在美國建造了一個靈敏度極高的號角狀射電望遠鏡,啟動後卻一直有噪音,他倆嘗試了各種辦法都消除不掉,最後只能得出結論,天線有問題,帶著這個問題他們找到了普林斯頓的羅伯特·迪克教授,迪克當時也在探測背景輻射的隊伍中,一聽又激動又喪氣:你們的問題就是我拼了命要找的東西啊。經證實,這兩年輕人收到的噪音正是宇宙的背景輻射,溫度3.5K,誤差在可接受範圍內。1978年,彭齊亞斯和威爾遜因找到了宇宙大爆炸理論的關鍵證據—宇宙微波背景輻射而獲得了諾貝爾物理學獎。

自從宇宙微波背景輻射被探測到後,科學家們又紛紛投入到這個領域中。隨著研究的深入,科學家又開始疑惑了,他們發現,無論探測哪個方向,宇宙中的輻射溫度是一致的。這有什麼問題呢?宇宙爆炸的那一刻起,宇宙空間迅速膨脹,膨脹速度超過光速,這樣的速度也使得宇宙間的物質來不及發生任何熱傳遞,但是目前的情況卻是宇宙輻射溫度一致,也就是說必須得大爆炸發生的瞬間所有物質的溫度就完全一致,這就好比要求煙花爆竹爆炸後的每一個碎塊的溫度保持一致。

在科學家們紛紛探究這個問題之時,美國理論物理學家阿蘭·古思提出了暴漲理論,他對大爆炸理論進行了修改,暴漲理論減慢了宇宙爆炸最最初期時刻的膨脹速度,使得初期宇宙有足夠時間達到相同溫度。在此之後,宇宙經歷一次短暫的暴漲來平衡早期的緩慢膨脹。也就是說在暴漲以前宇宙內就建立了相同的溫度,而暴漲開始後宇宙迅速膨脹。由於早期的暴漲,我們現在對宇宙的可視範圍是有限的,這也就是視界。



宇宙暴漲理論的完善,我們開始能摸清大爆炸後極短的那段時間宇宙發生了什麼,但我們離宇宙的開端還差那麼一點點。物理學家和宇宙學家們一直試圖將時針倒轉到那個零點。不斷的有人在爭論「時間是如何開始的」「在那之前,到底是什麼樣的呢」「這個問題真的有意義嗎」。各種試圖解釋一切開端的理論也不斷湧現。

霍金就曾採用微觀的角度提出「宇宙無邊界」的說法,把時間的起源模糊化,消除奇點問題。他說:「在那個開端,雖然時間不會無限地延伸過去,卻也沒有鮮明的起點。時間不會突然開啟,而是慢慢地從空間中出現。」

最近出現的膜世界理論將宇宙大爆炸描述為兩個三維世界就像兩張塑料片撞在一起。這一宇宙模型中宇宙大爆炸不是唯一,這是一個循環模型,兩張塑料片被一股力量拉近撞擊後產生熱能,然後再彈開,這是一個宇宙的結束也是一個開始。它的支持者斯坦哈特這樣描述:「現在我們又開始全新的循環。宇宙充滿了熱物質和輻射,形成新的恆星、星系和行星,可能也有新的生命,一個接著一個。」

這些關於宇宙起點之前的理論仍無法得到映證,當我們要設想這一切開端的時候仍然極其困難,對於這無法描述的開端,物理學家蘭德爾說道:「基本上,時間和空間並非我們想像的那麼回事。」這也是未可知的。


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