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宇宙浩渺,天道循環。——〔冰島〕拉克斯內斯:《獨立之子》
宇宙誕生後已經138億年,在我們的可觀測宇宙中,我們依然可以看見大爆炸留下的微波輻射,而且十分均勻,如果地球不是宇宙的中心,那這又是為什麼呢?宇宙的其他區域也會看到同樣的微波背景嗎?隨著宇宙的膨脹,在未來微波背景會不會消失?今天就說下這幾個問題!
首先我們回想一下宇宙的歷史。
人類探測到宇宙微波背景是非常了不起的一件事。這個故事開始於大爆炸,或者更確切地說,開始於熱大爆炸!
熱大爆炸指的是大約138億年前,當宇宙第一次從一種暴脹狀態中出現,其中所有的能量都是空間本身固有的能量,在暴脹結束時,這種真空能量轉換成物質、反物質和輻射的時候。我們可以把宇宙的暴脹狀態想像成一個處於不穩定狀態的量子場,就像山頂上的一個球,然後滾下山坡,進入山谷。
當球在山頂時,這時宇宙中只有真空能量,空間本身以指數速度膨脹。當球滾進山谷時,暴脹狀態結束,並開始來回振蕩,空間能量開始轉換成物質、反物質和輻射:這一過程稱為再加熱。也就誕生了我們所稱的:熱大爆炸狀態。其中一小部分真空能量被永久的鎖定在了空間中,就是我們現在所知的暗能量。
暴脹結束後,宇宙仍在繼續膨脹,但由於這時的宇宙充滿了物質、反物質和輻射,它已不能在長時間保持一個非常大的膨脹率。在廣義相對論中,膨脹率與宇宙的能量密度有關,即每單位體積有多少能量。
如果宇宙中所擁有的能量只是空間本身固有的能量,隨著宇宙的膨脹,只是製造了更多的空空間,而能量密度保持不變。但是現在的宇宙中有了物質,它會隨著宇宙的膨脹而稀釋(變得不那麼稠密)。除了物質還有輻射,在輻射的情況下,光的波長也會隨著空間碰撞而延伸,而輻射的能量又取決於其波長,這就是為什麼宇宙不僅密度會降低,而且隨著時間的推移還會變冷。
空間碰撞物質密度降低(L),空間碰撞輻射密度不僅降低,而且波長也在變長(R)。
隨著宇宙的膨脹和冷卻,從一個一開始熾熱、稠密、均勻、快速膨脹的狀態到一個寒冷、稀疏、團塊、緩慢膨脹的狀態,這個過程中發生了大量重要的事件:
在宇宙最高能量下自然界的基本對稱性被打破,使得物質多於反物質,產生了粒子靜止質量之類的東西。宇宙持續冷卻以至於光子能量降低,停止了自發形成物質/反物質對。多餘的反物質被湮滅,留下物質,其於光子的比例為:每14億個光子對應1個物質粒子。相互作用強度和速率顯著下降,足以使中微子停止與宇宙中的其他一切相互作用。光子的溫度下降到足以使第一個穩定的原子核形成,而不會立即被炸開。溫度進一步下降,這樣中性原子就可以穩定地形成。在這之後,密度過大的區域發展成恆星、星系和星系團,形成了我們今天看到的宇宙,同時光子能量由於持續的膨脹而繼續下降。
微波輻射的起源
倒數第二步(中性原子形成)是宇宙微波背景(CMB)的起源。在此之前,所有的原子都被電離了,這意味著它們只是帶正電的原子核和自由電子,沐浴在光子的海洋中。但是光子與電子的散射截面非常大,這意味著它們可以在很大範圍內頻繁的反彈。光子無法穿透這些帶電粒子。
只有當宇宙冷卻到中性時,光子才不再遇到自由電子,而是開始遇到中性的、穩定的原子。因為中性原子只吸收特定頻率的光子,而大多數存在的光子並不在這些頻率上,這些原子對宇宙中所有的光子來說都是透明的!
CMB發射前的離子化等離子體(L),隨後向中性宇宙過渡(R),宇宙開始對光子是透明的。
由於宇宙從一開始到誕生我們,膨脹和冷卻的時間太久,那這些最後自由傳播的輻射光子去哪了?它們並不會憑空消失,因此我們認識到了這樣一個事實:在我們周圍的區域,大爆炸產生的所有光線都在不斷地從我們身邊經過,已經持續了138億年。
還有所有的恆星、星系、大型結構、氣體雲和宇宙空間都位於數千、數百萬、數十億甚至數百億光年之外,它們的CMB光在很久很久以前就從我們面前經過了。
為什麼我們依然可以看到均勻的微波背景
以地球為中心的宇宙對數視圖。
現在回到最初的問題,我們仍然可以看到CMB。在我們看來,它(今天)相當於一個大約453億光年遠的表面。
我們現在還能看到宇宙微波背景輻射,而且各個方向上溫度波動十分均勻,這一事實告訴我們一個非常重要的事實:從我們的角度來看,大爆炸同時發生在一個半徑至少453億光年的空間區域的任何地方。也就是我們的可觀測宇宙內的任何地方都經歷了大爆炸狀態。
宇宙微波背景輻射不僅在各個方向都可見,而且在各個方向的溫度都是一致的,這一事實告訴我們:在一個暴脹的宇宙中,可觀測到的宇宙體積一定是從最初的10^-29米(小於質子體積的的萬億分之一)增加了至少10000,000,000,000,000,000,000倍。
我們今天看到的宇宙部分,最初可能比10^-29米的尺度還要小,但經過暴脹後最初的那片很小的空間的膨脹量可能比10^22倍還要大得多;對此沒有上限。也就是說,暴脹發生後真實的宇宙可能是無限的。
當我們看宇宙微波背景時,它的均勻性和它的小尺度、小幅度的波動,以及宇宙沒有任何區域看起來有什麼不同。(宇宙並沒有呈現出封閉的曲率),僅從這一點我們就可以得出這樣的結論:從我們的角度來看,大爆炸必定同時發生在一個大區域的任何地方。這就造成了,不論過多久,以我們地球為中心的可觀測宇宙都會永遠沐浴在大爆炸的低溫輻射中。
暴脹理論給了我們一個關於暴脹持續時間和範圍的下限,如果把它與我們可觀測的宇宙聯繫起來。宇宙微波背景仍然存在的原因是:大爆炸發生在宇宙暴脹的末期,發生在一個非常大的區域,這個區域至少和我們觀測到的宇宙微波背景一樣大。而且很有可能,這個真實的區域要大得多,以至於宇宙中任何地方的觀察者看到的CMB大致相同,在未來我們還會繼續看到它(儘管紅移得稍微遠一些,但能量不會消失)一直到任意遙遠的未來,只不過微波輻射會被碰撞到無線電波段。