宇宙來源於138億前的奇點,是何原因推動空間擴張到如此之大呢?

2020-12-05 優美生態環境保衛者

我們知道現在的宇宙來源於138.2億年前的一場大爆炸,其實這個結論是科學家們根據現有宇宙膨脹結果反推回去的一種猜想,現在所有的科學觀測都支撐宇宙大爆炸這個假說,沒有任何一個例外可以推翻它,因此成為關於宇宙來源的主流觀點。

在上世紀20年代末期,美國天文學家哈勃在對接收到的河外星系的光線光譜特徵進行分析時,發現光譜絕大部分都有向紅端移動的現象。根據光譜都卜勒效應,當光源遠離觀測者時,觀測到的光線頻率會有增加現象,從而在光譜在有向波長更長的紅端移動的趨勢;反之,當光源靠近觀測者時,光譜有向波長較短的藍端正移動的趨勢,這在物理學中分別被稱為紅移和藍移現象。哈勃的觀測結果表明河外星系中絕大部分的星體都在遠離地球,只有極少一部分表現出了與地球靠近的相對運動趨勢。

後來,哈勃給出了河外星系退行速度與其和地球之間的距離成正比的哈勃定律,這個比率被稱為哈勃常數。2013年歐洲航天局利用普朗克衛星重新修正了該常數,進一步表徵了距離地球326萬光年處的星體,其相對於地球的退行速度約為68公裡每秒。之後,科學家們利用Ia型超新星觀測、Λ-冷暗物質模型、宇宙背景輻射強度測量、引力波等技術手段,推測出宇宙的年齡為138億年,而可觀測宇宙的直徑為930億光年。

那麼,在宇宙膨脹觀點的背景之下,科學家們反推現有宇宙中的所有物質,是在138億年前來源於一個體積無限小、質量無限大、溫度無限高的點,這個點就是奇點。體積無限小、質量無限大、溫度無限高是對奇點基本屬性的推測,而這些特點也註定了奇點難以被人們所想像。體積無限小意味著突破了普朗克尺度,其中所包含的物質也必將突破現有基本粒子的極限;質量無限大意味著對應無限高的能量和無限的空間曲率,無限高的能量則奠定了現有宇宙所有物質所蘊含的所有形式的能量基礎,無限的空間曲率表明其無限大的引力將所有空間都集中到一個點上,在這個點之外不存在任何的時間與空間,也沒有維度的概念;溫度無限高則是能量無限大的一個直接體現,在無限大的引力和無限高的能量共同作用之下,奇點中所包含的物質始終處於一個被無限「壓抑」的狀態。

根據科學家們的推測,宇宙大爆炸分為幾個關鍵階段。

一個是普朗克時代,即在10^(-43)秒內奇點完成了大爆炸的主要過程,我們窮盡所有技術都無窮窺視到普朗克時間之前宇宙的真實狀態,這個時期引力開始分離,但其它三種基本作用力仍然不可區分。

第二是大一統時代,即在10^(-43)秒至10^(-32)秒之間,溫度從10^32K降至10^28K,奇點大爆炸釋放的巨大能量使得空間發生急速膨脹,空間在瞬間增長了10^50倍,夸克和輕子開始出現,強力也分離了出來。

第三是輕子時代,時間從10^(-32)秒至千分之一秒,電磁力與弱核力分離,粒子與反粒子成對出現並迅速湮滅,而重子出現的概率可能會比反重子多出幾十億分之一,就是這些差距奠定了現有宇宙物質的組成結構,這個時期宇宙空間中是以反物質和輕子為主體。

第四是等離子時代,即從千分之一秒至38萬年之後,這個時期宇宙整體溫度進一步降低,形成了自由原子和電子,但是由於正反粒子湮滅產生的光子能量極高,阻擋了原子核的形成,整個宇宙空間充斥著等離子體,光子反覆地與核子、電子發生碰撞,被完全束縛在這片等離子云之內。

五是星系形成時代,在38萬年之後,隨著溫度的進一步降低,核子與電子開始形成原子核,等離子體演化成為氣體物質,形成了原始星雲,在引力擾動下,星雲物質開始聚集坍縮,最終形成宇宙最早的一批恆星,隨後又形成由恆星和行星、衛星等共同組成的恆星系統,許多恆星系統組合在一起便形成了星系。在奇點大爆炸38萬年之後至今的漫長歲月中,科學家們又根據宇宙膨脹的速率,將其劃分為減速膨脹階段和加速膨脹階段,兩個階段的臨界時間可能在60億年之前,在減速階段主要是在引力作用下減緩了宇宙膨脹的速率,而過了這個臨界點之後,則在暗能量的驅動下,宇宙又重啟了加速膨脹的進程。

在目前關於宇宙大爆炸的推測裡,在大爆炸之前宇宙中現有的四種基本作用力還沒有分離,是一種處於統一狀態的力,我們姑且稱之為「超力」。奇點存在時,不存在什麼宇宙空間,整個世界是零維的,而就在這個零維世界中存在著量子漲落現象,那麼就有極小的概率產生正負奇點的不對稱性,我們所處的宇宙可能就是由於正奇點的分離而逐漸產生的,而推動這個分離現象的直接驅動力,有科學家表示則是存在著現有宇宙中四種基本作用力之外的另一種作用力。

關於第五種基本作用力還處於假想階段,我們根本無法判斷它的有無,因為只有在宇宙重新聚集坍縮成奇點之後才可能形成。而宇宙空間的黑洞中心的奇點,雖然與宇宙大爆炸之前的奇點性質相似,但是無論是從總體質量、運動狀態還是空間曲率上都不可同日而語,同時我們也無法從只有理論上存在的史瓦西黑洞(完全對稱坍縮成球對稱的黑洞)證實第五種作用力的存在。

雖然我們無法得知奇點大爆炸的原因,但是不可否認,在大爆炸的瞬間所釋放出的無窮能量,推動了宇宙基本粒子的形成和進一步組合,繼而在空間不斷拓展的同時產生了現有宇宙的基礎結構。

相關焦點

  • 既然宇宙來源於138億年前的奇點,為何這個奇點到現在還找不到?
    而目前關於宇宙起源的主流觀點-宇宙大爆炸理論,認為宇宙的起源是來源一個點,那就是奇點,隨著奇點的爆炸,時間和空間就此產生,所有物質和能量就此形成,那麼我們根據現有的觀測結果,為何找不到這個奇點的存在呢?在科學家們發現宇宙膨脹的現象之前,人們普遍認為宇宙是處於「靜止」狀態的,這個靜止並非是指宇宙處於完全不動,而是一個無限、各向同性、物質分布均勻的狀態。
  • 在138億年裡,宇宙如何從奇點膨脹到24萬億光年的範圍?
    根據目前最為精確的觀測結果來估計,宇宙起源於138億年前的時空奇點,可觀測宇宙目前已經膨脹到半徑為465億光年的範圍,不可觀測宇宙的半徑更是有可能達到12萬億光年。顯然,宇宙的膨脹速度已經遠超光速,遙遠宇宙中的星系會以數倍光速的速度在遠離我們。
  • 138億年前創造宇宙的那個奇點目前在哪裡?
    基於現代宇宙學,時間和空間都有一個開端,那就是138億年前的一個奇點,宇宙就是從最初的那個奇點膨脹而來。138億年過去了,創生宇宙的那個奇點目前在哪裡呢?關於這個問題,首先要知道為什麼現代宇宙學會認為宇宙起源一個奇點。在20世紀初,穩恆態宇宙模型是主流理論。
  • 宇宙由奇點爆炸而來,那奇點又從何而來?我們又從何而來?
    隨著CMB信號的發現,以及哈勃定律所推斷出的星系加速遠離,全部都在指向一個驚人的事實:我們的宇宙正在加速膨脹!這代表我們現今的宇宙,有著一段從冷到熱。從小到大,從密到疏的膨脹演化史。而這一切的源頭都來源於一個密度無限大的點。它就是奇點,奇點是我們已知宇宙時空的起點,它誕生了整個宇宙。那麼奇點又是什麼呢?它又是如何誕生的呢?
  • 138億年前的宇宙長啥樣?嬰兒宇宙出現逆生長,奇點不僅有一個
    為什麼會出現,而138億年前的宇宙又會是怎樣的一副場景。我們用肉眼感受到星空是沒有什麼變化的,但是實際山暗藏了很多奧秘,如黑暗之中的遙遠星系正在逐步遠離我們,而且它們的光譜大都是紅移,所以像仙女座星系這樣罕見的臨近星系在不斷地靠近銀河系。而遙遠星系的退行速度與距離是成正比關係的,這也就是著名的哈勃定律,是哈勃在1929年發現的。
  • 為什麼宇宙年齡僅138億年,而整個宇宙直徑卻有24萬億光年?
    ​根據現代宇宙學,宇宙的時間和空間都是創生於138億年前的奇點。138億年過去了,宇宙的直徑膨脹為930億光年,膨脹速度為光速的3.37倍,這與相對論所說的光速最快不矛盾嗎?宇宙的半徑不應該是「宇宙年齡×光速=138億光年」嗎?
  • 如果站在宇宙邊緣,能看見138億年前的宇宙大爆炸嗎?
    按照目前的主流宇宙學理論,我們的宇宙有一個時間開端,距今已有138億年。當時,一個無窮小的時空奇點發生大爆炸,由此創生出時間和空間,並產生了宇宙中的所有能量和物質。另一方面,我們能夠看到宇宙中的各種天體和宇宙事件,是因為那些光傳播到地球上,被我們的眼睛或者天文望遠鏡接收到。光在真空中始終以恆定的速度傳播,我們接收到距離越遠的光,也就看到了時間上越久遠的宇宙。
  • 宇宙誕生138億年後,還能找到大爆炸的奇點位置在哪裡嗎?
    從這個意義上來看,我們的宇宙似乎沒有一個絕對靜止的參考點,所有的天體都在運動中,不是自轉就是公轉,或者公轉的同時又繞著另一個更大的天體公轉,最後漫無目的的朝著一個永遠都到不了地方運動……問題來了,那個138.2億年前誕生宇宙的爆心到底在哪呢?
  • 宇宙誕生138億年後,還能找到大爆炸的奇點位置在哪裡嗎?
    問題來了,那個138.2億年前誕生宇宙的爆心到底在哪呢?在回答這問題之前,我們得先了解下這個爆炸到底是什麼意思?在我們的印象中爆炸就是以化學或者物理轉換的能量產生高溫高壓氣體,迅速向四周擴張,達到周圍物質被拋灑的效果,這就是爆炸!
  • 138億光年外的宇宙是什麼?那裡是宇宙的盡頭嗎?
    過去,宇宙普遍被認為是永恆存在的,沒有起源時間。隨著現代天文學的發展,天文學家發現了宇宙在膨脹。如果把時間倒退回去,宇宙會越來越小。直至時間的盡頭,宇宙成了一個奇點,這被認為是宇宙的起源。根據目前最為精確的觀測數據,宇宙的起源時間為距今138億年前,宇宙從奇點大爆炸中創生。
  • 138億光年外的宇宙是什麼?那裡是宇宙的盡頭嗎?
    根據目前最為精確的觀測數據,宇宙的起源時間為距今138億年前,宇宙從奇點大爆炸中創生。大約38萬年後,宇宙發出了最早的光,它們穿越時空,來到如今的地球上。這些光子已經變成了肉眼不可見的微波,可以用射電望遠鏡探測到,它們被稱為宇宙微波背景輻射。
  • 如果宇宙之初是一個奇點,那麼奇點之前是什麼?
    根據宇宙大爆炸理論,宇宙開始於奇點,奇點可以說是宇宙之初。因為時間、空間和物質都是奇點所生,因此奇點就是時間的開端,宇宙的起點。時間從奇點開始,就意味著奇點沒有之前,因為「之前」也是個時間概念。當然「奇點」也不是憑空來的,奇點雖沒有之前,但也有從何而來的問題。回答這個問題之前,我想講明白一道理。那就是如果我回答了奇點是從什麼東西而來的,或奇點「之前」是什麼,那必然會引來新的疑問:那這個「什麼東西」又從何而來?或它「之前」是什麼?諸如此類,無窮無盡。所以這個問題的常規回答是滿足不了此類疑問的。也從根本上解決不了問題。
  • 宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?
    根據現代宇宙學,宇宙的時間和空間都是創生於138億年前的奇點。138億年過去了,宇宙的直徑膨脹為930億光年,膨脹速度為光速的3.37倍,這與相對論所說的光速最快不矛盾嗎?宇宙的半徑不應該是「宇宙年齡×光速=138億光年」嗎?
  • 宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?
    根據現代宇宙學,宇宙的時間和空間都是創生於138億年的奇點。138億年前過去了,宇宙的直徑膨脹為930億光年,膨脹速度為光速的3.37倍,這與相對論所說的光速最快不矛盾嗎?地心說早就被推翻,地球並不是整個宇宙的中心,因此,以地球為中心的可觀測宇宙不會是整個宇宙的大小。我們在地球上只能觀測到半徑為465億光年的宇宙範圍,此即為可觀測宇宙。整個宇宙要比可觀測宇宙大得多,還有很大一部分宇宙是我們目前所無法觀測到的。
  • 我們宇宙的大爆炸-138億年前的故事
    要全面地看待天文學的歷史,最好是從一個真正的開端著眼——空間與時間兩者的雙重起點。以埃德溫·哈勃為代表的20世紀天文學家們,觀測到我們所見的任何方向上的全部星系都在彼此遠離。諸如這樣的大尺度結構,讓天文學家們發現了宇宙正在膨脹。這意味著,越是追溯到過去的宇宙,尺度越小。
  • 那能證明138億年前的宇宙大爆炸!
    老式的黑白電視機是主流,這種電視機通常帶有兩根長長的天線,可以接收電視節目,甚至還能接收到領居家播放的碟片。如果把老式電視機轉到沒有節目的頻道,或者每周二下午檢修的時候,就會出現滿屏的黑白雪花,並且還伴隨著滋啦滋啦的聲響。這個雪花的來歷並不簡單,在美國宇航局(NASA)官網上刊載的一篇文章指出,老式電視機的雪花竟然可以證明138億年前的宇宙大爆炸,我們小時候都曾見證過。
  • 宇宙起源於宇宙大爆炸,無窮小的奇點為何會爆炸出如此浩瀚的宇宙?
    目前最主流的理論是宇宙來自大爆炸,但為什麼能爆炸出這麼大的宇宙呢? 目前為止,宇宙大爆炸模型是科學界達成共識的關於宇宙起源的理論,是目前最符合邏輯和具有廣泛證據支撐的科學理論。
  • 在宇宙大爆炸138.17億年前:不存在時間、空間和萬物萬象!
    在遙遠的138.17億年前,宇宙萬物從一次大爆炸中開始誕生,這次大爆炸即我們常說的宇宙大爆炸,這是時間、空間和萬物的起點。但大家所熟悉的強烈爆炸能摧毀周圍一切,那宇宙大爆炸怎麼可能是宇宙的開始?假設在一個非常平坦和巨大的棋盤上,假裝你是一個非常平坦的棋子。有一天,你環顧四周,問道:我是怎麼來到這裡的?棋盤是怎麼到這來的?
  • 科學家認為宇宙起源於138億年前的大爆炸,那宇宙大爆炸前有什麼
    1946年,美國物理學家伽莫夫正式確立了宇宙大爆炸理論,認為宇宙大爆炸發生在140億年前。現在,科學家經過精確地計算,宇宙起源於138.2億年前。宇宙大爆炸了解了宇宙大爆炸後,很多朋友可能會有這樣的問題,「既然宇宙起源於138億年前的大爆炸,那麼在宇宙大爆炸前的有什麼呢?」說起宇宙的起源,我覺得就像是去影院看電影一樣。
  • 宇宙誕生之前是什麼?「奇點」從何而來?宇宙之外是什麼?
    多種證據和理論推測表明,宇宙很可能來自於138億年前一次包含我們現在這個宇宙所有能量(包括轉化成物質的能量)的奇點能量子。許多人產生了一系列的疑問,諸如宇宙為何要有這次神秘的大膨脹哪?這個奇點所蘊含的巨大能量又是從何而來哪?宇宙之外是什麼?宇宙誕生前是什麼?