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今天解密要谈谈大爆炸理论,不过我们说的不是天才、怪咖和美女组成的《生活大爆炸》,而是创造了整个宇宙的那个大爆炸。那么,就让我们从爱因斯坦说起吧……
1916年爱因斯坦发表广义相对论,提出原初引力波,它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。如果科学家能够发现原初引力波,便可以找到宇宙起源的证据。广义相对论开启了现代宇宙学。
现代意义上的大爆炸理论是由1932年勒梅特首次提出,他认为宇宙最初聚集在一个“原始原子”中,一场大爆炸使得原始原子碎片四散从而形成了宇宙。1948年,伽莫夫将爱因斯坦广义相对论融入大爆炸理论中,提出原初物质由几十亿度高温逐渐冷却膨胀成宇宙。
.也就是说今天我们称之为宇宙的这个事物最初只不过是一个不到原子大小的点,在一秒内爆炸、冷却、以远超过光速的速度膨胀,然后在随后几十亿年间不断膨胀,直到如今。
那么,宇宙究竟开始于哪一年,在宇宙大爆炸的初期,究竟发生了什么,我们如何去观测它呢?1964年,美国新泽西州贝尔实验室的一对工程师在试图建造更好的天线时意外发现了宇宙的起源。
在排除城市噪音、核弹和鸽子的粪便后,这两名工程师,阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson)称他们的读数里奇怪的无线电嘶嘶声是第一个被证实的宇宙微波背景辐射(CMB)信号。这种余光产生于宇宙大爆炸之后,现在渗透了整个宇宙。
CMB是在大爆炸后三十万年极端冷却的环境下产生的电磁辐射,温度在3K左右。电子在温度下高度活跃并依附在原子核内形成原子,从而产生大量光子流。随着宇宙和太空的自我膨胀,光波长被拉伸至微波范围,从而变成了CMB。找到CMB就可以一窥大爆炸初期景象。
2010年7月5日,欧洲航天局发布了2009年升空的普朗克太空望远镜拍摄的首张宇宙全景图,科学家可以从中看到137亿年前大爆炸的火球残骸,此外,它还捕捉到了宇宙微波背景辐射。科学家第一次看到了宇宙接近形成之时的样子。
欧洲航天局制做了这张迄今最精确的5000万像素宇宙微波背景辐射图全景图,在椭圆形边缘的图案内,密布蓝色和棕色的光点,代表辐射温度波动。这就是“大爆炸”38万年后的宇宙景象。
此前,科学家普遍认为大爆炸发生在137.98亿年前,2013年3月普朗克最新数据显示宇宙膨胀速度比原先预期的要慢,因此宇宙年龄将调整为138.2亿年,比先前增加8000万年。
在大爆炸之后的百万分之几秒内,出现一种“夸克-胶子等离子体”物质,夸克和胶子以自由状态存在,并随着宇宙冷却结合形成质子和中子等亚原子粒子,亚原子粒子形成原子,而原子最终形成今天的宇宙万物。
当然这个过程极其漫长,在大爆炸之后4亿年,宇宙足够冷却使引力足以合并氢气云形成恒星,并点燃了核聚变。10亿年后大质量星系开始大规模的“造星运动”,50亿年前太阳形成,37亿年前地球上才逐渐有生命迹象。
CMB的地图显示的早期宇宙非常光滑,而大爆炸之后物质应该四处散落形成随机的团状物,而统一状态,20世纪80年代,物理学家提出了一个膨胀理论,也即宇宙大爆炸后宇宙经历了一个膨胀的时期。CMB地图证实了该理论模型的某些预测。
大爆炸不仅创造了能量和物质,早在1964年天文学家就发现宇宙存在我们无法看到的物质。人类、行星、恒星和银河系等的“普通物质”构成宇宙的4.9%,“暗物质”占26.8%,推动宇宙膨胀速率不断加速的“暗能量”则占据宇宙剩余的68.3%。
2014年3月17日,美国科学家宣布首次探测到了来自宇宙大爆炸的光在旅途中发生的扭曲现象,也称B-模式,即原初引力波作用到微波背景光子后产生的特殊偏振模式,这证明了原初引力波的存在。
原初引力波相当于大爆炸的“余响”,帮助人们追溯到大爆炸后短暂的急剧膨胀时期,即“暴涨时期”。科学家称这是证明宇宙大爆炸的最直接证据。它的发现如同光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应的发现,再次证明了爱因斯坦的正确。
尽管宇宙来自于大爆炸是许多科学家所认同的,但依然有一些问题困扰着科学家。首先,宇宙是否有开端?宇宙学家萨斯坎德认为,即便宇宙确实存在一个开端,离现在也是久远之极,以至于无论从任何实际角度来看,宇宙都像是永恒存在一般。
如果认为空间是指数暴涨的,那么永恒的时光中真空的体积会变得极其庞大。如果有其它宇宙存在,我们的宇宙就不太可能是早期形成的。因此最早的那个起点肯定已经无存寻找了。也就是说我们永远也无法知道宇宙究竟是如何开始的。
那么,大爆炸前还有物质存在吗?科学家认为宇宙膨胀引发了时空织布里的涟漪引力波。而且膨胀轻易的抹去了之前的任何记录,因此我们无法确定大爆炸前是否有其它宇宙存在,我们只能假设多重宇宙存在的可能性。
此外,宇宙大爆炸之后1500万年,CMB的余光足够温暖,从而导致整个宇宙变成一个巨大的生命友好区。这个时期持续了几百万年,足以让微生物而非复杂生命体出现。那么,在那个时期是否有生命存在,科学家还需要进一步证实。
那么,我们的宇宙最终将会走向何处?如果暗能量的强度仍然稳定增加,宇宙可能会在一场大撕裂里分崩离析;如果暗能量增加继而又减少,那么某些结构可能会从垂死的宇宙灰烬里重新生长出来。
由于宇宙大爆炸是以加速的速率膨胀,所有星系将以超光速的速度远离我们,遥远星系移动得要更快,最终我们将无法从地球或者银河系内其它地方观测到其它星系。大爆炸信号可能在1万亿年内消失。那时,银河系将与仙女座相撞,孕育出银河仙女星系。
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