宇宙大爆炸理論并非一開始就被人們所接受,事實(shí)上在20世紀(jì)初,包括愛因斯坦在內(nèi)的主流科學(xué)界,都堅(jiān)信宇宙是“靜態(tài)”的、永恒的、無始無終的。
![]()
最早提出這個(gè)“異端”理論的人,是一位身份非常特殊的比利時(shí)人喬治·勒梅特,他既是一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)家、數(shù)學(xué)家,也是一位虔誠的天主教神父。
1927年,勒梅特在愛因斯坦廣義相對(duì)論的框架下,推導(dǎo)出了一個(gè)驚世駭俗的觀點(diǎn):宇宙正在膨脹。既然它在膨脹,那么反過來推演,它在過去必定更小、更熱、更致密,如果將時(shí)間倒退到極致,宇宙的起點(diǎn)必然是一個(gè)被他稱為“原始原子”的、無限小的點(diǎn)。
![]()
勒梅特的想法在當(dāng)時(shí)遭到了無情的嘲諷,愛因斯坦本人在聽聞他的理論后,也評(píng)價(jià)道:“你的數(shù)學(xué)計(jì)算是正確的,但你的物理學(xué)直覺卻是糟透了”,甚至“大爆炸”這個(gè)詞,也是由反對(duì)該理論的物理學(xué)家弗雷德·霍伊爾在一次BBC廣播中,帶著嘲諷的意味“發(fā)明”出來的。
但勒梅特的理論,即將被來自遙遠(yuǎn)星系的觀測(cè)證據(jù)所證實(shí),因?yàn)殛P(guān)于大爆炸理論的科學(xué)性,最直接、最無可辯駁的證據(jù),來自對(duì)遙遠(yuǎn)星系光線特征的研究。
![]()
1929年,美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃在威爾遜山天文臺(tái),利用當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡,進(jìn)行了一項(xiàng)改變?nèi)祟愑钪嬗^的觀測(cè),他發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系都在遠(yuǎn)離我們,遙遠(yuǎn)星系的光譜顏色,比近處星系的要稍微“紅”一些,因?yàn)楣獠ㄔ谶h(yuǎn)離我們時(shí)波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng),這在物理學(xué)上被稱為“紅移”現(xiàn)象,更驚人的是星系的距離越遠(yuǎn),它就顯得越紅,意味著它遠(yuǎn)離我們的退行速度就越快。
![]()
哈勃的這個(gè)重大發(fā)現(xiàn),一錘定音地奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ),它證明了宇宙確實(shí)在膨脹,這個(gè)發(fā)現(xiàn)也反過來印證了勒梅特的理論,如果宇宙正在膨脹,那么它必然存在一個(gè)膨脹的起點(diǎn),那個(gè)被嘲笑了近十年的“原始原子”理論,一夜之間從神學(xué)猜想,變成了物理學(xué)的前沿。
![]()
那么大爆炸的時(shí)候到底發(fā)生了什么?
我們無法“觀測(cè)”那個(gè)瞬間,但物理學(xué)允許我們“回溯”,讓我們把時(shí)間撥回到138億年前,去看那場(chǎng)起源的黎明。
普朗克時(shí)代(0 - 10^-43秒):
![]()
在宇宙誕生最初的1/萬億億億億億秒內(nèi),宇宙的溫度高達(dá)10^32 開爾文,能量密度大到我們已知的物理學(xué)(包括廣義相對(duì)論和量子力學(xué))全部失效。時(shí)間與空間的概念在此刻沒有意義,這是一個(gè)物理學(xué)無法描述的“奇點(diǎn)”。
暴漲時(shí)期(10^-36秒 - 10^-32秒):
![]()
普朗克時(shí)代結(jié)束后,宇宙開始膨脹并冷卻。時(shí)空結(jié)構(gòu)在極其短暫的時(shí)間內(nèi),經(jīng)歷了一場(chǎng)指數(shù)級(jí)的、遠(yuǎn)超光速的瘋狂擴(kuò)張,這就是著名的“暴漲時(shí)期”。這場(chǎng)暴漲如同一次創(chuàng)世的“神之呼吸”,它將宇宙從一個(gè)亞原子大小的點(diǎn),瞬間“吹”到了一個(gè)宏觀的尺度,并將宇宙的溫度和結(jié)構(gòu)拉伸得極其均勻。
粒子時(shí)代(10^-32秒 - 3分鐘):
![]()
當(dāng)宇宙降溫至約10^27 開爾文時(shí),能量開始“凝結(jié)”成物質(zhì)。最初的粒子誕生了,夸克、輕子、光子在能量的海洋中翻騰。這些夸克迅速結(jié)合成質(zhì)子(氫原子核)和中子,它們成為了宇宙的第一批“磚石”。
核合成時(shí)期(3分鐘 - 20分鐘):
![]()
在“創(chuàng)世”的3分鐘之后,宇宙已經(jīng)冷卻到10^9 開爾文,這依然是一個(gè)無法想象的高溫,但已經(jīng)“涼爽”到足以讓質(zhì)子和中子開始結(jié)合,形成更穩(wěn)定的原子核。此時(shí),宇宙中一切更重的元素都還不存在,宇宙只是一片由75%的氫原子核、25%的氦原子核,以及海量光子和電子構(gòu)成的熾熱“霧靄”。
在此后的長(zhǎng)達(dá)38萬年里,宇宙一直是一片不透明的“等離子體海洋”,在這鍋“光之湯”里,光子(光)無法自由傳播,它們每前進(jìn)一步就會(huì)立刻撞上一個(gè)自由的電子或質(zhì)子,被不斷地散射、吸收和再釋放。
![]()
直到第38萬年,一個(gè)奇跡發(fā)生了,宇宙的溫度終于降至約3000 開爾文。這個(gè)溫度已經(jīng)低到足以讓“帶負(fù)電”的電子與“帶正電”的原子核(質(zhì)子)相互吸引,并最終結(jié)合成電中性的“氫原子”,當(dāng)電子被原子核“捕獲”后,它們不再阻礙光子的去路,光子終于掙脫了束縛,獲得了前所未有的自由。
整個(gè)宇宙在瞬間變得“透明”,那些在138億年前被“解放”的、最古老的光子,至今仍在穿越宇宙。它們的身影,就是我們?cè)?965年意外探測(cè)到的“宇宙微波背景輻射”(CMB)。
![]()
1965年兩位來自美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師,阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在調(diào)試一根高靈敏度的射電天線時(shí),意外發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的、無處不在的“背景噪音”,無論他們?cè)趺凑{(diào)整天線的方向(甚至清理了天線上的鴿子糞),這種噪音都頑固地存在。
他們發(fā)現(xiàn)的正是來自厘米波段的背景噪聲,后來經(jīng)過進(jìn)一步測(cè)量和計(jì)算,得出這種背景輻射的溫度是2|7 開爾文(即零下270.45攝氏度),這就是我們現(xiàn)在熟知的3K宇宙微波背景輻射。
![]()
這一發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為大爆炸理論的“決定性證據(jù)”,是“創(chuàng)世”的回聲,它為觀測(cè)宇宙學(xué)開辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域,被列為20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一,彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
![]()
之后宇宙雖然變得透明,但也進(jìn)入了一段長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年的、沒有“新光源”的“黑暗時(shí)代”,沒有恒星沒有行星,只有冷卻的氫氣和氦氣,在廣闊的虛空中漂浮,直到幾億年后,在引力的緩慢而耐心的作用下,這些氣體云開始坍縮,第一批恒星在黑暗中被點(diǎn)燃,它們撕開了宇宙的黑幕,將宇宙“重新照亮”。
![]()
這些“初代恒星”是真正的巨獸,它們龐大、熾熱、短命,它們以最原始的氫和氦為燃料,當(dāng)它們?nèi)紵M并爆炸為超新星時(shí),才在核聚變的熔爐中,鍛造出了更重的元素,碳、氧、鐵、硅,這些“星辰的灰燼”,最終構(gòu)成了第二代、第三代恒星(如我們的太陽),構(gòu)成了行星、大地、海洋,也構(gòu)成了我們身體中的每一個(gè)原子。
![]()
宇宙就這樣,從最初那一個(gè)不可思議的量子漲落,最終演化成了今天億萬星系的宏偉圖景,如今的我們知道,宇宙不僅仍在膨脹,而且在“暗能量”這股神秘力量的驅(qū)動(dòng)下,正在加速膨脹。它像一股無形的風(fēng),將星系彼此推離。
![]()
最終的結(jié)局也許是“熱寂”:所有星系都遠(yuǎn)離彼此,直至夜空變得空無一物,所有恒星熄滅,能量均勻分布,溫度趨近絕對(duì)零度,也許是“大坍縮”,宇宙在引力下重新收縮歸于一點(diǎn),也許是“大撕裂”,宇宙被加速膨脹的力量撕成基本粒子。
![]()
但我們并不是宇宙的“過客”,我們是由138億年前那場(chǎng)大爆炸的“原材料”構(gòu)成的,我們是大爆炸的“見證者”。
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶上傳并發(fā)布,本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.