每次讀到“宇宙誕生于138億年前”,總有人會問:那在這之前呢?139億年前的宇宙又是什么樣子?難道時間是從某個“開關”被按下之后 ,才開始流動的嗎?這個看似簡單的問題,卻直接捅到了現代物理學的天花板,因為我們熟悉的“過去、現在、未來”,或許根本不存在于所謂的“宇宙誕生之前”。
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舉個例子,假如我問你“中國的北邊是什么?”,你應該會回答蒙古或者俄羅斯。但如果我問“地球的北邊是什么”,問題就失效了,因為地球的表面是一個閉合球體,北極點之外再無北。同樣的,時間可能并非是一條無限延伸的直線。根據大爆炸理論,宇宙的膨脹不僅是空間的擴張,更是時間本身的誕生。
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既然如此,宇宙的年齡又是怎么算出來的?這其實是根據大爆炸理論所推算出的結果。1929年,天文學家哈勃通過觀察宇宙,首次發現了星系的紅移現象:那些距離我們遙遠的星系,正在遠離我們,而且距離我們越遠,遠離的速度也越快。
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于是得出一個結論:星系的退行速度和距離成正比,這就是哈勃定律。這一發現表明宇宙是不斷膨脹的,而哈勃常數就是反映了宇宙膨脹速率的一個參數,從理論上說,把哈勃常數精確的算出來,就能得到宇宙的年齡。
于是,科學家們利用造父變星、la型超新星這類本身亮度穩定并且已知的天體,通過測量它們的亮度測算出距離,再結合這些天體的退行速度最終得到宇宙的年齡大約是138億年。
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既然宇宙在不斷膨脹,那么時間一直往前倒退,宇宙就應該誕生于一個點,一個溫度極高、密度極大的奇點,然后因為某種原因突然開始膨脹,并在膨脹的過程中慢慢降溫,同時物質、星系、恒星漸漸出現,這就是目前關于宇宙起源,最主流的假說:大爆炸理論。
我們知道,像物理化學生物這些學科,它們的理論靠不靠譜,做個實驗就能輕松驗證,那么天文學的理論又該怎么去驗證?提出這套理論的科學家們,其實給出了兩個非常充分的證據,一個是宇宙微波背景輻射,另一個則是氦元素豐度,具體內容這里就不再贅述,之后再慢慢講。
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除此之外,還可能計算古老恒星的年齡來驗證,畢竟宇宙的年齡一定是會大于任何恒星的年齡的,最終發現那些恒星的年齡也都在110-130億年,也算是間接驗證了大爆炸理論,正是有了這些符合實際觀測的證據,才使得宇宙大爆炸模型成為了主流理論。
至于138億年前到底發生了什么,雖然目前沒有明確的答案,但存在幾種主流觀點。
- 量子漲落
根據量子力學這一理論,量子世界中存在不確定性。量子漲落通俗來說就是,真空中可以隨機產生虛粒子對,它們也能在非常短的時間內湮滅。很多科學家據此大膽猜測了宇宙的起源。
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他們認為,在宇宙誕生前,量子漲落可能使能量和物質從無到有,比如在暴脹理論中,早期的宇宙經歷了快速暴漲的階段,量子漲落為暴漲提供了種子,在暴漲的過程中,這些種子不斷被放大,直到最后演化出恒星、星系等天體結構。
- 循環宇宙模型
這個觀點認為,宇宙一直在不斷地膨脹、收縮,反復重復這個過程。當宇宙在某一天停止膨脹的時候,由于引力是一種長程力,在引力的作用下宇宙開始慢慢收縮,直到收縮到”奇點“狀態,宇宙大爆炸就會再次發生。根據這個觀點,在139億年前,就是上個剛收縮完的宇宙。
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- 多元宇宙假說
這個觀點認為,我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個,就像地球只是太陽系中的一個星球一樣。泡沫宇宙假說就曾提出,宇宙就像一個又一個的泡泡,不同的泡泡宇宙各不相同,如果它們發生撞擊,就會產生一次”宇宙大爆炸“,從而產生一個新的宇宙。但是,這種說法目前也只停留在理論猜想階段,畢竟我們也沒看到過有其它宇宙的存在。
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回顧天文學發展這幾百年,其實非常艱難,因為僅僅在地球上仰望星空,能獲取到的信息量非常少,天文學家只能基于現有的觀測,去構建一個模型框架,然后在不斷檢驗和預測中,對模型進行迭代完善,因此即使是大爆炸理論也有它無法解釋的東西,期待科學家未來繼續完善它。
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