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宇宙探索之什么是宇宙,什么是探索宇宙2——宇宙大爆炸

生活常见百科知识 1976 6℃ 0评论

今天跟随时间的足迹小史要和大家聊聊宇宙大爆炸了,马上就要进入宇宙那个神秘的宇宙大爆炸。

宇宙起源与形成的最广泛的认知是距今138亿年前发生的大爆炸(Big Bang)。宇宙由一个密度极大、温度极高的太初状态(奇点)经过不断膨胀到达今天的状态。大爆炸学说的模型框架基于爱因斯坦的广义相对论。随着人类对于自身和宇宙起源的认知不断完善大爆炸理论也在不断的演变中。

初始阶段

许多人不知道的是,与大爆炸理论已经成为常识的今天相比,在该理论刚刚提出之后的很长一段时间,世界科学界对其的态度是“嗤之以鼻”的。

这种奇怪的现象,是因为当时的科学界受进化论推翻“上帝创造论”的哲学思潮影响,盲目地反对传统理论,不承认如《圣经》所言,宇宙是有一个起点的。这一时期的西方科学界普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的。因此对于所有涉及说宇宙和万物都“有一个起点”的理论一概不予承认。包括像爱因斯坦这样的大科学家也受其影响。爱因斯坦在总结引力场方程,发现这个Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式将推导出宇宙其实是一个有着从未停止的物质变化的动态宇宙,于是在该公式中又强加了一个“宇宙常数”,以维持静态宇宙的计算结果。也就是说,最初的场方程其实是这样的:∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv,其中常数“∧”为宇宙常数。

验证阶段

但是自从1922年美国天文学家埃德温·哈勃开始观测到到“红移现象”开始,有关“宇宙膨胀”的观点开始形成。

1929年,埃德温·哈勃总结出了一个具有里程碑意义的发现,即:不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去,而近处的星系正在向我们靠近。换言之,宇宙正在不断膨胀。这意味着,在早先星体相互之间更加靠近。事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙处于一个密度无限的奇点。

听闻此事的爱因斯坦很快来到哈勃工作的威尔逊天文台,在哈勃的带领下亲自进行了红移现象的观测。访问结束后,爱因斯坦公开承认了自己主观意识影响科学结论的错误,并去掉了场方程中的宇宙常数,于是就有了我们今天所熟知的爱因斯坦场方程(Einstein Field Equation)。

成熟阶段

1948年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是一种在各处同时发生,从一开始就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。”整个空间”可以指的是整个无限的宇宙,或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。

根据大爆炸宇宙论,早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

大爆炸理论的科学性令人不得不信服。最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究。20年代,天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)研究了维斯托·斯里弗(Vesto Slipher)所作的观测。他注意到,远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红化,并作了一张图。他发现,这种红化(红移)是系统性的,星系离我们越远,它就显得越红。

光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝光位于短波端,红光位于长波端。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后,哈勃证实了这个效应。他认为,光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果。哈勃的这个重大发现就奠定了现代宇宙学的基础。

膨胀中宇宙的性质使许多人困惑不解。从地球的角度来看,好像遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但是,这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言,宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。可以说每一点都是中心,又没有一点是中心(解释得最好的是一幅画:三维空间的切割)。我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀,而不是星系在空间中运动。这一点与我们日常生活中见到的源于一点的爆炸不同。

空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪,不过这却是1915年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念。广义相对论认为,引力实际上是空间(严格地说是时空)弯曲或变形的一种表现。从某种意义上来说空间是有弹性的,可以按某种方式弯曲或伸长,具体情况取决于物质的排列。这个思想已为观测所充分证实。

现代争论

美国的的科学家在2014年9月28日用数学的方法证明了“黑洞是不存在的”。

据美国物理学家组织网站报道,美国北卡罗来纳州大学教堂山分校的理论物理学家劳拉·梅尔西尼·霍顿在在线物理学知识库ArXiv发表文章称,她已经用数学证明了“黑洞是不存在的”。一旦她的观点被科学界论证是正确之后,现代物理学对于宇宙的起源学说将可能被全部推翻 [3] 。

报道指出,劳拉的理论使用了数学方法,将万有引力理论和量子力学理论和谐地融合在了一起:得出的结论就是人们“黑洞并不存在”。她和霍金都认为当恒星死亡坍塌时,会释放出霍金提出的辐射。在这个过程中,星球自身也将流失一大部分的质量,最终,死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。

如果这条理论被证实是正确的,大爆炸理论可能会因此而被推翻,甚至于现代物理学对于宇宙的起源学说可能将被全部推翻,亦或是融合万有引力理论和量子力学理论的新理论中设定“黑洞不存在”。

本文源自头条号:小史说古今

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