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同样是宇宙起源论,宇宙是如何开始的

其实并不存在“宇宙大爆炸之前”——宇宙大爆炸创造了如我们现在所知的时间与空间。

天文学家将数学模型与观测相结合,以发展宇宙形成的可行理论。大爆炸理论的数学基础包括爱因斯坦的广义相对论以及基本粒子的标准理论。今天,美国航天局的航天器哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜等会继续测量宇宙的膨胀情况。

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我们怎么到这里来的?为了了解宇宙是如何从大爆炸后的初始状态(只冷却质子和电子等基本粒子)变成如今我们夜空中一抹壮丽的风景的,我们必须要了解恒星、星系和行星是如何形成的。

在宇宙大爆炸发生的那一刻,物理宇宙中所有的事物都从一个奇点(一个热量无限高、密度无限大的点)中扩展出来。我们得记得不能把宇宙大爆炸想象成发生在空间某一点上的普通爆炸,这一点很重要。毕竟,空间本身扩空间不是在时间里增长,空间是和时间一同在扩张。

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北京时间6月19日消息,据国外媒体报道,“大爆炸”一词对不同的人有不同的含义,最普遍的含义是,它描述了可观测宇宙从致密、炽热的原始状态变得稀薄、不断冷却的过程,根据这一描述,宇宙正在不断扩张,而这一理论就像生物学界的“适者生存”学说一样,很少有人质疑。

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▲空间度量扩展的时间线,其中空间(包括假设的宇宙不可观测部分)每次都由圆形截面表示。在左边,指数式的膨胀发生在宇宙暴胀时期;在中间的是,宇宙加速膨胀的图形。图:NASA/WMAP Science Team

大爆炸理论还代表着宇宙学家根据如今观察到的蛛丝马迹、还原宇宙140亿年历史的最佳尝试,说得更具体些,大爆炸还可以指可观测宇宙的诞生,即事物开始变化、最终导致如今的一系列事件发生的那一瞬间。

宇宙中每一圆盘都是一个又一个的“星系”

爱因斯坦的广义相对论支持了这种宇宙诞生的构想。根据相对论,空间和时间会被“缝合”在一个称为“时空”的四维连续统中。此外,时空构造不仅仅是物质和物理宇宙相互影响过程的平面舞台。大量生成的引力场的存在令时空扭曲。时空的曲率管控着粒子的运动,包括光子,尽管它们是没有质量的。就如同20世纪著名的物理学家约翰·惠勒打趣时说的:物质告诉时空怎样弯曲,时空告诉物质如何运动。

1 大爆炸理论

关于那短短的一瞬间里究竟发生了什么,宇宙学家已经争论了数十年,且至今仍未有定论。

人们对于宇宙基本成分的产生与演变有很多疑问。天文学家必须解决的一个基本问题是:宇宙是如何创造出最初的恒星和星系的?一旦这些实体被创造出来,它们是如何影响星系、恒星和行星的形成的?这是个重要的问题,因为后来的星系只能由第一代星系的元素构成。

通过把时空理解成物理宇宙中起作用的一部分,我们能更容易想象空间与时间在宇宙大爆炸的那一刻是怎样形成的,伴随着我们在宇宙中能观测到的一切事物。

大爆炸理论是从已知的宇宙最早时期到随后的大规模演化到我们现在的可观测宇宙的一种主要宇宙学模型。

经典大爆炸理论

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该模型描述了宇宙是从一个温度和密度高得不可思议的一种初始状态演化而来,我们观测到的丰富的光元素,宇宙微波背景辐射(CMB, Cosmic microwave background radiation)以及大尺度结构和哈勃定律都可以解释这一点(星系距离地球越远,其远离地球的速度也就越快)。

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黑洞是否由宇宙和第一代恒星创造,或是这些奇异的物质是否由第一代恒星创造,至今仍不清楚。因为黑洞代表了时空中最极端的物理条件,并且继大爆炸之后有着强大的能量,所以,它们是检验宇宙理论的终级实验室。

宇宙大爆炸发生在哪里?

如果使用目前已知的两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理,我们可以将时间往后回溯。那么可以假设最开始的状态,在一个密度高得不可思议的状态的有限时间之前,存在一个奇点,它通常与大爆炸有关。

在人类历史的大部分时间里,观星者们都认为宇宙是永恒、亘古不变的,而埃德温·哈勃在上世纪20年代进行的观测引起了轩然大波:他的观测显示,银河系之外不仅存在其它星系,且这些星系的光线呈拉伸状,这一迹象说明它们正在远离地球。

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宇宙大爆炸发生在哪里?在哪个星座呢?我们应该观察在那个方向的更年轻星系和在相反方向的更古老星系吗?

目前物理学家们还不确定这是否意味着宇宙是从奇点开始的,也许是当前的知识还不足以描述当时的宇宙状态。天文学家利用哈勃望远镜对宇宙膨胀率的详细测量,我们得出了宇宙大爆炸发生在大约138亿年前,这一数字被规定为宇宙的年龄。(后来,利用地面及哈勃望远镜进行连续观测,发现宇宙膨胀率不是一个定量,而是存在一个特殊的“暗能量”产生加速度膨胀,以此测定宇宙年龄为130亿年至140亿年。)

当代比利时物理学家乔治·勒梅特将哈勃等人的观测数据解读为宇宙正在扩张的证据,而就在这不久之前,爱因斯坦刚刚发布了广义相对论的场方程,也提出了宇宙扩张的可能性,勒梅特向前倒推,认为各个星系如今虽彼此分离,但最开始必定都聚集在他所谓的“原始原子”中。

描述宇宙膨胀的艺术构想图,其中横坐标表示宇宙演化的时间,而对应的空间尺寸(包括想象中的不可观测部分)都用相应的圆横截面表示。左端表示在暴胀时期发生的急速膨胀,而当宇宙演化到中期时开始加速膨胀。而微波背景辐射的形成、恒星形成、星系形成以及WMAP的出现都在相应的时间上表示出来。

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在宇宙最初的膨胀之后,宇宙的温度开始慢慢冷却,直到其温度低到可以形成亚原子粒子,然后形成一些简单的原子。这些原始元素(主要是氢元素,也含有其它的一些氦)组成的巨大云团后来通过引力合并坍缩,并最终形成了早期的恒星和星系,这些恒星和星系的演化结果就是我们今天看到的宇宙。

勒梅特的理论就是现在所说的“宇宙大爆炸”,而“大爆炸”一次的首次公开使用,其实出自该理论的批评者、英国天文学家弗雷德·霍伊尔。

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除了这些以外,天文学家还观察到了星系周围暗物质导致的引力效应。宇宙中的大部分物质似乎都是以暗物质的形式存在的,大爆炸理论和各种观察似乎表明暗物质并不是由传统的重子物质构成的,它究竟是由什么构成的目前还尚不清楚。

1949年3月28日,霍伊尔在为自己支持的理论辩论时,首次创造了这个词。他认为宇宙是永恒的,会不断创造出新物质、以弥补宇宙扩张造成的物质稀释,霍伊尔称“宇宙中的全部物质均诞生于遥远过去某个特定时间点发生的一场大爆炸”的说法并不合理。

我们现在知道宇宙有一个“泡沫”状的结构。组成可见宇宙的星系和星系团集中在一个复杂的框架中,这个框架环绕着一个巨大的宇宙空间网络。然而,除了构成宇宙可见部分的“正常”物质外,科学家们还发现了大量的不可见物质,这就是所谓的“暗物质”,它大约占宇宙总物质能量的27%,而可见部分仅占总量的5%左右。显然,如果我们想要了解宇宙的结构及其产生和演变过程,我们必须首先了解这个重要却看不见的暗物质的分布,以及它是如何与正常物质相互作用和影响的。

这个示意图展示了空间随着时间变化的扩张

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“大爆炸这个词很差劲!”

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NASA/空间望远镜研究所/ Ann Feild

▲艺术家绘制的威尔金森微波各向异性探测器采集数据的景象,图:Tempshill

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哈勃超深空场描绘了远古时代的星系图景,根据大爆炸理论,它们处于一个更年轻、更致密且更炽热的宇宙。

这是关于宇宙大爆炸最普遍的错误观念:它发生在先前存在的真空区里的一些特定点上,就像一枚爆炸的手榴弹,里面有着像弹片一样的星系。事实上,宇宙大爆炸不仅诞生了物质,也产生了空间本身。之后空间扩展,空间里的物质变得稀薄。换句话说,宇宙大爆炸就发生在你正坐着的地方,或者其他任何地方。

2 大爆炸理论和稳态理论

普林斯顿大学宇宙学家保罗·施泰因哈特指出,用“大伸展“可能更为贴切。施泰因哈特认为,“爆炸”这一意象容易导致混淆,它暗示着存在一个中心点、不断向外扩张的边缘、以及小碎片在前、大石块在后的飞散景象,但宇宙扩张与这些描述大相径庭,并不存在所谓的中心点和边缘,并且大小星系散开的速度并无区别(尽管在暗能量的影响下,远处星系的运动速度会更快一些)。

尽管天文学家研究恒星已有数千年的历史,但只有在过去的35年左右的时间里,他们才能够利用多种仪器观测从无线电波到伽马射线整个电磁光谱,并得以透过星尘看到恒星诞生在我们自己的星系。如果要深入理解宇宙是如何创造出恒星以及如今环绕它们运行的行星的,我们必须用更强大的望远镜来继续研究。

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自从1927年乔治·勒梅特(Georges Lemaître)第一次注意到一个膨胀的宇宙可以追溯到一个起源的单点以来,科学家们就一直建立在宇宙膨胀的观点之上。

不管名字起得是否贴切,大爆炸理论能够很好地解释我们的观测结果,这一点暂无其它理论能够比拟,因此被人们广泛接受,例如,在宇宙刚刚诞生的三分钟之内,光与质子和中子等粒子之间达到的平衡使早期元素形成的速率,刚好与现在宇宙中氦和其它轻原子的数量相符。

相关知识

简而言之,用电梯演讲的说法:宇宙大爆炸在同一时间发生在各个地方。各个地方都由小变大。仔细想想,你就能准确地理解它了。

科学界曾经被划分为两种不同理论的支持者,即大爆炸理论和稳态理论,但大量的经验证据都强烈支持大爆炸理论,这一理论现在已被普遍接受。

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宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体;它包含了行星、恒星、星系、星系际空间、次原子粒子以及所有的物质与能量,宇指空间,宙指时间。目前人类可观测到的宇宙,其距离大约为93 × 10^⁹光年,最大为27160百万秒差距;而整个宇宙的大小可能为无限大,但未有定论。

相关知识

1929年,根据对星系红移的分析,埃德温哈勃得出了一种结论:星系正在远离地球!这一重要观测证据与宇宙膨胀假说非常一致。

当时有一段短暂的窗口期,让原子核得以形成,在此之后,宇宙就一直在扩张,这些元素就无法相遇了;而在此之前,环境又过于炽热。

大爆炸又称大霹雳,是描述宇宙的源起与演化的宇宙学模型,这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的。

大爆炸,是描述宇宙的源起与演化的宇宙学模型,这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的。

1964年,科学家们发现了宇宙微波背景辐射,这是支持大爆炸理论的关键性证据,因为该理论预测了在大爆炸之前必定会存在充满整个空间的宇宙背景辐射。

在接下来的37.8万年中,宇宙中充满了云雾状的等离子体,直到宇宙进一步冷却之后,电子和质子才形成了中性的氢原子,这团“雾”才散去。这一过程中还释放出了光线,光线的波长又进一步延长、变成微波,这是研究人员能够直接研究的、已知的最早对象,它们被称作“宇宙微波背景辐射”,被许多研究人员视为宇宙大爆炸理论的最有力证据。

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根据2015年普朗克卫星所得到的最佳观测结果,宇宙大爆炸距今137.99 ± 0.21亿年,并经过不断的膨胀到达今天的状态。

GPI视讯直播 ,最近,对超新星红移的测量表明,宇宙的膨胀正在加速,这一观测让我们意识到暗能量可能存在于宇宙空间的任意角落。

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根据大爆炸理论,宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态。

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目前已知的自然物理定律可以用来详细计算宇宙的特性,电脑的建模,可以让宇宙回溯到极端密度和温度高得无法想象的太初状态。

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大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳态学说的倡导者,他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺,但霍伊尔本人明确否认了这一点,他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。

(虽然在宇宙学中大爆炸模型已经建立得相当完善,在将来它仍然非常有可能被修正,例如对于宇宙诞生最早期的那一刻人们还几乎一无所知。对于大爆炸后最初的几分钟,相关的观测严重缺乏,最早期宇宙物质——能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。)

但随着宇宙学家不断追根溯源、进一步考察宇宙的早期历史,故事的真相也逐渐浮出水面,广义相对论方程指出,宇宙初始时是一个温度无限高、密度无限大的小点,即所谓的奇点,但这一理论不仅在物理学上说不通,也与光滑、平坦的宇宙微波背景不符。

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奇点的超高温和高密度的波动会使宇宙各处性质各异,但宇宙微波背景的变化幅度非常小,时空曲率看上去也非常平坦,说明物质与曲率在初始时达到了近乎完美的平衡状态,这在大多数宇宙学家看来都十分不可思议。

表示宇宙中不同能量密度组成比例的饼图,根据与观测最相符合的ΛCDM模型,有95%的成分都以充满奇异性质的暗物质和暗能量形式存在。

▲哈勃超深空场描绘了远古时代的星系图景,根据大爆炸理论,它们处于一个更年轻、更致密且更炽热的宇宙。图:NASA and the European Space Agency. Edited by Noodle snacks

上世纪80年代,美国宇宙学家阿兰·古斯对宇宙刚刚诞生时发生的事件提出了一套新构想,认为在刚开始的一瞬间,宇宙的膨胀速度远远高出如今的膨胀速度,而在某个时间点上,这个过程停止了,产生了大量致密而炽热的粒子,取代了原先的奇点。“在我看来,宇宙变热的时候就是所谓的宇宙大爆炸。”

霍伊尔后来为恒星核合成的研究做出了重要贡献,这是恒星内部通过核反应利用氢元素制造出某些重元素的途径。1964年发现的宇宙微波背景辐射是支持大爆炸确实发生的重要证据,特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后,大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。

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该理论名叫膨胀理论,如今有众多理论模型在与之竞争,虽然没人知道宇宙为何扩张得如此迅速,但由于该理论能够很好地解释光滑平坦的宇宙微波背景(膨胀保留了较小的波动,抹平了较大的波动),其支持者越来越多。

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其它理论

根据大爆炸理论,宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态。

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而近期的研究使膨胀理论产生了一些波澜。研究显示,宇宙中部分区域(如我们的可观测宇宙)的膨胀可能会停止,而其它区域的膨胀则可能持续下去,这就将宇宙割裂成了一系列相互独立的区块,各自拥有“一套能够想象得到的宇宙性质”。许多物理学家并不喜欢这种“多重宇宙”的构想,因为它会产生无数种无法测验真伪的推测。

宇宙学家认为,就像引起轻微的温度和密度变化一样,宇宙膨胀会在宇宙微波背景中产生贯穿星系的引力波,现有的实验技术应该已经足够敏感、能够监测到这一现象,但直至目前,我们仍未观察到这种原始的时空涟漪。

许多研究人员还在等待更加精确的宇宙微波背景测量技术,对目前的多种膨胀模型进行证实或证伪,但其他物理学家并不认为宇宙的“光滑”存在任何问题,也许宇宙刚开始时就是四处均等一致的,无需更多解释。

虽然实验学家还在努力提高实验技术的精确度,但一些理论学家已经放弃了膨胀理论,试图寻找其它能解释宇宙为何如此“平坦”的理论,例如正在研究“大跳跃”模型,该模型认为,宇宙的起始点比原先认为的还要早,宇宙曾经历过一段时期的收缩,使时空变得平滑,为后来发生的爆炸性扩张做好准备。宇宙学家希望能发现一些新迹象,并借此提出新理论。

宇宙中还能找到其它可观测的特征吗?过几年再来问宇宙学家这个问题,希望到时已经有了答案。

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