爭論中的“大爆炸”：宇宙是如何開始的？

來源：新浪科技 發(fā)布時間：2019-06-19瀏覽：3015次

爭論中的“大爆炸”：宇宙是如何開始的？

　　新浪科技訊 北京時間6月19日消息，據(jù)國外媒體報道，“大爆炸”一詞對不同的人有不同的含義，最普遍的含義是，它描述了可觀測宇宙從致密、熾熱的原始狀態(tài)變得稀薄、 不斷冷卻的過程，根據(jù)這一描述，宇宙正在不斷擴張，而這一理論就像生物學(xué)界的“適者生存”學(xué)說一樣，很少有人質(zhì)疑。

　　大爆炸理論還代表著宇宙學(xué)家根據(jù)如今觀察到的蛛絲馬跡、還原宇宙140億年歷史的最佳嘗試，說得更具體些，大爆炸還可以指可觀測宇宙的誕生，即事物開始變化、最終導(dǎo)致如今的一系列事件發(fā)生的那一瞬間。

　　關(guān)于那短短的一瞬間里究竟發(fā)生了什么，宇宙學(xué)家已經(jīng)爭論了數(shù)十年，且至今仍未有定論。

　　經(jīng)典大爆炸理論

　　在人類歷史的大部分時間里，觀星者們都認(rèn)為宇宙是永恒、亙古不變的，而埃德溫·哈勃在上世紀(jì)20年代進(jìn)行的觀測引起了軒然大波：他的觀測顯示，銀河系之外不僅存在其它星系，且這些星系的光線呈拉伸狀，這一跡象說明它們正在遠(yuǎn)離地球。

　　當(dāng)代比利時物理學(xué)家喬治·勒梅特將哈勃等人的觀測數(shù)據(jù)解讀為宇宙正在擴張的證據(jù)，而就在這不久之前，愛因斯坦剛剛發(fā)布了廣義相對論的場方程，也提出了宇宙擴張的可能性，勒梅特向前倒推，認(rèn)為各個星系如今雖彼此分離，但最開始必定都聚集在他所謂的“原始原子”中。

　　勒梅特的理論就是現(xiàn)在所說的“宇宙大爆炸”，而“大爆炸”一次的首次公開使用，其實出自該理論的批評者、英國天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾。

　　1949年3月28日，霍伊爾在為自己支持的理論辯論時，首次創(chuàng)造了這個詞。他認(rèn)為宇宙是永恒的，會不斷創(chuàng)造出新物質(zhì)、以彌補宇宙擴張造成的物質(zhì)稀釋，霍伊爾稱“宇宙中的全部物質(zhì)均誕生于遙遠(yuǎn)過去某個特定時間點發(fā)生的一場大爆炸”的說法并不合理。

　　“大爆炸這個詞很差勁！”

　　普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家保羅·施泰因哈特指出，用“大伸展“可能更為貼切。施泰因哈特認(rèn)為，“爆炸”這一意象容易導(dǎo)致混淆，它暗示著存在一個中心 點、不斷向外擴張的邊緣、以及小碎片在前、大石塊在后的飛散景象，但宇宙擴張與這些描述大相徑庭，并不存在所謂的中心點和邊緣，并且大小星系散開的速度并 無區(qū)別（盡管在暗能量的影響下，遠(yuǎn)處星系的運動速度會更快一些）。

　　不管名字起得是否貼切，大爆炸理論能夠很好地解釋我們的觀測結(jié)果，這一點暫無其它理論能夠比擬，因此被人們廣泛接受，例如，在宇宙剛剛誕生的三分鐘之內(nèi)，光與質(zhì)子和中子等粒子之間達(dá)到的平衡使早期元素形成的速率，剛好與現(xiàn)在宇宙中氦和其它輕原子的數(shù)量相符。

　　當(dāng)時有一段短暫的窗口期，讓原子核得以形成，在此之后，宇宙就一直在擴張，這些元素就無法相遇了；而在此之前，環(huán)境又過于熾熱。

　　在接下來的37.8萬年中，宇宙中充滿了云霧狀的等離子體，直到宇宙進(jìn)一步冷卻之后，電子和質(zhì)子才形成了中性的氫原子，這團“霧”才散去。這一 過程中還釋放出了光線，光線的波長又進(jìn)一步延長、變成微波，這是研究人員能夠直接研究的、已知的最早對象，它們被稱作“宇宙微波背景輻射”，被許多研究人 員視為宇宙大爆炸理論的最有力證據(jù)。

　　爆炸性的更新

　　但隨著宇宙學(xué)家不斷追根溯源、進(jìn)一步考察宇宙的早期歷史，故事的真相也逐漸浮出水面，廣義相對論方程指出，宇宙初始時是一個溫度無限高、密度無限大的小點，即所謂的奇點，但這一理論不僅在物理學(xué)上說不通，也與光滑、平坦的宇宙微波背景不符。

　　奇點的超高溫和高密度的波動會使宇宙各處性質(zhì)各異，但宇宙微波背景的變化幅度非常小，時空曲率看上去也非常平坦，說明物質(zhì)與曲率在初始時達(dá)到了近乎完美的平衡狀態(tài)，這在大多數(shù)宇宙學(xué)家看來都十分不可思議。

　　上世紀(jì)80年代，美國宇宙學(xué)家阿蘭·古斯對宇宙剛剛誕生時發(fā)生的事件提出了一套新構(gòu)想，認(rèn)為在剛開始的一瞬間，宇宙的膨脹速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出如今的膨 脹速度，而在某個時間點上，這個過程停止了，產(chǎn)生了大量致密而熾熱的粒子，取代了原先的奇點?！霸谖铱磥恚钪孀儫岬臅r候就是所謂的宇宙大爆炸?！?/p>

　　該理論名叫膨脹理論，如今有眾多理論模型在與之競爭，雖然沒人知道宇宙為何擴張得如此迅速，但由于該理論能夠很好地解釋光滑平坦的宇宙微波背景（膨脹保留了較小的波動，抹平了較大的波動），其支持者越來越多。

　　其它理論

　　而近期的研究使膨脹理論產(chǎn)生了一些波瀾。研究顯示，宇宙中部分區(qū)域（如我們的可觀測宇宙）的膨脹可能會停止，而其它區(qū)域的膨脹則可能持續(xù)下去， 這就將宇宙割裂成了一系列相互獨立的區(qū)塊，各自擁有“一套能夠想象得到的宇宙性質(zhì)”。許多物理學(xué)家并不喜歡這種“多重宇宙”的構(gòu)想，因為它會產(chǎn)生無數(shù)種無 法測驗真?zhèn)蔚耐茰y。

　　宇宙學(xué)家認(rèn)為，就像引起輕微的溫度和密度變化一樣，宇宙膨脹會在宇宙微波背景中產(chǎn)生貫穿星系的引力波，現(xiàn)有的實驗技術(shù)應(yīng)該已經(jīng)足夠敏感、能夠監(jiān)測到這一現(xiàn)象，但直至目前，我們?nèi)晕从^察到這種原始的時空漣漪。

　　許多研究人員還在等待更加精確的宇宙微波背景測量技術(shù)，對目前的多種膨脹模型進(jìn)行證實或證偽，但其他物理學(xué)家并不認(rèn)為宇宙的“光滑”存在任何問題，也許宇宙剛開始時就是四處均等一致的，無需更多解釋。

　　雖然實驗學(xué)家還在努力提高實驗技術(shù)的精確度，但一些理論學(xué)家已經(jīng)放棄了膨脹理論，試圖尋找其它能解釋宇宙為何如此“平坦”的理論，例如正在研究 “大跳躍”模型，該模型認(rèn)為，宇宙的起始點比原先認(rèn)為的還要早，宇宙曾經(jīng)歷過一段時期的收縮，使時空變得平滑，為后來發(fā)生的爆炸性擴張做好準(zhǔn)備。宇宙學(xué)家 希望能發(fā)現(xiàn)一些新跡象，并借此提出新理論。

　　宇宙中還能找到其它可觀測的特征嗎？過幾年再來問宇宙學(xué)家這個問題，希望到時已經(jīng)有了答案。