“大爆炸理论”,你真的用对了吗?

要从科学角度思考宇宙起源,便无法避开一个重要的理论:宇宙大爆炸理论。不是所有人都能就“大爆炸”的含义达成共识,尤其时不时出现的一些言论,宣称“大爆炸”或许根本没有发生过。这种言论合理吗?如果合理,“大爆炸”具体指什么呢?

要搞清楚这个问题,我们先回到100年前,也就是人类刚开始细致观察天空中的模糊漩涡、椭圆星云的时候。如今当然很容易认出那是星系,但一个世纪以前并不如此。当时,人类望远镜还不能分辨组成星系的单个恒星,于是那时星系仅仅被看成某种“星云”。不过,有个因素特别离奇:这些“星云”的速度。

我们知道,每种元素都有其特征光谱(一组其吸收或发射的谱线),这个光谱固定在一组特定的波长上。例如,氢元素的谱线总是在656、486和410纳米处,每一处都对应一个特定的原子能跃迁。

在这些漩涡和“星云”的图谱中,虽然吸收谱线都出现了,但出现的方式却十分奇怪、反常。

要说最简单的解释,那就是并非这些“星云”中有某种类型的新元素,或超出了现有物理,而是它们正快速运动,有时是朝向我们,有时是远离我们。与警笛的远近运动会影响音高的频率变化类似,远处物体的远近运动也会影响其反射的可见波的波长变化。

朝向我们运动时,光谱偏向蓝色;远离我们运动时,光谱偏向红色。20世纪早期,维斯托·斯莱夫(Vesto Melvin Slipher,美国天文学家,首次测量出星系的径向速度)发现,宇宙中绝大多数螺旋星云都向远离我们的方向移动,而且移动速度比已知宇宙中的任何天体都要快。

但到了20世纪20年代,才有人真正把这个谜团拼凑起来。当时,埃德温·哈勃(哈勃望远镜以他的名字命名)正挨个观察这些螺旋里的“爆发”,寻找新星之类的天体。

哈勃发现其中一个螺旋里有变星(variable stars的译法建议翻译老师修改)时,并没就此止步,而是毅然深挖。他继续测量了其他几十个星系的距离,当他把这些数据和斯莱夫的速度数据结合起来,便有了一个惊人的发现:总的来说,一个星系离我们越远,其远离的速度就越快。宇宙膨胀的理论由此诞生。

广义相对论认为,内部大部分空间充满物质和辐射的时空(比如我们身处的时空),并不一直处于静止中。它要么膨胀,要么收缩,取决于其中有多少能量。根据如今观察结果,宇宙前一天比后一天稠密,处在膨胀之中。

由于光(即辐射)的能量取决于其波长,如果宇宙过去更小,那么在过去也便更热,能量更高。

我们反推一下。想象从今开始追溯宇宙的过去,年代越久,宇宙便越小、越热。如果年代足够久,会有什么结果呢?

到那时,宇宙会变得又热又稠密,连原子本身也无法形成。在宇宙的早期,一切都是剧热的电离等离子体。

在更早的时候,原子和甚至还无法形成,单个的质子、中子炸得粉碎,形成一片自由粒子的海洋,除了氢意外没有其他元素。

再往前一点,物质和反物质成对自发产生,成为宇宙中所有已知的(甚至包括一切迄今为止尚未发现)的粒子的起源。(此处厘不清,建议审核老师看一下措辞是否需要修改)

最终,我们如果回到一个万物混沌(甚至可以说无限炽热、稠密)的时代,我们会到达一个奇点,一个所有时间、空间和能量都凝聚成一个点的地方。

这种认为万物起源于一个“宇宙蛋(cosmic egg)”、一个原始原子,或一个混沌的、炽热的、稠密的奇点的观点,就是我们今天所说的宇宙大爆炸理论。

这只不过是大爆炸的原始定义。自从这个观点提出以来,人类已经了解了很多关于宇宙的知识。特别是,我们已经知道,除了物质和辐射之外,宇宙还包含大量的、空间本身固有的能量,也叫暗能量,或宇宙常数,或空间能量(皆为同义词)。

宇宙现在的包含的能量相对较少,但早期包含了大量的能量。

可以说,在被物质和辐射主宰之前,宇宙被这种空间固有的能量主宰。该理论首次提出于20世纪70年代末、80年代初,并在90年代初首次通过观测得到证实。人们所说“宇宙膨胀”,就发生在此所指的,宇宙不是由物质或辐射主导,而是由空间本身固有能量主导的时代(即暴涨时代)。

以真空能量或膨胀为主导的宇宙,其演化方式与以物质或辐射为主导的宇宙不同。

或许,看起来这些宇宙只是在细节上有所不同,但他们都以一定的速率从某一起点开始膨胀。

不过真的如此吗?我们再看仔细一点,在开始的开始,先别局限于(0,0)点处。

虽然,一个由物质或辐射主宰的宇宙实际上来自一个奇点,来自一个时间和空间首次出现的时候,但对于一个暴涨的宇宙来说,没有这样的时刻。

换句话说,我们凭直觉得出的,时间和空间首次出现的点,在一个一开始就有膨胀阶段的宇宙中,不一定是大爆炸的一部分。

当宇宙学(研究宇宙起源和演化的天体物理学分支)提起大爆炸的时候,他们指的是以下两件事中的一件:(下面的内容可能图片,可能是文本,译者无法看到其内容,暂译如此)

我们看到的宇宙从高温、稠密、膨胀的状态中诞生,膨胀、减速、冷却,并产生了元素、原子、恒星、分子、行星,最终形成了我们。最初的奇点代表了时间和空间的诞生。

唯一的问题是,虽然这两种理论在上世纪60年代是可以混用的,的现在已经不一样了。

第一种理论认为的高温、稠密、膨胀的状态,目前还是能指“大爆炸”,但第二种理论不再如此。事实上,关于空间和时间从何而来的问题,各方仍有许多争论,无论发表的论文是什么,都只是这场争论的沧海一粟,仅此而已。

说到底是什么意思呢?大爆炸代表了我们看到的宇宙万物的起源,但它不再是宇宙的起源。我们可以在这种理论之外,找到一种暴涨宇宙学说,它十分值得我们进行透彻研究、讨论,探索它对于世间万物起源的意义所在。

那么到底有大爆炸发生吗?根据第一层定义,是的,当然有,宇宙从一种高温、稠密、均匀、快速膨胀的状态中出现,自那时起一直变冷,密度越来越小。但如果你使用第二层定义,可能真的需要重新考虑“大爆炸”这个术语——你不会是唯一一个误用它的人。

作者: startswithabang

FY:羊羊羊羊羊

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