長久以來我們 普遍接受的觀點是 宇宙起源于一次巨大的 爆炸,即 「宇宙大爆炸理論」。根據這一理論,宇宙從一個非常 高密度、高溫的初始狀態開始,在數億年之后,逐漸膨脹和冷卻,形成了我們如今所見的宇宙。
但隨著觀測和研究的不斷深入,科學家們開始發現大爆炸理論一直無法解釋某些問題,科學家們也越來越 懷疑大爆炸理論 并不能解釋宇宙的起源。
然而近年來,一個名為 「暴脹理論」的說法逐漸嶄露頭角,并成為了爭論的焦點,他們發現暴脹理論能更好的解釋宇宙的形成,但也不能說是對宇宙大爆炸理論的取代,只能說是 補充和發展。
(宇宙概述圖)
宇宙大爆炸理論是由 比利時天文學家 喬治·勒梅特于 1927年提出的,那大爆炸的過程你知道嗎?
剛開始爆炸時物質只能以一些 基本粒子形態存在,當宇宙 膨脹到 一定程度后,開始 形成物質和能量,但溫度 降低后慢慢形成 原子和分子,并合成為最常見的星云,以至于出現了 星系、恒星和行星等各種結構,最終形成我們如今所看到的宇宙。
但這一理論在當時根本沒人在意 甚至遭到一些人的 嘲笑和諷刺,因為它的理論沒有一絲證據和事實支持,但在天文學家之后的觀測和研究中被逐漸認可。
(宇宙大爆炸理論概述圖)
1929年, 哈勃觀測分析了來自周圍遙遠 星系的 光譜數據,發現這些星系的光譜都存在 紅移現象,所以他推斷 宇宙正在膨脹。
這次通過觀測到的星系紅移現象,具體原理就是 離我們越遠的星系其 紅移越大。這暗示著這些星系正在遠離我們,宇宙正在膨脹。
通過對這些紅移的測量,他確定了一個重要的參數, 哈勃常數即宇宙 膨脹的 速度,這個發現引起了極大的關注和探討,也從側面印證了大爆炸理論。
(紅移就是離我們越來越遠)
在這以后的幾十年里,科學家們通過觀測、實驗和理論研究,不斷 鞏固和完善了大爆炸理論,并逐漸建立了 宇宙學的 基本框架。
在 1948年, 伽莫夫根據宇宙大爆炸觀點提出了 熱爆炸概念,認為宇宙爆炸時產生的 熱輻射一直存在,但當時屬于猜測,以當時的技術還沒有發現這個輻射的存在。
1965年的 「宇宙微波背景輻射」的發現時其中一個重要的里程碑。這個輻射由彭齊亞斯和威爾遜發現,他們在安裝天線時,偶然在天空各個方向上探測到了微弱的輻射。
(宇宙背景微波輻射概述圖)
經過進一步的測量和觀測發現這一輻射符合大爆炸理論的預測。它被認為是宇宙大爆炸后遺留下來的 「熱影子」,這一理論又為大爆炸理論提供了 強有力的 證據。
所以大爆炸理論的出現和發展,是通過 觀測數據的 積累、 實驗的驗證和 理論的推演逐步形成的。它不僅通過解釋 宇宙背景輻射、星系紅移等觀測事實,還得到了 宇宙學模型的建立和發展的 支持。
所以雖然還存在一些未解之謎和待解決的問題,大爆炸理論至今仍被 廣泛接受和研究,為我們理解宇宙起源提供了深入的思考。通過科學的觀測和實驗,我們不斷探索著宇宙的奧秘,期待著更多的發現和突破。
(現階段宇宙大爆炸時間軸)
好不容易經過多年才完善的理論為什麼我們又說它 過時了呢?因為科學家們發現大爆炸理論并 不能解釋視界問題和宇宙的 平坦性問題。這兩個問題看起來確實不太好理解,我帶大家簡單了解一下。
視界問題簡單來說,我們現在已經觀測到 宇宙年齡大約為 138億年,但 可觀測宇宙半徑卻是 465億光年,為什麼可觀測宇宙比宇宙年齡還長呢?其實這就是我們一直說的 宇宙膨脹,宇宙膨脹是由 暗能量的出現 導致的。
本來只能觀測到138億年,但是由于 膨脹拉長了光和它走過的 路程,所以導致 可觀測宇宙比宇宙背景微波輻射長。而在研究背景輻射中光子時會發現,以前是現在光子的 1000倍,這就意味著在微波輻射產生時的 可觀測宇宙直徑大約為 1億光年。
(宇宙膨脹概述圖)
但是我們知道 背景輻射是在大爆炸產生后 37萬年出現的。大家可能疑惑,為什麼輻射不是一爆炸就產生而是等待了37萬年呢?
大爆炸發生后,產生的 物質密度太大,像籠子一樣 阻止了所有 輻射發散,直到大爆炸后37萬年,隨著這些物質密度的下降,微波背景輻射才得以掙脫束縛。所以按理說當時的可觀測宇宙應該是37萬光年,這與1億光年相差太多,所以這是大爆炸理論所解釋不了的。
(針對大爆炸理論提出的兩個問題)
進一步帶來 宇宙熱平衡的問題,經觀測目前 宇宙溫度是 幾乎一樣的。想象一下, 兩個區域相隔極遠,又由于宇宙的 膨脹速度遠遠 快于光速,這兩個區域 無法相互「接觸」或建立聯系。那麼,這兩個區域 如何能夠 擁有相同的溫度呢?
要實現 溫度的 一致性, 需要信息的 傳遞。但是信息傳遞的速度 受限于光速,無法快過宇宙的膨脹速度。因此,這就成了標準大爆炸模型面臨的巨大難題。
這個問題就好像是我們將 兩個相隔萬里的朋友分別 放在兩座山頂,它們之間沒有任何通信設備,卻要求它們 同時說出相同的一句話。由于無法傳遞信息,這個要求就顯得不可能完成。 宇宙中的 區域也 面臨著類似的困境,缺乏有效的信息傳遞途徑。
還有宇宙自身的平直性。根據廣義相對論,宇宙的 物質和能量會使 時空彎曲,從而導致宇宙表現出球面、雙曲面或平直面等形狀。然而,大爆炸理論無法解釋為什麼我們觀測到的宇宙在[[大尺度]]上非常平坦。
(經過100多億年的膨脹曲率依然接近0)
然而, 1980年阿蘭·固斯提出的 暴脹理論,為我們提供了一種解決辦法。暴脹理論認為,在剛發生大爆炸后,有一個 極短的膨脹過程,速度 比光速還快。這就像是我們的朋友突然變得能飛起來,可以在兩座山頂之間自由穿梭,不再受限于地面上的限制。
這個理論的關鍵概念是宇宙的暴脹,我們把它比喻為 面團發酵時的膨脹, 夸張來說就是由一個 原子膨脹到一個 星系那麼大。
通過暴脹過程,宇宙的不同區域得以 相互接觸、交換信息,最終達到了溫度的一致性。這樣,宇宙中的均勻性和各向同性就找到了合理的解釋。
(宇宙暴脹概述圖)
宇宙的暴脹就像是一個神奇的力量, 在暴脹的過程有一個很重要的作用,就是讓宇宙的不均勻性和不規則性 快速消失。
想象一下,如果布上有很多 皺褶或者起伏,暴脹過程就像是我們把布拉直,在 不斷拉扯的過程中,那些 皺褶逐漸消失了,布變得平整了。同樣地,宇宙的暴脹也在不斷拉伸和拉直空間,讓它變得更加均勻和統一。
(暴脹理論對大爆炸理論的補充)
這樣一來暴脹問題就解決目前大爆炸理論解釋不了的所有問題,所以與其說暴脹理論取代了大爆炸理論不如說, 暴脹理論是對前者的補充和發展。
我們上面一直在講 宇宙膨脹的問題,大家或許會困惑于一個似乎矛盾的現象,那就是 太陽系中的 行星和太陽 為何沒有隨著宇宙的膨脹而 漸行漸遠呢?
在上個世紀初,天文學家們通過觀察到星系的紅移現象,發現宇宙正在不斷地膨脹。這意味著,包括太陽系在內的星系互相之間正在遠離。簡單來說,就好像一個氣球在 充氣過程中,氣球的 表面上所有的 點都會 離氣球中心的點 越來越遠。
然而,在太陽系中,行星和太陽之間的距離并沒有發生類似的變化。這是因為太陽系內的行星并不是像星系那樣互相推行。換句話說,行星與太陽之間的距離并不是在變大,而是在 保持相對穩定。
(太陽系內的行星為什麼不會相互遠離)
這種 穩定性可以追溯到 數十億年前的太陽系形成時期。根據科學家們的研究,太陽系的形成是由一個巨大旋轉的氣云坍縮而成的。當氣云坍縮時,物質開始聚集在太陽的中心,而其他物質則逐漸 圍繞太陽形成行星。這個過程中,太陽的引力塑造了行星的運動軌道,使其繞太陽旋轉。
看看我們的太陽系。太陽位于行星的中心,因為它有 足夠的 品質和引力來 控制行星的 軌道。行星則按照自己的軌道圍繞著太陽旋轉。
行星繞太陽旋轉的穩定性有賴于 動量守恒定律。動量是物體在運動中所具備的性質,與品質和速度有關。根據動量守恒定律,行星在太陽系中的運動軌道會保持不變,除非受到外界的干擾。換句話說,行星和太陽之間的距離只會在受到外力的影響時才會發生變化。
(各行星受太陽引力吸引)
當然,太陽系也不是絕對靜止不動的。在太陽系內,行星和太陽之間確實存在著微小的變化。
盡管太陽系中的行星和太陽相對穩定,但宇宙的膨脹卻在不斷進行著。
我們根據哈勃定律可以知道宇宙的膨脹速度, 兩點之間每增加 326萬光年,膨脹速度就會增加約 70千米每秒,但要知道我們離太陽的距離只不過 0.0000158光年,所以這之間的膨脹速度幾乎不計或者說早被 引力給抵消了。
但隨著 暗能量的增加,在未來的億萬年間,太陽系會逐漸與其他星系相互遠離。但我們不必過于擔心,因為這個過程需要 耗費極長的時間。對于我們人類而言,太陽系中的行星和太陽之間的距離仍然能夠保持相對穩定,我們可以繼續享受它們為我們帶來的美麗和神奇。
不過,盡管暴脹理論為我們提供了新的認知,但它并沒有威脅到我們生活中那個渺小而美麗的太陽系。太陽系中的行星、衛星和彗星等天體并沒有膨脹,而是按照它們自身的物理規律運動著。因為太陽系中的天體自身受到的引力力量相對較小,與宇宙整體的膨脹過程關系并不緊密。
參考資料:
1. 學術論文:《宇宙的起源與未來——大爆炸宇宙論簡介》—作者-蘇中啟-1995年
2.學術論文:《探測宇宙最初的暴漲理論》—作者-鄧雪梅-2014年
3. 學術論文:《宇宙演化總論——二十一世紀廣義宇宙學新探索》—作者-高歌-2009年