138.2亿年前宇宙大爆炸,“炸”出几乎所有物质,原材料从哪来?

人类总是执着于对事物起源的探索,人类如何诞生的?生命起源于什么?地球从哪儿来?太阳系如何形成的?一切问题最终的起点都归咎于宇宙的起源。宇宙是我们目前能够触及到的“终极”,它是如何被创造的?怎样成为我们今天所知的看似无限的地方?未来它会变成什么样?宇宙起源似乎可以被看作是人类的终极命题。

这些问题没有确切的答案,长久以来一直困扰着科学家们,并随之产生了一些非常疯狂和有趣的理论。最初,古代西方流行着“地心说”,把地球当作宇宙的中心;直到1543年,波兰天文学家哥白尼发表《天体运行论》,提出正确理论“日心说”,捍卫了真理与科学。

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“日心说”

随着研究的深入,人们对宇宙的了解也越来越多,不禁又产生了新的疑问:看似无限的宇宙究竟是如何产生的?稳态理论认为,宇宙是在很近的过去被创生的,创造宇宙的东西已经存在了很久的时间。

成为学界共识是“宇宙大爆炸理论”,大约138.2亿年前,宇宙形成于一次大爆炸,如今几乎所有物质都从此次爆炸中产生,并且,宇宙还在高速膨胀,全部的河外星系都在离我们远去。

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宇宙大爆炸预想图

近一个世纪以来,“宇宙大爆炸”一直被人们津津乐道,尽管它是学界接受度最高的理论,但它存在的疑点实在太多了。例如,有什么证据可以证明宇宙的爆炸?宇宙发生爆炸的原因是什么?宇宙“炸”出的所有物质的原材料来自于哪儿?

宇宙源于大爆炸

根据“宇宙大爆炸理论”,一切开始于大约 138.2 亿年前,因此,这也被认为是宇宙的年龄。那么,在这之前的宇宙是什么样子的呢?我们似乎很难想象,因为在那之前,根本没有形成物理定律,这代表着现存的所有物理定律都无法适用于当时的宇宙,毕竟如今对宇宙的研究依然是以地球上的普遍定律为基础的。

1922年,美国著名天文学家爱德文·鲍威尔·哈勃观测到了“红移现象”,于是,有关宇宙膨胀的观点逐渐形成。1929年,哈勃将“宇宙膨胀论”公布于世,他得出的结论是,宇宙正在高速膨胀,河外星系只会距离我们越来越远。

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红移现象

“宇宙膨胀论”轰动一时,成为“宇宙大爆炸说”的前身。因为,基于宇宙的膨胀,人们认为宇宙会存在一个膨胀的起点。1927年,比利时宇宙学家勒梅特首次提出宇宙是由一个“原始原子”爆炸形成的。

1929年,哈勃根据“宇宙大爆炸论”指出距银河系越远的星系离开得越快,也就是我们常说的“哈勃定律”,这一定律成为支援“大爆炸论”的重要证据。科学家们从宇宙当前的膨胀状态向前推论,它一定起源于一个无限密度和有限时间的单点,才会开始膨胀。美国物理学家伽莫夫接受了勒梅特的思想,经过发展,于1948年正式提出了“宇宙大爆炸”的起源假说。

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拥有上千亿颗恒星的银河系

微小而热烈的起点

“宇宙大爆炸理论”认为,宇宙经历了一个由热不断冷却的过程。宇宙在爆炸之前,只是发热的、夹杂能量与微小颗粒的一个奇点,与我们现在看到的完全不一样。随着快速膨胀,奇点占据了更多的空间,最后终于在约138.2亿年发生了一次大爆炸。

在最初的爆炸之后,宇宙开始慢慢冷却。微小的颗粒聚集在一起,足以形成原子、分子,以及后来的简单粒子,这些原始元素构成了巨大的星云团,通过重力合并形成恒星。

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星云团

第一批诞生的恒星创造了更多原子,导致更多的恒星诞生。与此同时,宇宙中的物质碰撞聚集,渐渐产生了星系。随着新恒星的诞生和旧恒星的死亡,小行星、彗星、行星和黑洞之类的东西也随之出现了。

宇宙最早的时间阶段,即大爆炸发生后持续的10^-43秒至10^-11秒被称为普朗克时代,鉴于此时不存在我们所知的任何物理定律,因此,普朗克时代只是一个理论推测的数值,关于在这个最初的瞬间发生了什么,是存在很大争议的。

在普朗克时代,所有的物质都凝结在一个密度无限大、温度极高的单一点上。在这一时期,人们认为引力的量子效应主导了物理相互作用,没有其他物理力量与引力具有同等强度。这个普朗克时间段从0点延伸到大约10-43秒,由于物质的极端热量和密度,宇宙的状态是非常不稳定的。

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量子效应

在它存在的前 10^-43 秒内,宇宙非常紧凑,不到单个原子大小的 100 亿分之一。人们认为,在如此高密度和高能量的状态下,四种基本力——引力、电磁力和强弱核力合成一个单一的力。

紧接着,宇宙中的第一个粒子开始混合,并沉降到大致相同的温度。然后,在难以想象的短短几分之一秒内,所有物质和能量开始向外膨胀,但变化非常微小,仅是量子尺度上的波动,这可以解释为什么宇宙的温度和物质分布如此均匀。

在这之后,宇宙也依然在持续膨胀,但速度放缓了不少,目前没有人能够解释清楚推动宇宙膨胀的动力是什么。当宇宙诞生十亿分之一秒时,宇宙已经冷却到足以让四种基本力彼此分离的程度,基本粒子也就形成了。

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宇宙膨胀

按质量计算,氢占早期宇宙物质的 75%,氦占 25%。科学观察证实,氦的丰度是“大爆炸理论”的一个关键因素。早期宇宙中的辐射非常强烈,不知何故,一些多余的物质幸存了下来,它们便是现在构成行星、星系以及地球生命的物质。

大爆炸后过去了约1.8 亿年,宇宙中才出现一颗恒星,因为引力需要很长时间才能聚集氢云并将它们锻造成恒星。随着时间的流逝和物质的冷却,出现了更多种类的粒子,它们最终凝聚成我们现在宇宙的恒星和星系。

爆炸原材料从何而来

20世纪60年代,美国科学家彭齐亚斯和他的同事威尔逊建立了高灵敏度的号角式接收天线系统,用它测量银晕气体射电强度。但那时的卫星通讯很不好,常常伴随大量的噪音。为了消除背景噪声,他们甚至专门去清除了天线上的鸟粪,但仍然无济于事。

经过进一步讲究,二人认为这些噪音来自宇宙本身,是一种波长为7.35厘米的微波噪声,相当于3K。宇宙微波背景辐射很好地解释了宇宙早期遗留下来的热辐射,是支持“宇宙大爆炸论”的有力证据,二人的发现让他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

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宇宙微波背景辐射

那么,如果宇宙真的起源于一场大爆炸的话,那么造出如今所有物质的爆炸的原材料又是从何而来呢?事实上,现今的天文学和物理学都无法解答这个问题,基本都只存在着一些猜测。刘慈欣的科幻小说《三体》中有一个“降维打击”的概念,奇点的原材料会不会来自一个更高维度的宇宙呢?不过这也会把问题更加复杂化,比如更高维度的宇宙又是怎么来的。

科学家对于爆炸原材料的猜想大致有三种:

  • 宇宙反向收缩到奇点

前文已经提到,宇宙在大爆炸之后处于一个不断膨胀的状态,且至今的膨胀速度已经超越了光速,但万物都是存在限度的,因此,科学家推测,当宇宙向外膨胀到一定阶段后,便会达到一个临界值,超过临界值后它就又会反向收缩。

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宇宙收缩猜想

宇宙中的所有物质都会渐渐被压缩,最终被包裹在一个体积极小的点内,即所谓的奇点,那么一切就又回到了最初开始的地方,物质形态就是如此反复变幻的。

  • 宇宙轮回:霍金点的存在

英国著名数学物理学家罗杰·彭罗斯提出了一种“共形循环宇宙论”,即宇宙在大爆炸前是上一个和现在宇宙物理定律相同的宇宙,现有宇宙在无限膨胀扩张后也就成为了下一个宇宙的起点。

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神秘的宇宙

因为宇宙中的物质不会是无中生有的,所以只有循环论能够解释这一问题,现有宇宙的爆炸原材料很可能来自于上一个宇宙的残留物质。新、旧宇宙在无缝对接的过程中不会丢失任何物质,只会无限循环。

彭罗斯和牛津大学、华沙大学以及纽约海事学院的研究团队一起对循环宇宙学进行更深入的研究,他们表示在宇宙微波背景中,发现了20个左右的霍金点,所谓的霍金点指的是上个宇宙的黑洞最后爆炸死亡时留下的印记。

黑洞重启宇宙

最后还有一种可能性,那便是和宇宙中的黑洞有关。黑洞是一种“只出不进”的宇宙天体,可以吞噬一切,它很可能会起到重启宇宙的作用。当宇宙走到尽头时,所有的黑洞聚集在一起吞噬掉所有物质,质量大到令人无法想象。

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黑洞

而黑洞也是会死亡的,它会变成一个白洞,释放出所有被吞进去的物质。白洞的属性与黑洞完全相反,是只呼不吸的特殊天体。

对大爆炸理论新的质疑

2014 年1月,一生致力于研究黑洞的英国著名物理学家斯蒂芬·威廉·霍金却在其新论文中“语出惊人”,宣称“黑洞并不存在”。而美国理论物理学家劳拉·梅尔西尼·霍顿在2014年9月也发表论文称,她已经用数学的方法证明了“黑洞不存在”的正确性。

在研究中,劳拉将万有引力理论和量子力学理论相结合,得出了这个结论。她和霍金都觉得恒星死亡坍塌时,会释放出一种辐射,并且星球自身大部分的质量都流失掉了,这些死亡的星球所剩的密度无法满足形成黑洞的条件。

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恒星死亡

如果这一理论最终被证实,那么“大宇宙大爆炸理论”将被推翻,甚至所有基于现代物理的宇宙起源学说都将面临一个颠覆性的挑战。

结语

对于宇宙,人类的好奇心和探索欲望是无穷无尽的,但受制于科技水平的限制,我们在研究宇宙的道路上还有很长一段路要走。如今得出的所有结论,都是基于人类角度认知,存在不足之处很正常,毕竟与宇宙的年龄相比,人类认识宇宙的时间实在太短了。

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浩瀚的宇宙

正因为人类对宇宙的观察和认识有限,存在不足和无法解释的地方,才能够激励人们的进步,在探索中将获取的知识不断改良与完善。相信在未来的某一天,我们终将会揭开宇宙的起源之谜。

由 空山清雨 投递,如有侵权请联系,页面网址:https://www.maamx.com/1471.html

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