年龄处于「复合期」的宇宙经历了一个极其复杂的物理过程

【作者·黄媂】

俗话说 「人无远虑,必有近忧」,我们每个人对自己的未来都会有考虑,当然有的人也会考虑的更加宽阔,更加长远一些,譬如会考虑到整个社会、整个人类甚至整个宇宙,在古代有这么一个成语「杞人忧天」,这个成语其实就是对于宇宙未来的一种思考。

有一位美国「未来学」的学者名字叫做「库兹韦尔」,他说:

“宇宙的命运是一个未解之谜,我们将在时间合适的时候来明智地考虑它。”

但是天文学家认为现在应该已经到了可以考虑宇宙未来的时候了,为什么会这么说是因为现在「宇宙学」的研究已经进入到叫做「精确宇宙学」的时代。

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宇宙学原理与「引力场方程」

宇宙学研究的开端可以追溯到1917年,爱因斯坦把他的广义相对论的「引力场方程」应用到了整个宇宙的结构和演化的研究,引力场方程就反映了宇宙的结构,在方程里面包含了两个非常重要的量,一个是‘R’表征的是宇宙弯曲程度,另一个是‘T’表征的是宇宙里面的能量和动量,所以可以简单地认为宇宙里面的能量和动量就决定了宇宙到底是一个什么形态,它未来应该怎么发展。而在方程里面还有宇宙常数项,这是爱因斯坦人为加进去的一项。

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图解:引力场方程

引力场方程被很多科学家列为世界上最优美的方程之一,引力场方程非常复杂,要去求解它几乎是不可能的,但是在一些特殊的前提假设下,还是可以得到引力场方程解的,这个假设就是指宇宙是均匀的和各向同性的,这就是宇宙学的原理,目前我们对宇宙的认识都是建立在宇宙学原理这个假设下面的。

  • 宇宙是均匀的:

指的是在宇宙非常大的尺度上面物质的分布到处都是一样的,所以说宇宙没有一个中心也没有一个边界。

  • 各项同性的:

反映的是在任何方向上看,看到的天文现象,得到的物理学的规律应该是完全相同的。

在宇宙学原理的假设下面可以得到引力场方程的解,这个解反映了宇宙要么在膨胀、要么在收缩,它主要取决于宇宙里面包含的物质和能量的多少,这个解给出了宇宙演化的几个模型:

  • 第1个:宇宙先膨胀再收缩。
  • 第2个:宇宙减速膨胀。
  • 第3个:宇宙匀速膨胀。
  • 第4个:宇宙在加速膨胀。

第1和第2个模型实际上描述的是宇宙膨胀之后,在引力的作用下膨胀的速率慢慢地发生了改变,如果引力足够强它使得宇宙最终会发生收缩,如果引力不是那么特别的强它还是会减缓膨胀的速度。

第3个描述的是在宇宙里面没有任何物质的话,那么它的膨胀就应该以永远不变的速度在进行的,这就是匀速膨胀。

第4个描述的是宇宙里面有某种加速的力促使它进一步膨胀的话,这就是宇宙在加速膨胀。

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宇宙演化的位形非常类似于我们在地球上发射火箭——如果火箭的速度不是很高的话,那么火箭最终会落到地球的表面,如果速度足够高,它可能会脱离引力的束缚,但是它的速度在引力的作用下会慢慢地降低,如果在火箭运行的过程中它不断地额外得到能量进行加速的话,那么火箭离开的速度就会越来越快,这与宇宙的几种演化的位形是非常相似的。

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诺贝尔级别的发现

1964年有两位工程师发现了异乎寻常的电磁辐射,这两位工程师来自于贝尔实验室,他们的名字分别叫做彭齐亚斯和威尔逊,他们调试一架号角式天线的时候发现天线在天空的各个方向总会接受到一种噪音,这个噪音在各个方向它的强度是完全一样的,并且噪音与季节、与地球的自转没有什么联系。

彭齐亚斯和威尔逊就寻找了噪音各种可能的来源,排除了来自地球上、也排除了号角式天线本身结构或者其他因素影响,结果他们发现这个噪音是来自于宇宙的深层。

举例说明:

还记得我们小时候使用过的电视机吗?靠天线来接收电视信号的那种老式电视机,没信号时屏幕上全是雪花状图纹以及嘶嘶作响的噪音,噪音里面其实有一小部分就是来自于宇宙背景的噪音,因为噪音所处的频段是在微波波段,所以把它称为宇宙微波背景辐射。

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宇宙微波背景辐射反映了什么现象

在138亿年前大爆炸开始了,这个时候的宇宙就像一锅汤,里面充满了光和各种基本的微观粒子,光和这些基本粒子会发生频繁的相互作用,这使得光和粒子几乎纠缠在一起直到某一个时刻,这个时刻称为「复合期」,这个时候光和带电的粒子开始分离了,光可以自由地穿梭了,于是这些光可以一直运行到今天从而被望远镜探测到,所以实际上看到的微波背景辐射就是来自于宇宙 复合期的光,这些光也是目前能够接受到最遥远的宇宙信息。

  • 复合期反映了什么物理过程?

在宇宙演化到38万年的时候,随着温度持续地下降,电子和原子核开始结合了,在这之前大量自由的电子和光子不断地发生碰撞散射光子,这使得光子几乎没法做长距离的运行,但是到了38万年这个时刻,由于温度的下降使得电子进入到原子核的束缚范围,它们一起组成了中性的原子,于是光自由的运行的路程就开始显著地加长了。

举例说明:

复合期的物理过程就相当于我们在一个非常拥挤的游泳池里面,假设你就是那个光子,你往任何一个方向游泳,你都会碰到其他人,所以在这种程度上也是寸步难行的,但是如果整个游泳池都清空了,这个时候你往任何方向游泳,都是非常自如的,微波背景辐射其实就是在这一时刻所发出来的光。

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38万年这个时刻宇宙的温度大约是3000K,所以它所产生的辐射所对应的黑体温度也是3000K,但是当光运行了将近138亿年到达我们望远镜的时候,因为宇宙整体在膨胀,所以这个光的能量也因为膨胀而下降了或者说光红移了,它的波长移到了微波的波段,对应的温度大约是3K。

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彭齐亚斯和威尔逊得到结果特别重要

因为在他们发现宇宙微波背景辐射之前,其实很早就有人预言了这个辐射,在1948年的时候阿尔法和赫尔曼,他们就通过对于大爆炸早期的演化预言我们应该可以得到温度大约是5K的宇宙的背景辐射,阿尔法和赫尔曼发表之后,没有什么人关注,因为天文学家认为探测到这样辐射的机会非常的渺茫。

到了1964年,在这一年有一批天文学家开始重新认识到背景辐射的重要性,皮布尔斯再次进行了计算,他发现这个宇宙背景辐射的温度大约是10K左右,而他所在的研究团队并且正在开始着手去建造一架望远镜去探测这个辐射,但是就在这个时候他们得到了消息,彭齐亚斯和威尔逊已经探测到了他们想要寻找的那个背景辐射。

彭齐亚斯和威尔逊在《天体物理学》杂志上发表了一篇文章,介绍他们的研究成果,这篇文章非常简短,就是这篇不到两页篇幅的文章让他们在1978年获得了诺贝尔物理学奖,因为这是人类第1次探测到宇宙的微波背景辐射。

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彭齐亚斯和威尔逊观测到的背景辐射只是在某一个特定波长上面得到的,所以为了更加整体地研究背景辐射的特性,在1989年美国发射了宇宙背景探测仪,简称‘COBE’,这个探测仪在从毫米到厘米整个波段,对宇宙的背景地进行了探测得到了一幅整体的图像,图像展示了宇宙的辐射谱,这是一个可以用2.7K的黑体辐射描述的一个辐射谱。

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图解:宇宙的辐射谱图

背景辐射里面还看到了极其微小的温度变化,温度的变化幅度只有十万分一,这里面其实隐藏着温度和密度的涨落。继‘COBE’探测仪之后又发射了‘WMAP’和‘PLANCK’卫星,它们都是用来研究微波背景辐射的温度涨落。

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(黄媂)总结:为什么要研究温度涨落?

因为温度涨落对于物质世界的形成至关重要,星系、恒星、行星系统都是由于物质的聚集所导致的,现代的宇宙学认为这种聚集的原因是由于暗物质的聚集导致的,所以暗物质的聚集导致了可见物质或者正常物质的密度变化,而这种密度变化随着宇宙的演化逐渐地放大扩展为今天我们看到的各个层次的天体,所以原初的密度涨落实际上是我们今天整个可见物质世界形成的种子。从背景辐射可以得到温度涨落最终演化为今天的星系和恒星系统。正因为如此,在2006年‘COBE’项目的两位领导人马瑟和斯穆特获得了诺贝尔的物理学奖。

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【作者:太空生物学·黄媂】

【编辑:天体生物学·黄姤】

【旁述:余生】

【黄媂】【科普新星培训营】95后女学员,今日头条青云计划精选文章获奖者。创作有关(天体生物学领域.太空生物学领域.科学.科技.科研.科普)的文章,欢迎点赞.评论.转发.关注互相学习。

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