宇宙大爆炸有什么证据?

今年,诺贝尔物理学奖的一半颁给了天文学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),以表彰他为宇宙大爆炸理论做出了重要的贡献。时至今日,宇宙大爆炸理论已经成了描述宇宙起源和演化的主导理论。那么,有什么强有力的证据能够支持宇宙大爆炸理论呢?

宇宙大爆炸有什么证据?

哈勃定律

在1929年之前,稳恒态宇宙的观念根深蒂固。就连爱因斯坦也认为宇宙是静态的,他在创立广义相对论时,给引力场方程引入宇宙学常数,使得方程不会出现动态宇宙的解。然而,哈勃的重大发现改变了这一切。

1924年,哈勃通过造父变星测出了一度被认为是银河系星云的距离。结果发现,那些星云不可能在银河系的范围之内,哈勃意识到它们其实是银河系外的星系,它们就像银河系那样由大量的恒星组成。河外星系的发现,开启了现代天文学的全新篇章。

宇宙大爆炸有什么证据?

此后不久,在研究星系光谱时,哈勃注意到,宇宙中大部分星系的光谱都出现了红移的现象。多普勒效应表明,当声源远离观测者时,频率会下降,反之亦然。同样的规律也适用于光源,当光源远离观测者时,其频率会降低,波长会拉长,光谱表现出红移。

因此,光谱出现红移的星系表明它们在远离银河系。不仅如此,距离银河系越远的星系,其光谱的红移值越大,这意味着它们的退行速度越快。星系的距离和退行速度呈现出线性关系,这就是著名的哈勃定律。

宇宙大爆炸有什么证据?

宇宙中普遍存在的引力会让星系互相靠近,而星系大都在退行的事实表明,空间结构在膨胀,导致宇宙中的星系不会被引力吸引到一起,而是会被互相拉开。既然现在的宇宙在膨胀,这意味着曾经的宇宙更小更密。如果追溯到时间开端,宇宙中的所有东西,就连空间本身,都会集中在一个无穷小的奇点之中。于是,哈勃定律成了宇宙大爆炸理论的第一个强有力证据。

宇宙微波背景辐射

宇宙大爆炸有什么证据?

如果宇宙起源于炽热致密的奇点,那么,发生过大爆炸的早期宇宙必然非常热。倘若早期宇宙处于高温的状态,即便经过上百亿年的空间膨胀和冷却,这些热量不会消失。皮布尔斯等人预测,现在的宇宙中还残留着高于绝对零度几度的背景辐射,可以在微波波段探测到。

1964年,威尔逊和彭齐亚斯两位射电天文学家意外发现了一种各向同性的辐射信号。皮布尔斯等人很快意识到,这个信号就是他们此前所预言的宇宙微波背景辐射。发现宇宙微波背景辐射的两位天文学家在1978年获得了诺贝尔物理学奖,而皮布尔斯也终于在2019年获得了诺贝尔物理学奖。

宇宙大爆炸有什么证据?

观测表明,宇宙微波背景辐射十分均匀,无论朝着哪个方向观测,都会接收到相同的背景辐射,温度大约为2.725开氏度,它们是来自于宇宙年龄为38万年时的宇宙第一缕曙光。背景辐射中存在大约百万分之五的温度涨落,这种极其轻微的不均匀性最终引发了星系、星系团等大尺度结构的形成。各向同性的宇宙微波背景辐射表明,早期宇宙处于高温高密度的状态,这是宇宙大爆炸的另一大独立证据。

宇宙元素丰度

在地球上,地壳中的氧、硅、铝、铁、钙等元素的丰度很高,大气的主要成分为氮气和氧气,但这并不意味着宇宙的元素组成也是如此。因为放眼宇宙,地球只是沧海一粟,地球的元素丰度远不能代表宇宙。

宇宙大爆炸有什么证据?

地球的质量为太阳的百万分之三,太阳的质量达到了太阳系总质量的99.86%。通过光谱分析可知,太阳质量的74%是来自于第1号元素——氢,24.9%来自于第2号元素——氦,其他重元素的质量占比非常低。进一步分析表明,其他恒星和星云的元素构成也是类似的。总体而言,宇宙重子质量的75%是氢,24%是氦,另外1%是其他重元素,这与宇宙大爆炸模型的预测完全一致。

根据宇宙大爆炸理论,宇宙在最初几分钟里经历了原初核合成过程。当宇宙温度降低到一定程度时,稳定的氢原子核(质子)和中子就能大量形成,氢原子核又会与中子进一步结合成氦原子核。当空间进一步膨胀,宇宙迅速降温,其他更重元素没有条件被合成出来,它们都是来自于后来的恒星核聚变、超新星爆发以及中子星碰撞。

宇宙大爆炸有什么证据?

按照质量比例,太初核合成会产生3:1的氢和氦,这个预言与观测结果完全一致。因此,宇宙元素丰度是宇宙大爆炸的又一个重要证据。

星系演化和宇宙均匀性

光的传播速度不是无限的,它们在一年的时间里只能传播1光年的距离。因此,当我们观测宇宙时,我们看到的都是过去的宇宙,而且看得越远,看到的时间越早,例如,我们看到的太阳是8.3分钟之前,织女星是25年之前,三角座星系是300万年之前。

宇宙大爆炸有什么证据?

哈勃太空望远镜能够让我们看到深邃的宇宙,从而让我们知道早期宇宙的情况。哈勃观测了一系列距离不同的星系,它们代表了不同时期的星系,这样我们就能了解到星系的演化。哈勃极深场让我们看到了132亿年前的星系,而最早的星系甚至可以追溯到宇宙诞生只有4亿年之时,也就是134亿年之前。

宇宙大爆炸有什么证据?

与目前的星系相比,遥远星系的尺寸通常更小,形状比较不规则,发育更加不全,它们包含更多的年轻恒星,看起来更蓝。也就是说,随着时间的推移,星系在不断成长和演化,宇宙中的星系最初是星云形成而来的,这也能证明宇宙大爆炸模型。

另外,虽然宇宙中的星系会在某些地方聚集形成星系团等大尺度结构,但在更大范围上,宇宙是非常均匀的,其一致性可达99.99%,这也是宇宙均匀膨胀和演化的有力证据。

宇宙大爆炸有什么证据?

总之,多种独立的证据都指向了同一个结果——宇宙曾经有一个开端,早期宇宙比现在更小更热更密。虽然宇宙大爆炸理论还不尽完美,但它是目前描述宇宙起源和演化的最好理论,未来还会不断得到完善。

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