宇宙大爆炸是真的吗?
宇宙大爆炸是宇宙的创生,不是一般定义上的爆炸
宙宇大爆炸又称大霹雳(Big Bang),是描述宇宙的源起与演化的宇宙学模型,这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的。根据2015年普朗克卫星所得到的最佳观测结果,宇宙大爆炸距今137.99 ± 0.21亿年,并经过不断的膨胀(Metric expansion of space)到达今天的状态。大爆炸这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论,又在场方程的求解上作出了一定的简化(例如宇宙学原理假设空间的均匀性(Homogeneity (physics))和各向同性)。1922年,苏联物理学家亚历山大·弗里德曼用广义相对论描述了流体,从而给出了这一模型的场方程。
广义相对论场方程:
图中+-号代表不可分割的最小正负弦信息单位-弦比特(string bit)
(名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit
量子信息研究兴盛后,此概念升华为,万物源于量子比特)
注:位元即比特
图中+-号代表不可分割的最小正负弦信息单位-弦比特(string bit)
(名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit
量子信息研究兴盛后,此概念升华为,万物源于量子比特)
注:位元即比特
“宇宙并非永恒存在,而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。
基本假设
大爆炸理论的建立基于了两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。
这些观点起初是作为先验的公理被引入的,现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言,已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内,精细结构常数的相对误差值不会超过10^(-5)。此外,通过对太阳系和双星系统的观测,广义相对论已经得到了非常精确的实验验证;而在更广阔的宇宙学尺度上,大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。
大爆炸开始时:约150亿年前,体积无限小,密度无限大,温度无限高,时空曲率无限大的点,称为奇点。空间和时间诞生于某种超时空——部分宇宙学家称之为量子真空(假真空),其充满着与海森堡不确定性原理相符的量子能量扰动。
大爆炸后10-43秒(普朗克时间):约1032度,宇宙从量子涨落背景出现,这个阶段称为普朗克时间。在此之前,宇宙的密度可能超过每立方厘米1094克,超过质子密度1078倍,物理学上所有的力都是一种。(超对称)在这个阶段,宇宙已经冷却到引力可以分离出来,开始独立存在,存在传递引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力(强、弱相互作用和电磁相互作用)仍为一体。
大爆炸后10-35秒:约1027度,暴涨期(第一推动),引力已分离,夸克、玻色子、轻子形成。此阶段宇宙已经冷却到强相互作用可以分离出来,而弱相互作用及电磁相互作用仍然统一于所谓电弱相互作用。宇宙也发生了暴涨,暴涨仅持续了10-33秒,在此瞬间,宇宙经历了100次加倍(2100)
真的假不了,假的真不了。
宇宙大爆炸理论说的是,我们的宇宙诞生于138亿年前的奇点大爆炸,爆炸后的宇宙经过超光速膨胀后形成了如今930亿光年的浩瀚宇宙。
这个理论不是真的也不好说,但大量天文观测数据都说明它具有很大的真实性,因此得到了科学家公认。虽然没有人肯定宇宙大爆炸论绝对是真的,但更没有人能举出一个证明说它是假的。
关于宇宙大爆炸理论的提出有两大根据:一是星系红移现象,二是宇宙微波背景辐射。
星系红移
星系红移是宇宙中各星系互相远离发生的光谱现象,又称作多普勒效应。
1842年,奥地利物理学家多普勒首先解释了一列呼啸而过的火车从我们身旁呼啸而过时,它的汽笛声会变得逐渐微弱,这就是因为当声源远离倾听者时,声音波长会变得更长,听起来低沉;声音接近听者时声波就会减小,声调会变高,听起来尖锐。
“多普勒效应”在很多领域都得到应用,比如光波也是如此,当光源远离观测者时,光波和频率都会发生拉长和降低的改变,而变成红色。
1929年,美国天文学家哈勃根据观测到的星系谱线红移量计算出了星系的远离速度和距离。如果一个星系以17000千米/秒的速度远离,它的距离约为10亿光年。5500万光年外的室女座也正以1270千米/秒的速度远离而去。
宇宙微波背景辐射
宇宙微波背景辐射又称宇宙3K背景辐射或遗留辐射,它说明了宇宙经历由热到冷的冷却过程,这个微波辐射在宇宙空间中普遍存在。
1964年,美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在改进卫星接收天线时,测量到了来自宇宙的7.35cm波长的微波噪声,约有3k。由于这项发现让他们被授予1978年的诺贝尔物理学奖。
以下为微波背景辐射的角功率谱:
宇宙微波背景辐射被认为是检测宇宙大爆炸的最重要方法,由于它的发现,科学家测出最初的宇宙是一大团致密、高温、充满至高温的氢气云等离子团,这团高温氢离子团随着宇宙超速膨胀而冷却,中子和质子慢慢结合凝聚,宇宙的氢离子云逐渐演化为物质,宇宙逐渐变得澄澈,光子也开始在空间里横冲直撞。即使现在仍然残留着这种高温的氢离子辐射。
总之,科学家们根据星系红移和微波背景辐射就已推测出来宇宙诞生于约137亿年前的大爆炸,爆炸后的宇宙一直超光速膨胀,在漫长的演化中,逐渐形成了现今930亿光年的广漠宇宙,并且仍然在超速膨胀。