科学家是怎么解释我们的宇宙起源的
大爆炸理论是关于宇宙起源的主流解释。简而言之,它提出,我们所知道的宇宙始于一个小奇点,然后在接下来的138亿年里膨胀成我们今天所知道的宇宙。
由于目前的仪器无法让天文学家回溯宇宙的诞生,我们对大爆炸理论的理解大部分来自数学公式和模型。然而,天文学家可以通过一种被称为宇宙背景辐射的现象看到膨胀的“回声”。
“天文学家可以通过一种被称为宇宙背景辐射的现象看到膨胀的‘回声’”。
这张图是大爆炸和宇宙膨胀的视觉表现。
虽然天文学界的大多数人都接受这一理论,但除了大爆炸理论,还有一些理论家提出了其他的解释——比如永恒的膨胀或振荡的宇宙。
“大爆炸理论”这个词在天体物理学家中流行了几十年,但在2007年哥伦比亚广播公司播出同名喜剧节目之后,它成了主流。这部剧讲述了几位科学家的家庭和学术生活,其中包括一位天体物理学家。
据美国宇航局称,宇宙在开始后的第一秒,周围的温度约为100亿华氏度(55亿摄氏度)。宇宙包含了大量的基本粒子,如中子、电子和质子。随着宇宙变冷,这些物质会衰变或结合。
这种早期的混沌物是不可能被看到的,因为光不能在里面传播。“自由电子会导致光(光子)散射,就像阳光从云层中的水滴散射一样。”美国宇航局表示。然而,随着时间的推移,自由电子与原子核相遇,形成了不带电的原子。这使得光在大爆炸大约38万年后才照射出来。这种早期的光——有时被称为大爆炸的“余晖”——更确切地说是宇宙背景辐射(又称“微波背景辐射”)。拉尔夫·阿尔弗(Ralph Alpher)和其他科学家在1948年首次预测了它,但在近20年后才被偶然发现。
据美国宇航局称,1965年,新泽西州默里山贝尔电话实验室(Bell Telephone Laboratories in Murray Hill, New Jersey)的阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)正在建造一台无线电接收器,他们接收到了高于预期的温度。起初,他们以为这种异常是鸽子和它们的粪便引起的,但即使在清理了粪便并杀死了试图在天线内栖息的鸽子之后,这种异常仍然存在。
与此同时,普林斯顿大学的一个研究团队(由罗伯特·迪克[Robert Dicke]领导)正试图寻找宇宙背景辐射的证据,他们意识到彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了它。1965年这两个团队分别在《天体物理学杂志》( Astrophysical Journal )上发表了论文。
宇宙背景辐射已经在许多任务中被观测到。其中最著名的太空任务之一是美国宇航局的宇宙背景探测者卫星(COBE),该卫星于20世纪90年代发射,用于绘制大片天空。
其他几个项目也跟随宇宙背景探测者的脚步,比如银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目(BOOMERanG实验)、美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和欧洲航天局的普朗克卫星(Planck)。
大爆炸理论是关于宇宙起源的主流解释。
你知道吗?
大爆炸理论更准确的叫法是“无处不在的延伸理论”
普朗克卫星的观测结果于2013年首次发布,它绘制了细节前所未有的背景图,并显示出宇宙的年龄比之前认为的要老:138.2亿年,而不是137亿年。该研究天文台的任务正在进行中,宇宙背景辐射的新地图会定期发布。然而,这些地图也带来了新的谜团,比如为什么南半球看起来比北半球更红(更热)。宇宙大爆炸理论认为,无论你往哪里看,宇宙背景辐射基本上都是一样的。
研究宇宙背景辐射也为天文学家提供了关于宇宙组成的线索。研究人员认为,宇宙的大部分是由传统仪器无法“感知”的物质和能量组成的,这也引出了“暗物质”和“暗能量”的概念。宇宙只有5%是由行星、恒星和星系等我们可以看到和感知到的物质组成的。
天文学家了解了宇宙的起源,与此同时他们也一直在寻找宇宙快速膨胀的证据。理论认为,在宇宙诞生后的第一秒,我们的宇宙膨胀的速度比光速还快。顺便说一下,这并没有违反阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的光速限制,他说宇宙中最快的速度是光速,但这并不适用于宇宙本身的膨胀。
2014年,天文学家表示,他们在宇宙背景辐射中发现了有关“B模式”的证据,这是宇宙变大时产生的一种极化,会产生引力波。研究团队利用一架设在南极、名为“宇宙河外偏振背景成像”(BICEP2)的望远镜发现了这一证据。
“我们非常有信心,我们看到的信号是真实的,它就在天空中。”哈佛-史密森尼天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的首席研究员约翰·科瓦奇(John Kovac)在2014年3月告诉太空网。
但到了2019年6月,同一个研究团队表示,他们的发现可能是因为星系尘埃挡住了视野而发生了变化。“基本的结论没有改变,我们对我们的结果充满信心。”据《纽约时报》( New York Times )报道,科瓦奇在新闻发布会上这样说。“来自普朗克卫星的新信息表明,在普朗克卫星发射之前对尘埃的预测程度似乎太低了。”他补充道。
这张图展示了一代又一代的卫星是如何为我们提供越来越详细的关于大爆炸遗留下来的远古光的视图的。
来自普朗克卫星的结果于9月以预发表的形式被发布在网上。到2015年1月,两个团队的研究人员共同“证实了,“宇宙河外偏振背景成像”发回的信号显示,就算不是全部,大部分也是星际尘埃”,《纽约时报》在另一篇文章中报道说。
另外,在讨论比太阳大几十倍的黑洞的运动和碰撞时,引力波得到了证实。
自2016年以来,激光干涉引力波天文台(LIGO)多次探测到这些波。随着该天文台升级,变得更加敏感,预计人们将会频繁发现与黑洞相关的引力波。
宇宙不仅在膨胀,而且膨胀得越来越快。这意味着,随着时间的推移,将无法从地球或银河系内的任何其他有利位置发现其他星系。
“我们将看到本就遥远的星系还在远离我们,而且它们的速度正随着时间的推移而加快,”哈佛大学天文学家阿维·勒布(Avi Loeb)在2014年3月发表于太空网的一篇文章中说,“所以,如果你等待的时间足够长,最终,某个遥远的星系将达到光速。这意味着即使是光也无法弥合星系和我们之间正在打开的鸿沟。一旦那个星系相对于我们的速度超过光速,那个星系的外星人将无法与我们交流,他们发送的任何信号都无法到达我们这里。”
一些物理学家还认为,我们所在的宇宙只是众多宇宙中的一个。在“多元宇宙”模型中,不同的宇宙就像并排躺着的气泡一样共存。该理论认为,在第一次大膨胀中,时空的不同部分会以不同的速度增长。
这可能会分割出具有不同物理定律的不同宇宙。“很难建立出不导致多元宇宙的膨胀模型,”麻省理工学院的理论物理学家艾伦·古斯(Alan Guth)在2014年3月关于发现引力波(古斯没有参与那项研究)的新闻发布会上说,“并非不可能,所以我认为肯定还需要继续研究。但大多数膨胀模型确实导致了多元宇宙,膨胀的证据将推动我们严肃对待多元宇宙。”
虽然我们可以理解我们所看到的宇宙是如何形成的,但有可能大爆炸并不是宇宙经历的第一个膨胀时期。一些科学家认为,我们生活在一个会经历规律膨胀和紧缩周期的宇宙中,我们只是碰巧生活在其中一个阶段。
“宇宙不仅在膨胀,而且膨胀得越来越快。这意味着,随着时间的推移,将无法从地球或银河系内的任何其他有利位置发现其他星系”