66663周前
宇宙的诞生是来自一场大爆炸。这个说法是目前科学界公认的,在爆炸的瞬间形成了一个高温高密度的微小空间,之后开始快速的膨胀。并且这种膨胀一直持续到了现在,甚至可以说就在你看视频的这一刻,天上的恒星跟星系也在不断地远离我们。所以今天要讲的就是在大爆炸之前,宇宙到底应该是什么样子的。 根据爱德温哈伯在1929年提出的哈伯定律来看,距离地球越远的天体远离速度就越快,这就代表宇宙应该一直都在膨胀的。而乔治华盛顿大学的伽莫夫博士根据这个定论就提出了大爆炸宇宙学模型。他认为如果把时间倒回去,宇宙一定会变得越来越小,最后收缩成一个非常非常小的点。但这也不是唯一的解释。 还有一个观点叫做定常宇宙论。他认为宇宙在任何时间、任何地点看起来都是一样的,它没有起点也没有终点。这个说法一样也可以解释哈勃定律。所以在20世纪50年代到60年代,大爆炸理论跟定常宇宙论之间还发生过一次超大规模的学术辩论赛。好玩的是最开始大爆炸这个名字是带有贬义意思的。据说是一个反对大爆炸的理论学者叫弗洛德霍伊尔,他在BBC广播节目中就嘲笑地说:居然有人会相信宇宙的起源是来自一场大爆炸,但没想到的是这一次带有挖苦性的说法反而被大家给接受了,也让大爆炸变成了一个正式的名字。而真正让这个理论站稳脚跟的是在1965年一个重要的发现。当时的科学家通过射电望远镜探测到了宇宙大爆炸残留下来的信号,也就是宇宙微波背景辐射。而伽莫博士他在提出大爆炸理论的时候就已经预测到了辐射的存在,等有了这个决定性的证据,大爆炸宇宙模型才受到了整个学界的认可。宇宙的起源是从高温高密度状态形成的,这个观点也正式的被确立了下来。目前科学界普遍认为的宇宙演化过程应该是在138亿年前。宇宙诞生后10的-43次方秒,也就是普朗克时期,宇宙的温度一下就到了几千万亿度。在这样的环境下,基本的粒子,比如夸克和轻子也开始慢慢的形成。但随着宇宙不断的膨胀和降温,大概在3分钟左右,氢和氦也开始出现了。那到了宇宙诞生后的38万年左右,光子终于不再被电子给挡住,或者被撞来撞去了,它可以自由的移动,想去哪就去哪,这一下就让整个宇宙变得透明了。 这个阶段就是我们常说的宇宙重组时刻,也让之前残余的辐射,可以在宇宙里不停的被传播。就算到了现在,我们还是可以接收到宇宙微波背景辐射。而在宇宙膨胀和冷却的这个过程里,本来非常小的粒子也在慢慢的被放大,最后变成了各种天体。在他们的内部,又产生
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66666天前
物理学有个禁区,所有教科书都不敢写清楚宇宙大爆炸之前是什么?答案是没有之前,因为时间本身也是大爆炸炸出来的。那炸它的东西从哪来?这个问题让爱因斯坦沉默,让霍金困惑终生。 地球上的规矩大家都懂,想造点什么总得有原材料。可宇宙大爆炸时,催生它的原材料从哪来? 聊宇宙诞生可先从它的“葬礼”谈起。关于宇宙终结的理论,如大撕裂、大坍缩、大冻结,结局都指向宇宙毁灭:最后一颗恒星燃尽熄灭,宇宙变成漆黑虚无之地;巨型黑洞吞噬残存物质后也蒸发消散;空间持续膨胀,一切变得稀薄到无法相互作用,宇宙活动彻底停止。 但有些专家从这幅末日图景中得出不同结论:这不是结束,而是另一个宇宙的开始。有人坚信,正是这样黑暗、冰冷、空无一物的状态孕育出了大爆炸,宇宙的葬礼就是它的产房。 深入这个假设前,得先弄清最初的物质是怎么出现的。大爆炸刚发生时,原子、分子压根不存在,那时宇宙太热,稳定的东西都形成不了。第一批原子是宇宙冷却后从更简单的粒子形成的,这些粒子后来在恒星里融合成更重的元素。但东西怎么从无中诞生,这解释不了。 把时间往回拨,宇宙历史上第一批长寿的物质粒子是质子和中子,它们组成原子核。通常认为它们在大爆炸后立刻形成,但在那之前,严格意义上的物质根本不存在。好在物理学能让我们把时间线再往前追溯一点点,到稳定物质诞生之前。 在物理学里,那个极早期的时代被称为大统一时期。该理论核心是,大爆炸发生时,强力、弱力和电磁力其实是同一种力的不同表现。深入这片高度理论化的领域,会发现当时的物理世界像一锅沸腾的粒子浓汤,充斥着各种转瞬即逝的基本粒子,包括构成质子和中子的夸克。而且那时物质和反物质数量几乎完全相等,每一个物质粒子都有一个几乎一模一样的反物质镜像“双胞胎”,它们仅在一个关键特性上截然相反,相遇时会湮灭消失。 这些粒子从哪来?量子场论表明,即便时空的真空,也充满物理活动,以能量涨落的形式出现,能让粒子凭空出现又迅速消失,所以时空真空中也在上演粒子“无中生有”的戏码。 问题来了,时空本身是怎么来的?普朗克时期登场了,它表明我们的物理理论在某些地方会撞上不可逾越的高墙。这个极其短暂的时期指大爆炸之后的一瞬间,那时空间和时间本身都成了量子的一部分。要理解它,需要一套完整的量子引力理论,能把量子物理和相对论完美融合,目前最有希望的候选者是M理论和圈量子引力理论。 在这些理论框
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66661周前
为了证明大爆炸是真实的,他们就需要找到这种光。到了1940年代,一位名叫安德鲁·麦凯勒的天文学家在研究太空中的酒精云时,测量了云周围真空空间的温度,他发现温度是2.3K,“那是什么?”他自己都不知道,当时测量的是大爆炸的余晖。与此同时,稳恒态模型基本上已经死亡了。 大爆炸理论的主要问题是“年龄问题”,它预测宇宙太年轻了,新的数据显示,最初到仙女座星系的距离计算有误,实际上它距离超过250万光年。因此,使用这些新数据,宇宙的年龄被预测为100到200亿年,年龄问题解决了,但要更精确,必须搞清楚宇宙微波背景辐射(CMB)。 巧合的是,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊无意间测量到一种太空杂音,这实际上就是宇宙微波背景辐射,测量温度为2.7K,他们因此获得了诺贝尔奖,大爆炸理论也得到了最后的证实。 而拍摄来自大爆炸本身的光,没过多久就实现了,20世纪80年代,NASA专门建造了拍摄宇宙微波背景辐射的航天器,到1990年,他们获得了所有需要的数据,并公布了宇宙微波背景辐射的全貌。人类看到了有史以来最完整的宇宙微波背景辐射图像,它证实了科学家们几十年来所怀疑的一件事。 在物理学中,有一种叫做“黑体”的东西,它是一个理想化的物体,能吸收所有的光,100%吸收,所有的能量都应该由这个物体以一种完全可预测的方式重新发射出来,它的光谱应该看起来像这样。根据物体的温度,这个形状可能会改变,但对于黑体来说,总会有一个完美的理论光谱形状。 他们预测,宇宙微波背景辐射应该具有这种完美黑体的特征,而这,就是有史以来观测到的最完美的黑体,以及对宇宙如何诞生的准确描述。 又到了“但是”的环节,大爆炸理论没问题吗?不完全是,还有三个巨大的问题悬而未决。 - 第一个被称为“视界问题”。我们已经以极高的精度绘制了宇宙微波背景辐射图,并测量了整个天空的温差,它几乎是完美的,无论你看向哪里,整个信号几乎都精确地是2.7K。问题是,根本没有足够的时间,让温度从宇宙的一端传递到另一端,让所有东西达到一个完全均匀的温度。 即使以光速传播,宇宙微波背景辐射中来自宇宙两端的两个点,也绝不可能在宇宙微波背景辐射光发射前的38万年内达到热平衡,这实际上需要数万亿年。你可能会认为,如果宇宙从一开始就完全均匀,问题就解决了,但如果真是这样,我们今天就不会看到这种抽象的星系分布。 - 第二个问
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