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《科学24小时》

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始于烈焰——宇宙大爆炸理论诞生始末

2012-11-30 13:04:10


/张唯诚

 

对于人类而言,回答宇宙起源这个问题就仿佛是一个小矮人在和一头巨兽进行着无谓的搏斗,又像是唐吉诃德在自不量力地进攻风车。然而,人类不懈的努力是有价值的,因为他们终于在接近真理……

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没有昨天的一天

我们一直都认为宇宙是静态和永恒的。古希腊哲学家亚里士多德相信,宇宙已经存在了无限久远的时间,它没有开端,也不会有终点。事实上,在并不是太久以前,几乎所有人也是这么想的。人们认为,时间和空间是绝对的,它们独立于宇宙之外,时间从无限的过去流向无限的未来;空间博大无边,没有疆界,没有止境,所有的物质———星系、恒星、行星和卫星都在这个绝对的时空中,在万有引力的统治下按部就班地运行着。这是一个多么美好的田园诗般的宇宙啊!

倘若这时候有人跳出来说:“不不,宇宙不是这样的,我们都错了。宇宙有一个起点,它产生于一次大爆炸。”人们会怎样呢?是惊讶或不屑,还是赞同呢?事实上,这就是大爆炸理论产生后人们表现出的各种反应。1948 年,美籍俄裔物理学家、天文学家乔治·伽莫夫在《物理评论》上发表文章,指出宇宙是由温度极高、密度极大、体积极小的物质迅速膨胀而成的,其过程犹如一次大爆炸。事实上,伽莫夫也并不是第一个提出这种观点的人。早在1932 年,比利时天文学家乔治·勒梅特就提出了类似的理论,他说宇宙起源于一个原子的放射性裂变。裂变使物质向四周散开,形成了今天的宇宙。但伽莫夫把广义相对论引入宇宙学,提出了热大爆炸宇宙学模型,使宇宙大爆炸理论得以丰富和完善。

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依照现代科学理论,综合此前的研究成果,大爆炸理论宣扬的宇宙诞生的伟大时刻可以作如下描述:

那是137.5 亿年前的某一天,科学家们将那一天称为“没有昨天的一天”,宇宙在一个类似爆炸的急速膨胀中诞生了。爆炸发生于一个科学家们称为“奇点”的时空边缘,“奇点”不是宇宙,却是宇宙的出处,是一种无形的、无限小的存在。在爆炸发生之前,一切都不存在,包括时间和空间。在这之后,宇宙开始拼命地膨胀,并“制造”出各种各样的东西:恒星、星系、星云,以及生命和文明……

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大爆炸一发生,新生的宇宙便开始变凉、变稀。大爆炸后0.01 秒,宇宙的温度高得惊人,约为1000 亿摄氏度,这时的宇宙处在一片混沌之中,其主要成分为光子和中微子。1 秒,宇宙温度下降到100 亿摄氏度。由于密度减小,温度下降,光子通过反应变成了电子,进而又聚合成了中子和质子。之后13.8 秒,宇宙温度为30 亿摄氏度,中子和质子已能形成像氘、氚、氦那样稳定的原子核,化学元素开始形成。3 分钟后,宇宙温度下降到了10 亿摄氏度,宇宙中出现了氢。有了氢和氦,宇宙便具备了最主要的原材料,宇宙的雏形由此形成。宇宙就这样仅用了3 分多钟的时间构建了它宏伟大厦的雏形。下一步,它将用氢和氦去创造灿烂的恒星和星系了。

30 万年后,宇宙中的中性原子开始形成,其温度已降到3000 摄氏度,绝大多数自由电子在化学作用下被束缚在了中性原子中。至此,宇宙的主要成分还是气态,但随着温度的进一步下降,它们慢慢地凝聚成密度较高的气体云,这些气体云又进一步聚拢成各种恒星和星系,经历了大约140 亿年的演化后,宇宙终于形成了今天我们看到的样子。

牛顿宇宙观的终结

若不是有了人类对星系的具有划时代意义的观测和后来发生的许多事,谁又真会去相信这种比神话还要离奇的描述呢?然而事实上,对于此前牛顿万有引力统治下的宇宙观,人们的疑虑也是存在的,例如在那种宇宙观中,宇宙是永恒的,没有起点和终点。假若果真如此,那么宇宙就应该已经存在无限长的时间了。如果万有引力是正确的,如此长的时间必然要导致一个结果,那就是星系在万有引力的作用下慢慢靠拢,所有物质会聚在一起,宇宙在碰撞中灰飞烟灭。然而正如大家所看到的,这种事并没有发生。

于是,一种更新的稳恒态宇宙模型应运而生,在这种模型中,由于引入了弯曲空间的概念和代表斥力的宇宙学常数,牛顿宇宙学中万有引力带来的麻烦似乎可以消除了。然而即便如此,稳恒态宇宙观也要面对难以自圆其说的尴尬,因为光泄露了星系的秘密,向我们展示了星系运行的状态。

我们知道,光是恒星和星系的重要特征,随着人类观测宇宙技术的不断进步,人们逐渐发现,研究光是探索宇宙极为有效的手段。光不仅能让我们知道远方天体和我们之间的距离,还能告诉我们,它们的运动状态和物质构成。例如,人们通过对远方天体光的研究确定了银河系的直径。同样地,人们也用这种方法知道了在我们的银河系之外还有无数河外星系。另外,通过对光谱的分析,人们知道了太阳和远方的恒星是同一类的物质,它们的主要组成都是氢和氦,这使我们明白了我们的太阳也只不过是一颗普通恒星而已。

光在本质上是一种电磁波。现在让我们设想一下,当远方的一个星系径直朝着我们飞来,另一个星系却离我们远去,它们在我们的视线中会不会呈现出不同的情景呢?事实证明会的。尽管星系由于离我们太远,它们的径向运动很难察觉,但星系的光却呈现出了相应的变化。朝我们飞来的星系,由于高速运动,它的光波会压缩,从而变得短一些,使得光色偏蓝,表现在光谱上,其谱线朝蓝端移动了一段距离,称为蓝移;而离我们远去的那个星系,则会在高速运动中把波长拉长,使得光色偏红,表现在光谱上,其谱线会朝红端移动一段距离,称为红移。这样一来,人们只要观测到星系的蓝移量和红移量就能知道星系的运动方向和速度了。

上世纪20 年代,美国天文学家爱德文·哈勃用望远镜观测了很多河外星系。他发现,绝大多数星系都发生了红移。1929 年,哈勃发表了一篇题为《河外星系距离与视向速度的关系》的文章,他的结论是,宇宙中的所有星系都正在离我们远去!

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大爆炸余辉未尽

为什么会这样?因为宇宙在膨胀。大爆炸理论显然给予了合理的解释。哈勃还发现,离我们越远的星系,背离我们向远处运动的速度就越快。于是他明白了,星系的退行速度与它们的距离是成正比的,这就是著名的“哈勃定律”。有了这个定律,人们就能推算宇宙的年龄,因为如果宇宙在膨胀,那么它的过去就一定比现在年幼,时间离我们越久远,宇宙一定就越年轻。而且,根据“哈勃定律”,我们还能算出星系回到某一点时需要多少时间,这样一来,沿着时间回溯,我们就可以像看一段倒放的影片一样回到很久很久以前,那最终的目的地一定是一个点,宇宙中所有的物质都要回到那里去,那就是大爆炸理论寻觅的“奇点”——宇宙的源头,万物的开端,一切的起点。今天,人们通过很多努力已经相对精确地推算出了宇宙收缩到那个点时所需要的时间———137.5 亿年,这就是宇宙的年龄!

但星系的膨胀就一定是宇宙大爆炸的结果吗?如果是,那必然会有辐射残留下来,相当于大爆炸的“余辉”,而且应该充斥整个宇宙,它们的波长会随着宇宙的膨胀而被拉长,最终变成波长很长的“微波”,这就是当时人们预测的宇宙微波背景辐射。这种辐射存在吗?1964 年,美国贝尔实验室的两位天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊果然发现了这种辐射,他们在测试一架卫星天线时意外地检测到一种干扰测试的微波噪音。无论他们把天线指向天空的什么方向都不能排除那种噪音。最后人们确定,他们探测到的,就是宇宙微波背景辐射。由于这个惊人的发现,彭齐亚斯和威尔逊双双荣获了1978 年诺贝尔物理学奖。

在此后的好多年里,为了确认宇宙微波背景辐射,科学家们进行了大规模的探测。1989 11 月,美国发射了COBE 卫星(宇宙背景探测者),全面探测了微波背景辐射在各个方向上的分布,绘制了一幅宇宙早期的辐射图像,科学家们将它戏称为“宇宙蛋”。卫星还测得微波背景辐射的温度为2.7K,与理论上的预测大致相当。2001 年,美国又发射了威尔金森各向异性探测卫星(WMAP),对微波背景辐射进行更精确的测定,找出了宇宙微波背景辐射在温度上的微小差异,测得宇宙的年龄为137.5 亿岁,并显示宇宙由23%的暗物质,73%的暗能量和4%的普通物质组成。2009 5 14 日,欧洲空间局也发射了一颗名为“普朗克”的科学探测卫星,并由它绘制出一幅“宇宙蛋”的图像,最终形成了我们今天看到的星系。

终极难题魅力永存

然而,问题解决了吗?还没有。宇宙大爆炸理论还没有回答一个重要的问题,那就是宇宙中的各种元素是如何形成的。对于这个问题,英国天文学家、稳恒态宇宙观的倡导者福雷德·霍伊尔首先提出了一套颇具建设性的理论。霍伊尔说,宇宙中的恒星是由氢聚集而成的,氢原子在恒星的中心发生核聚变后生成氦,氦继续聚变成氮、氧、硫,如此持续,合成越来越重的原子,最终合成铁。比铁更重的元素,则在类似超新星爆发的环境中产生,而碳、氧、铁等重元素又在恒星死亡时被喷发出来,成为凝结新的恒星和行星的“原材料”。

霍伊尔的理论虽然很好地解释了构成星体的各种元素的由来,但没有解释形成恒星的氢是如何生成的,对氦在宇宙物质总量中的比例也估计不准,与观测结果严重不符。在这一点上,恰恰是大爆炸理论给出了答案。大爆炸理论认为,氢和氦是在宇宙诞生之初的高温条件下合成的。大爆炸首先迫使很多氢在宇宙中聚变成了氦,所以宇宙形成恒星的时候,就不单纯是氢了,而是由氢和氦一起构成的。正因为这样,我们在宇宙中测出的氦才如此丰富。大爆炸理论预计宇宙中氦的丰度为25%,氢的丰度为75%,这个数据与人们对宇宙的实际观测结果是一致的。

星系的红移、宇宙微波背景辐射、对轻元素丰度的观测,所有这些似乎都在支持着大爆炸理论。然而,如何解释奇点呢?大爆炸理论认为,宇宙开始于一个非常小的点,这就是奇点。可是奇点之外是什么?大爆炸之前有什么?这又该作何解释呢?这的确是个问题。可大爆炸理论认为,这是不应该成为问题的。按照爱因斯坦的相对论,时间和空间是合为一体的四维时空,所以奇点既是时间的起点,又是空间的起点。霍金对这个问题也作了解释,指出在广义相对论中时间和空间不再是绝对的,也不再是事件的固定背景,相反,它们的形状要由宇宙中的物质和能量来确定,只有在宇宙中它们才能被定义,所以谈论宇宙开端之前的时间有点像在地球上寻找比南极还要南的地方一样,是没有意义的。另有一种猜测说,大爆炸之前也是一个宇宙,它收缩到高密的状态后产生了大爆炸,不过要证明这个就更加困难了。

大爆炸理论虽然解释了宇宙起源的一些现象,但它面临的挑战也是层出不穷的。例如,人们在研究宇宙的形状时,认为宇宙是平直的,但宇宙的质量密度又远远不足以使宇宙处于平直状态。于是科学家们认为宇宙中存在着“暗物质”,可“暗物质”是什么呢?在研究宇宙的年龄时,大爆炸理论认为,宇宙一直在加速膨胀,于是又引入“暗能量”这个提供斥力的概念,可是“暗能量”又是什么呢?目前这些都无法解释。

事实上,对人类而言,回答宇宙起源这个问题原本就是一次对人类思维能力的极限挑战,因为宇宙太辽阔、太久远了,而人类在宇宙中的存在又是如此的渺小和短暂,试图回答这种终极问题就仿佛是一个小矮人在和一头巨兽进行着无谓的搏斗,又像是唐吉诃德在自不量力地进攻风车。然而,人类不懈的努力是有价值的,因为他们终于在接近真理。





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