许多伟大的思想家都曾思考过宇宙的起源及其命运,但其中有些最重要的问题仍未解决。虽然宇宙大爆炸经常被误认为是一个单独的事件,但它实际上仍在进行中。这里是天文在线,今天我们将回答这个精妙的问题:为什么宇宙大爆炸仍在发生?你是个追求真相的魔鬼吗?
很多人都听说过宇宙大爆炸,但是这个理论究竟意味着什么?一个普遍的误区是宇宙大爆炸解释了宇宙的起源,但实际上并非如此。自人类诞生始,我们便试图理解宇宙,但有些东西总是谜团!宇宙大爆炸是说——十八亿年前——任何存在都被包裹在密度与温度都无限的一点之中。最终,闸门打开,宇宙也展开。伴随着逐渐的冷却,宇宙依旧不断展开得更多。
这个拥有无限密度与温度的点被称为奇点。奇点也被认为实际上存在于我们的宇宙之中,位于黑洞的中心。因为黑洞有着极大的质量,它的引力可以将任何周围的东西拉向它,甚至是光。黑洞中心的引力奇点拥有几近无限的密度。宇宙大爆炸理论假定宇宙曾经被压缩成一个终极奇点,它的质量与引力足够大,可以将所有物质固定在一个极小的点内。在奇点内,物质、能量,一切都被挤压在一起。
与其他一切一样,这个初始奇点也包括彼此之间无法区分的时间与空间。奇点内储存着极其丰富的热量,然后在某个特定的时刻,宇宙开始膨胀冷却。是什么引发了这次膨胀?宇宙大爆炸理论并未试图回答这个问题,但模型确实提供了关于宇宙历史与可能未来的解释。尽管理论名字如此,宇宙大概并非始于一个字面意义上的爆炸,相反,它是时空的迅速膨胀,在这此期间我们在宇宙中所看到的基本构成要素被创造了出来。并非一切都在远离中心点,而是宇宙中的一切都在远离其他一切。
换而言之,空间本身的规模正在增大。而另一方面,物理物质是有限的。大爆炸宇宙论 [1] 可以追溯到爱因斯坦的广义相对论,然而,反过来说这又源于爱因斯坦对艾萨克·牛顿的万有引力定律的质疑。广义相对论表明,万有引力的本质是存在的质量对时空的弯曲 [2] ,尽管这只有当涉及到巨大的物体时才会真正地值得注意。爱因斯坦最初支持的观点是静态的宇宙,但其他的研究学家,其中最显著的是一位比利时牧师乔治·勒梅特[3],导出了他的方程的解,暗示着宇宙正在膨胀。
第一个真正观察到宇宙正在膨胀的是美国天文学家爱德文·哈勃[4],他是建立在其同胞维斯托·斯利弗的工作基础上的。1917年,斯利弗观察到遥远的星系离地球越来越远。1929年,哈勃意识到这些星系不仅仅正在后退,还有它们正在以成比例的速度向外移动远离我们。我们从何得知呢?秘密就在光之中。光就像声音一样以波的形式传播。可以想象当一辆汽车加速从我们身旁飞驰而过时所发出的声音。随着声音的接近,每个声波到达之间的时间就会越来越短。
然后当汽车行驶离我们远去时,相反的情况发生,声波的频率会变得更低。这种现象被称为多普勒效应[5],它也同样适用于光,除了这一点,光是在颜色上的变化而不是在音调上。当一个物体向观察者移动时,颜色会向光谱的蓝色端移动。当他远离时,可以观察到红移[5]。遥远的星系都是红移的,这意味着它们都在远离银河系。通过观察宇宙论的红移,哈勃得知宇宙正在膨胀。与多普勒效应不同的是,这种红移并非是由于两个物体之间的彼此远离,而是因为它们之间的空间正在扩大。
来自与银河系最近的螺旋星系[6]的光,需要超过200万年才能到达地球。在传播的过程中,光的波常会扩大。星系越远则红移的时间就会越长。因此,更远的星系在以更快的速度后退。虽然,红移是支持宇宙膨胀理论最具说服力的数据,但它并不是唯一的证据。在大爆炸发生约38万年之后,宇宙已经膨胀及冷却到足以让原子形成。
周围跳动的自由电子逐渐减少,这意味着源自宇宙大爆炸的电磁辐射不再被散射。这束古老的光叫宇宙微波背景,现如今仍然能够在整个宇宙观测到它。宇宙微波背景是宇宙初期的重要残留物。在过去的138亿年间,宇宙微波背景已经明显冷却下来;更为重要的是,辐射的温度与其所处位置无关,无论处于宇宙边缘还是银河系,辐射温度大致都是相等的。
好吧——所以宇宙正在膨胀。
但膨胀的尽头是什么呢?
一切物质最终都会慢下来吗?
或是在我们可预见的未来看不见终点?
最初,科学家们认为:由于宇宙的巨大质量,引力可能会减缓膨胀的速率,甚至有可能把膨胀逆转为大挤压。但在1998年,大量对遥远超新星的观测发现,宇宙在不断加快膨胀。
为什么会这样?
在这点上,人们所知甚少,但一些科学家认为暗能量可能是原因所在。虽然恒星和星系体积巨大,但普通物质只占宇宙的5%左右。剩下的95%被认为是暗物质和暗能量,但它们的存在仍然是个谜。光是暗能量就占了宇宙总能量的68%。
一种理论认为:暗能量实际上是“虚空”空间所特有的,宇宙膨胀它也随之而增加。反过来,这种能量促使了膨胀速率的增大,形成了一个只能持续加速的互促循环。
这也意味着,实际上我们要面对的是“大撕裂”而不是“大挤压”。
随着膨胀持续加速和星系的漂移,宇宙会被一直拉伸,直到原子开始分裂。
无论未来会发生什么,宇宙大爆炸是一个持续的过程,它能追溯到宇宙的最开始。已观测到的星系发出的红移光以及逐渐冷却的宇宙背景辐射,告诉我们宇宙只会变得越来越大。
而这就是宇宙大爆炸仍在发生的原因所在。
参考资料:
[1] 大爆炸宇宙论(The Big Bang Theory):主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系在不断的膨胀,使物质密度从密到稀的演化如同一次规模巨大的爆炸。
[2] 广义相对论(General Relativity):是描述物质间引力相互作用的理论。其基础由阿尔伯特·爱因斯坦于1915年完成,1916年正式发表。这一理论首次把引力场等效成时空的弯曲。
[3] 乔治·爱德华·勒梅特:(1894年7月17日-1966年6月20日),比利时神父、宇宙学家。
[4] 爱德文·鲍威尔·哈勃:(Edwin Powell Hubble,1889年11月20日—1953年9月28日),美国著名天文学家,研究现代宇宙理论最著名的人物之一,河外天文学的奠基人和提供宇宙膨胀实例证据的第一人。他发现了大多数星系都存在红移的现象,建立了哈勃定律,被认为是宇宙膨胀的有力证据。同时,他也是星系天文学的创始人和观测宇宙学的开拓者,被称为星系天文学之父。
[5] 多普勒效应: (Doppler effect) 是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移blue shift);在运动的波源后面时,会产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低(红移redshift);波源的速度越高,所产生的效应越大。根据波红(或蓝)移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
[6] 螺旋星系(Spiral Galaxy):是由大量气体、尘埃和又热又亮的恒星所形成,有旋臂结构的扁平状星系。螺旋星系是具有漩涡结构的河外星系,在哈勃的星系分类中用S代表。
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