在宇宙探索的讨论中,一个长期的议题一直激发着我们的好奇心:大爆炸理论是否真的描述了我们宇宙的起源?是何人设计了这神秘的宇宙?
在上个世纪的科学长河中,爱因斯坦的广义相对论引领了新的思考潮流。他提出,牛顿所论述的引力,本质是物质对空间结构的扭曲效果。
爱因斯坦提出了一个生动的比喻,设想时空如同一张软床,一个巨大的球体置入其中,床面自然会因重量而凹陷;附近较小的球体,亦会顺势滚向重球所造成的低洼处。
基于此,爱因斯坦推测,太阳的庞大质量对空间的扭曲程度,将足以改变通过的星光路径。
这个理论随后被爱丁顿的观测所证实,其测算的星光偏折角度与广义相对论的预测惊人地一致。
数学的表达与实际观测的印证,是科学的典范。
广义相对论的成功,促使科学家利用它来探究宇宙的诞生。但得出的计算结果却出人意料:宇宙的不稳定性导致所有天体最终坠入一个巨大的“坑”中。
难道宇宙注定走向自我消亡?
当时,稳态宇宙的观点占据主流。爱因斯坦并不完全接受自己的计算结果,因此引入了一个常数,以保持宇宙的稳定。
但后来证明,他之前的计算是正确的:宇宙的确是动态变化的。
对抗天体间引力的,正是宇宙的膨胀。
比利时的勒迈特提出,如果宇宙真的在膨胀,那么今天的宇宙必定比昨天的更大,昨天的又比前天的大;反之,追溯回过去,宇宙将收缩至一个极小的、高密度的点,即所谓的“宇宙蛋”。
这便是大爆炸理论的开端。
观测宇宙膨胀的明亮“灯塔”:
科学家们曾宣称,无法通过观测检验的理论并非科学。
哈勃,这位杰出的天文学家,提出了著名的哈勃定律。定律简述为:天体离地球越远,它远离我们的速度越快。这速度,即著名的“退行速度”。
哈勃定律常用于计算遥远星系的距离。例如,很多人曾认为仙女座位于银河系内,但根据哈勃定律的测算,仙女座与地球的距离超过了银河系的直径,因此得出结论:仙女座其实是另一个星系。
科学家们需要一种标记物来测量宇宙尺度的遥远,那就是造父变星。这种星体亮度周期性变化,科学家发现其闪烁周期规律,从而计算出星系与地球的距离。
火车出站时的汽笛声,与宇宙膨胀有关:
当火车出站时,其汽笛声总是开始时尖利,远去时低沉。初中物理告诉我们,这叫做“多普勒”效应。
声波或光波的波长会因波源移动速度的快慢而变化。红移现象揭示了星系远离我们的事实,膨胀在与引力作斗争。
科学家们由此得知,星系远离我们的速度与距离成正比。
宇宙大爆炸理论面临的挑战:
尽管大爆炸理论有数学支持与观测验证,但最初也存在缺陷。
“时标困难”是其中之一。哈勃根据自己的规律计算出宇宙约18亿岁,而地质学家发现地球至少30亿岁。
这个问题后来由德国的巴德解决,他发现哈勃未曾区分的造父变星两类,修正后星系的距离翻倍,宇宙年龄也翻倍。
后续校准后,科学家们认为宇宙年龄约在100亿至200亿年之间,这一缺陷得以解决。
另一个缺陷是“原子丰度”。实际上,宇宙中各种原子的数量应相对均衡,然而现实中氢和氦两种原子占了宇宙原子总数的99.9%。
为何会这样?美国核物理学家伽莫夫提出,宇宙初生时是一锅“氢原子汤”,其他原子均由氢原子通过核反应产生。
伽莫夫的理论同样以数学为工具,精确计算了宇宙从大爆炸至今的温度和密度。
又一个重要证据:宇宙微波背景辐射。
宇宙大爆炸之初,到处充满光。30万年后,宇宙温度下降,部分光开始向外辐射。
科学家认为,这些光波即使经过100多亿年也不会消失,它们是“宇宙微波背景辐射”,大爆炸理论最重要的证据。
但这种辐射非常微弱,科学家们在偶然中发现了它。
贝尔实验室有一台精密射电天线,接收卫星信号。科学家在检查时,发现无论朝向何方,都能接收到一种微波噪音。
尽管费尽心力排除干扰,噪音仍然存在。科学家们最终确认:这种噪音是宇宙微波背景辐射。
霍金提出了另一个模型:
霍金支持大爆炸理论,与彭罗斯提出“彭罗斯-霍金奇点定理”。
他们用数学证明,如果广义相对论正确,且观测到的物质数量准确,那么宇宙必定诞生于一个奇点。
但霍金引入量子理论,提出了无边界宇宙模型。
量子力学与相对论通常各自独立,但霍金认为研究奇点时,两者必须结合。
根据相对论,宇宙要么无限,要么始于奇点。但量子力学的引入提供了新可能:一个“有限无界”的宇宙。
就像地球,体积有限但无界。无边界宇宙模型里的宇宙是一个四维时空,既有限又无界,无需创生与消失,它就是存在本身。
这只是设想,目前主流的宇宙模型仍是大爆炸理论。
几点启示:
普通人看待物理理论时,多从哲学角度出发,是感性的。
真正的科学理论能用数学表达,并敢于接受检验。
科学从不满足于现有认知,始终在探索真理。
对科学的崇尚应基于谦逊与质疑精神,持续仰望星空,探索未知。
因此,坚信我们生活在一个真实世界,始终不失为一个好选择!
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