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宇宙起源之问

  • 何幸
  • 日期:2018-12-28
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       每当我们在夜晚抬起头来,看着黝黑的夜空,心底都会涌现出一个问题:宇宙从何而来?这个问题小孩子就能提出来,但是解决它却十分不简单。现在的主流科学认为宇宙起源于一次大爆炸,但这个理论的诞生过程并不是一帆风顺的。

 

大爆炸理论的诞生——内在的离奇

 

       热大爆炸理论从诞生之日起就带有戏谑的味道。论文发表于一九四八年愚人节的《物理评论》上,原本有两位作者:伽莫夫(George Gamow)和他的学生阿尔弗(Ralph Alpher)。为了凑成希腊字母的前三个αβγ,伽莫夫又心血来潮地拽上不相干的贝特(Hans A. Bethe)博士入伙。在很长一段时间里,这个离奇的理论基本上被当成一个笑话或纯粹的智力游戏。没有人认真对待它。毕竟这个奇怪的学说与人们一直认同的稳恒态宇宙大相径庭。

宇宙的演化

       那么什么是大爆炸理论呢?大约138亿年前,我们的宇宙创生于一个时空奇点的大爆炸。在漫长岁月的洗礼下,它从极高温的混沌状态开始演变,逐渐形成基本粒子、核子,然后经过原初核合成,产生氢和氦的原子核。之后约38万年,宇宙中形成稳定的中性氢原子与早期宇宙背景微波辐射。接着在原初密度涨落的影响下,又逐渐形成由宏观物质构建起来的大尺度结构雏形。到了宇宙4亿岁时,第一代恒星终于形成,而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。从那以后,由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成。最终,我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。

 

大爆炸的余晖

 

       而想要研究宇宙的起源就离不开对宇宙诞生初期的哼声——宇宙背景微波辐射(CMB)——的研究。CMB研究的发展极大程度地推动了对宇宙形态的研究。2013年3月21日欧洲航天局在其巴黎总部公布了根据“普朗克”太空探测器传回数据绘制的宇宙微波背景辐射图,通过这副背景图推出了宇宙诞生初期的全景图。这幅迄今最精确的反映宇宙诞生初期情形的全景图几近完美地验证了宇宙标准模型。除了以前所未有的精确度很好地验证了宇宙标准模型外,这幅图还反映出一些与现有宇宙理论不同之处,修正了人们此前的认识。根据“普朗克”探测器收集的数据,科学家对宇宙的组成部分有了新的认识,宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设,而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少,占不到70%。

       此外,反映宇宙膨胀率的哈勃常数也被修正至67.15公里/(秒·百万秒差距),即一个星系与地球的距离每增加一百万秒差距(一秒差距约为3.26光年),其远离地球的速度每秒就增加67.15公里。这个数据意味着宇宙的年龄约为138.2亿年。

       宇宙微波背景辐射被认为是“大爆炸”的“余烬”,均匀地分布于整个宇宙空间。“大爆炸”之后的宇宙温度极高,之后30多万年,随着宇宙膨胀,温度逐渐降低,宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的。

哈勃发现星系飞离我们

 

宇宙起源的探查者——普朗克号

 

       欧航局的“普朗克”探测器于2009年5月从法属圭亚那库鲁航天中心升空入轨,其主要任务是探测宇宙微波背景辐射,帮助科学家研究早期宇宙形成和物质起源的奥秘。2010年,欧航局根据“普朗克”探测器传回的数据绘制了首幅宇宙全景图,此次公布的宇宙微波背景辐射全景图是在宇宙全景图的基础上绘成的。

宇宙微波

 

理论的检验——问题与发展

 

       任何科学理论都需要进行不断的检验,大爆炸理论自然也不会例外。既然宇宙来自于一个奇点的大爆炸。那么这个温度奇高、密度奇大的奇点又来自哪里呢?对这个问题,暴胀(inflation)理论可以一定程度上的进行解释。这个离奇的想法可以用“石破天惊”来形容,因为它需要早期宇宙在极短的时间内疯狂地加速膨胀。它认为,在大爆炸后约10^-36秒到10^-32秒短暂的时间内,宇宙的单位空间尺度被放大约1080倍。这相当于瞬间把亚原子尺度的空间扩张到了太阳系尺度,这样可以抹平原初宇宙可能存在的不均匀性,于是自然地解释了我们今天看到的均匀宇宙。而且,本该存在于微观世界的量子涨落也被拉扯到了宏观尺度上,导致了CMB温度涨落与原初密度扰动的产生,也为大尺度结构的形成埋下了种子。这也就是说,我们所看到的一切都是来自于量子的涨落,人类、行星、恒星乃至银河、宇宙中的星系团,都是由宇宙初期的量子涨落产生的。这使得宇宙的均匀性和大尺度都得到了合理的解释,对大爆炸初期的条件也不再那么苛刻。

       但是由于奇点在暴胀理论中依旧是无法避免的,而这个奇点又令物理学家无比的头疼,于是为了解决问题,大反弹理论应运而生,在这类理论图像中,大爆炸之前的宇宙处于一个收缩过程,体积越来越小,直到某一时刻宇宙收缩到一个极小值,然后反弹进入标准的热大爆炸膨胀阶段。由此可见,反弹学说的提出,不仅继承了热大爆炸宇宙学的成功之处,还避免了那个会让宇宙学家头皮发麻的时空奇点。因此,它进一步推动了热大爆炸宇宙学的理论发展。

反弹宇宙学图像

 

前景

 

       但宇宙的开始究竟是以一种什么方式展开的仍旧是未解之谜,要想真正的找到宇宙之初的秘密还需要一个至关重要的证据——原初引力波。但遗憾的是,原初引力波一直没有被实验检测到,这就使得我们无法直接得出哪种理论是正确的。不过,2016年中国科学院启动中美合作“阿里原初引力波探测实验”项目——阿里计划,该项目由中国科学院高能物理研究所牵头,国家天文台、西藏大学等科研机构参与,计划在北半球率先开展地面原初引力波观测实验,可与南半球台址已建成的实验互补和相互印证。阿里原初引力波探测实验一期预计于2020年建成,将是国际上海拔最高的原初引力波观测站,与南极极点、智利阿塔卡马一起为国际原初引力波观测的三大基地。这将弥补我国在原初引力波探查方面的漏洞,也会成为人类探求宇宙形成奥秘的有力工具。

COBE、WMAP、Planck三代卫星拍摄的宇宙微波背景辐射各向异性温度涨落

 

总结

 

       当我们通过精密测量空间航空器之间距离,进而能够检测到引力波,就会打开极早期宇宙的新窗口。引力波从最早的时刻自由地向我们传播,所有介入的物质都无法阻碍它。与此相比较,自由电子多次地散射光。这种散射一直进行到 30万年后电子被凝结之前。

       尽管我们已经取得了一些伟大成功,并非一切都已解决。我们观察到,宇宙的膨胀在长期的变缓之后,再次加速。对此理论还不能理解清楚。由于缺乏这种理解,对宇宙的未来还无法确定。它会继续地无限地膨胀下去吗?暴胀是一个自然定律吗?或者宇宙最终会再次坍缩吗?新的观测结果,理论的进步正迅速涌来。

       宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近这古老问题的答案:我们为何在此?我们从何而来?

 

 

 

 

作者:王昊、胡博翔

编辑:李增