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五大證據支持宇宙大爆炸理論:夜空是黑色、存在類星體!

約138億年前, 如今的可觀測宇宙還僅有一個桃子大小, 且溫度超過1萬億攝氏度。

宇宙剛誕生時的膨脹速度極快

這話聽起來簡單,

但非常大膽, 做出這樣的論斷也並非易事。 就在一百年前, 人們還認為這種說法極為荒謬。 而如今我們說出這樣的話, 卻覺得稀鬆平常。 但正如科學界常態一般, 像這樣的論斷看似簡單, 其實包含了無數證據。 這些證據相互獨立, 卻都指向同一個結論——在本文中便是宇宙大爆炸, 即宇宙起源的模型。

但光說不算, 下面列舉了五點支持宇宙大爆炸理論的證據。

夜空是黑色的

設想一下, 我們生活在無論是時間還是空間均沒有盡頭的宇宙中。 恒星的光芒始終向四面八方照耀, 過去和未來都始終如此。 這意味著無論你朝夜空中看向何處, 都能看到一定距離之外的某顆恒星。 假如宇宙無限大, 就必然會出現這樣的結果。

而假如宇宙的時間沒有起點、亙古如此,

那麼光線從這顆行星抵達地球必將經歷很長時間。 就算中間有塵埃擋路, 也不會削弱由無數顆恒星在無限大的宇宙中累積起的星光。

假如真是這樣, 夜空應該明亮得耀眼才對。 但事實剛好相反, 宇宙幾乎一片黑暗, 虛無, 空曠, 一無所有。 這正是我們心目中對太空的印象。

德國物理學家海因裡希·奧伯斯也許並不是首個發現這一明顯悖論的人, 但他的名字卻與之掛了鉤:人們將其稱為奧伯斯佯謬。 有沒有簡單的解釋呢?有:要麼宇宙的空間有限, 要麼時間有限, 要麼時空都有限。

類星體的存在

上世紀五六十年代, 高精度射電望遠鏡剛剛問世, 研究人員便注意到了宇宙中存在一些詭異的強射電源。

通過大量天文學研究, 科學家判定, 這些“類型射電源”、又稱“類星體”其實是非常遙遠、同時極為明亮和活躍的星系。

這裡最重要的一點, 便是結論中“非常遙遠”這條描述。 由於光的傳播需要時間, 我們見到的恒星和星系並不是它們此時此刻的模樣, 而是數千年前、數百萬、甚至數十億年前的樣貌。 這就意味著, 我們朝宇宙中探索得越遠, 就相當於追溯到更古老的過去。 我們在遠處宇宙中發現了許多類星體, 說明此類星體在幾十億年前十分常見。 但在我們的鄰域宇宙、即更年輕的宇宙中, 則幾乎找不到任何類星體。 而假如年輕宇宙中也存在類星體, 我們在鄰近宇宙中本應發現更多類星體才對。

結論很簡單:過去的宇宙與今日不同。

宇宙在膨脹

我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中。 就整體而言, 星系都在不斷遠離彼此。 誠然, 由於一些殘留的引力影響, 小範圍內天體也會發生碰撞, 就像銀河系將在幾十億年後與仙女座相撞一樣。 但在大範圍內, 宇宙膨脹是不爭的事實。 這是天文學家愛德溫·哈勃在20世紀早期發現的現象。

在不斷擴張的宇宙中, 規則非常簡單。 每個星系都在遠離(幾乎所有)其它星系。 遠處星系發出的光線會發生紅移, 即光線波長增加, 從其它星系的角度來看便變得“更紅”。 你也許會以為這是由於單個星系加速運動造成的, 但這種說法從數學來看無法說通。

某一特定星系的紅移值與它和觀察者之間的距離成正比,

當距離翻倍時, 紅移值恰好也會隨之翻倍。 如果僅用星系運動來解釋該規律, 只能說明宇宙中的所有星系都“同意”遵守這一運動模式, 聽上去頗有陰謀論的感覺。

但除此之外, 還有另一種更簡單的解釋:星系遠離彼此, 其實是由於星系之間的空間擴張所致, 與星系本身的運動無關。

我們生活在一個不斷變化的宇宙中。 過去的宇宙比今日要小, 未來的宇宙則比今日更大。

殘餘輻射

讓我們來做個遊戲。 假設宇宙過去比現在小, 就意味著過去宇宙密度更大, 溫度更高。 因為宇宙中的所有物質都被局限在一處狹小的空間中, 密度越大, 溫度也自然越高。

如果宇宙的體積小到一定程度, 如只有目前的一百萬分之一, 所有物質便會被緊緊壓在一起,形成等離子體。在這一狀態下,電子將不受原子核的束縛,以自由電子的形式存在。此時,所有物質都暴露在極強的高能輻射中。

但隨著嬰兒期的宇宙逐漸膨脹,溫度也隨之降低。當宇宙冷卻到某一程度時,電子突然在原子核周圍聚集,形成了首批氫原子和氦原子。此時極強的輻射在剛剛形成的、幾近透明的宇宙中自由穿梭,絲毫不受拘束。而隨著宇宙進一步擴張,剛離開光源時接近白熱化的光逐漸冷卻,一直降低到接近絕對零度,此時光線的波長落在了微波波段範圍內。

如果用微波望遠鏡瞄準天空,我們能看到什麼呢?答案是,從四面八方圍繞著我們的宇宙背景輻射,且在各方向上分佈得近乎均勻(差異度僅為10萬分之一)。這就像看到宇宙“嬰兒時期”的照片,又像收到從亙古之初寄來的明信片。這些光線的年齡幾乎和宇宙本身一樣久遠。

元素構成

把時間撥回到宇宙微波背景形成之前。在某一個時刻,宇宙中的物質密度高到連質子和中子都尚未出現,只有它們的基本成分誇克和膠子,這些物質構成了一鍋“粒子湯”。但在宇宙形成後的最初幾分鐘內,隨著宇宙膨脹、冷卻,氫和氦等輕原子核逐漸凝結誕生。

如今我們對核子物理已有了較為充分的瞭解,也可以借助這一知識估測宇宙中輕元素的相對總量。估測結果顯示,在當初那鍋不斷凝結的“粒子湯”中,約包含四分之三的氫,四分之一的氦,以及少量“其它元素”。

而天文學家發現,宇宙恰好由約四分之三的氫、四分之一的氦、以及少量“其它元素”構成。正好與物理學家對宇宙誕生時的估測相吻合。

當然,除此之外還有更多證據。要證明宇宙大爆炸理論,本文所舉的這些例子僅僅是開了個頭。畢竟,眾多相互獨立的證據鏈均指向同一結論:宇宙年齡約138億年,它一度只有一個桃子那麼大、同時溫度高達1萬億攝氏度。

所有物質便會被緊緊壓在一起,形成等離子體。在這一狀態下,電子將不受原子核的束縛,以自由電子的形式存在。此時,所有物質都暴露在極強的高能輻射中。

但隨著嬰兒期的宇宙逐漸膨脹,溫度也隨之降低。當宇宙冷卻到某一程度時,電子突然在原子核周圍聚集,形成了首批氫原子和氦原子。此時極強的輻射在剛剛形成的、幾近透明的宇宙中自由穿梭,絲毫不受拘束。而隨著宇宙進一步擴張,剛離開光源時接近白熱化的光逐漸冷卻,一直降低到接近絕對零度,此時光線的波長落在了微波波段範圍內。

如果用微波望遠鏡瞄準天空,我們能看到什麼呢?答案是,從四面八方圍繞著我們的宇宙背景輻射,且在各方向上分佈得近乎均勻(差異度僅為10萬分之一)。這就像看到宇宙“嬰兒時期”的照片,又像收到從亙古之初寄來的明信片。這些光線的年齡幾乎和宇宙本身一樣久遠。

元素構成

把時間撥回到宇宙微波背景形成之前。在某一個時刻,宇宙中的物質密度高到連質子和中子都尚未出現,只有它們的基本成分誇克和膠子,這些物質構成了一鍋“粒子湯”。但在宇宙形成後的最初幾分鐘內,隨著宇宙膨脹、冷卻,氫和氦等輕原子核逐漸凝結誕生。

如今我們對核子物理已有了較為充分的瞭解,也可以借助這一知識估測宇宙中輕元素的相對總量。估測結果顯示,在當初那鍋不斷凝結的“粒子湯”中,約包含四分之三的氫,四分之一的氦,以及少量“其它元素”。

而天文學家發現,宇宙恰好由約四分之三的氫、四分之一的氦、以及少量“其它元素”構成。正好與物理學家對宇宙誕生時的估測相吻合。

當然,除此之外還有更多證據。要證明宇宙大爆炸理論,本文所舉的這些例子僅僅是開了個頭。畢竟,眾多相互獨立的證據鏈均指向同一結論:宇宙年齡約138億年,它一度只有一個桃子那麼大、同時溫度高達1萬億攝氏度。

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