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,
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。
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,
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。