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宇宙大爆炸之謎

宇宙不是從來就有的,也不是永恒的,難道真是大爆炸產生的嗎?人們不得而知。

早在1929年,美國物理和天文學家埃德溫·哈勃(1889—1953年)作出了一個具有里程碑意義的發現,即不管你往哪個方向看,遠處的星系正急速地遠離我們而去。這說明,宇宙正在不斷膨脹。這也意味著,早先星體相互之間更加靠近。事實上,大約在100億~200億年之前的某一時刻,它們剛好在同一地方,所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻,當時宇宙無限緊密。

宇宙大爆炸

埃德溫·哈勃

1950年前后,俄國天文學家喬治·伽莫夫(1904-1968年)第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是地球上常見的那種發生在一個確定的點,然后向四周空氣傳播開去的那種爆炸,而是一種在各處同時發生,從一開始就充滿整個空間的那種爆炸,爆炸中每一個粒子都離開其他粒子飛奔。

根據大爆炸宇宙論,早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體,溫度極高,密度極大,并且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度,這種溫度是當時宇宙狀態的重要標志,因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低,使得原子核、原子乃至恒星系統得以相繼出現。

持相反意見者認為,暴漲、暗物質和暗能量等是大爆炸理論所不能解釋的。沒有這些東西我們就會發現,在實際的天文學觀測和大爆炸理論的預言之間,存在著直接的矛盾。這種不斷求助于新的假設來填補理論與實踐之間鴻溝的做法,在物理學的任何其他領域中是不能被接受的。

離開了暴漲之類的假設,大爆炸理論就無法解釋實際觀測中發現的,同質的、各向同性的宇宙背景輻射。因為那樣的話,它就無法解釋宇宙中相距遙遠的各部分,何以會有著相同的溫度并發出同量的微波輻射。而離開了暗物質,大爆炸理論的預言與宇宙中實際的物質密度就是矛盾的。暴漲所需的密度是核聚變所需的20倍,離開了暗能量,根據大爆炸理論計算出來的宇宙年齡就只有80億年,這比銀河系中許多恒星的年齡還要小幾十億歲。

在反對者不斷質疑的同時,美國射電天文學家彭齊亞斯和蘇格蘭物理學家R·威爾遜發現了宇宙背景輻射,并通過研究證實宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時留下的遺跡,從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據。

20世紀,霍金又對于宇宙起源后10~43秒以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋,從而為我們勾畫出這樣一部宇宙歷史:

大爆炸開始于約137億年前,極小體積,極高密度,極高溫度。

大爆炸后0.01秒溫度為1000億℃,光子、電子、中微子為主,質子、中子僅占十億分之一,熱平衡態,體積急劇膨脹,溫度和密度不斷下降。

大爆炸0.1秒后溫度為300億℃,中子、質子比從1.0下降到0.61。

大爆炸1秒后溫度為100億℃,中微子向外逃逸,正負電子湮沒反應出現,核力尚不足束縛中子和質子。

大爆炸13.8秒后溫度為30億℃,氫、氦類穩定原子核(化學元素)形成。

宇宙大爆炸

大爆炸35分鐘后溫度為3億℃,原初核反應過程停止,尚不能形成中性原子。

大爆炸30萬年后溫度為3000℃,化學結合作用使中性原子形成,宇宙主要成分為氣態物質,并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊,直至恒星和恒星系統。

然而,宇宙大爆炸理論至今仍然缺乏大量實驗的支持,而且我們尚不知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景。

宇宙究竟是不是通過大爆炸而產生的呢?迄今為止還是一個謎。

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