无穷无尽的宇宙奥秘,是无数科学家们探索的源泉。我们立足于地球,在这个浩瀚宇宙中的一粒尘埃上,对于宇宙的了解仍旧如沧海一粟。
关于宇宙的起源,至今尚未有确凿的解释,我们只能推测宇宙诞生是一个错综复杂的过程。宇宙由物质组成,始终处在不断的变化与发展之中。目前,最广为人知的理论是宇宙起源于一次大爆炸,但是为何一场爆炸能创造如此浩渺的宇宙呢?
目前,关于宇宙的起源,科学家们普遍接受的是大爆炸理论,这一理论是逻辑推理和现有证据的合理结合。
我们来探讨大爆炸理论。长久以来,宇宙的诞生一直是科学家们研究的难题,众所周知,牛顿提出了万有引力定律,但他并未揭示宇宙的起源,这个问题困扰了他的一生,尽管他努力研究,但始终未能找到满意的答案。
在万有引力定律的基础上,牛顿设想宇宙中的一切物体在引力作用下向中心聚拢,最终汇聚成一点,但推动这些天体的力量他却无法解释。
到了二十世纪,爱因斯坦提出了广义相对论场方程,他发现宇宙随时间流逝而膨胀,并且不稳定。然而,当时大多数科学家认为宇宙是稳定的,广义相对论得出的结果与主流观点相矛盾,因此爱因斯坦在方程中加入了一个“宇宙学常数”,用符号Λ表示。
这个宇宙学常数使得方程所描述的宇宙保持静止状态,符合爱因斯坦的“永恒宇宙”理念。但他的做法遭到了很多科学家的反对,其中最具代表性的是勒梅特。
勒梅特认为,爱因斯坦的宇宙学常数不应是固定值,他还提出宇宙原本就处于膨胀状态,它起始于一个炽热的奇点。我们可以利用宇宙学常数Λ描述膨胀速度,但勒梅特的推导依然基于爱因斯坦的广义相对论场方程。
科学理论的正确与否需要证据支持。直到上世纪20年代,哈勃通过长期观察银河系天体发现,大多数天体正远离我们,距离越远,速度越快,这表明空间正在膨胀,导致这些天体远离我们。这是关于宇宙大爆炸问题的第一个观测证据。
紧接着,在上世纪60年代,科学家们发现了宇宙微波背景辐射,以及氦元素的丰度,进一步证实了大爆炸理论。按照这一理论,宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸,起初只是一个能量奇点。理论认为这个奇点没有空间,宇宙半径尺寸接近零,但它被认为聚集了宇宙中的所有物质和能量,是一个密度、热量、温度、压力以及时空曲率无限大,体积无限小的“点”。
在这样的环境下,宇宙中所有的物质和能量被压缩在极高压的环境中,奇点爆炸的瞬间,所有的物质和能量得以释放。如今,我们看到的宇宙中的物质粒子,都是在大爆炸后的4分钟内形成的。38万年后,宇宙温度下降到3000度左右,从粒子粥般的混沌状态变得透明,光子开始穿梭于宇宙中,原子结构得以形成。
尽管大爆炸理论看似荒谬,但它在许多方面符合宇宙的发展规律。实际上,大爆炸理论早已得到多个关键证据的支持。
大爆炸理论的几个关键证据
一:哈勃红移
在20世纪20年代末,哈勃发现,宇宙中几乎所有星系都存在红移现象,星系距离越远,红移越严重,红移值与距离呈正比关系。
二:宇宙微波背景辐射
根据大爆炸理论,138亿年前的宇宙处于极高温状态,尽管经过138亿年的膨胀冷却,温度已大幅降低,但大爆炸后应残留有辐射,科学家们已观测到这种背景辐射,约为2.7K,与大爆炸理论完美契合。
三:宇宙元素丰度
根据大爆炸理论,宇宙中的元素由轻变重。从宇宙学模型推测的元素丰度与早期天体中的元素丰度对比发现,二者与大爆炸理论完全吻合。
除此之外,关于大爆炸理论还有许多观点,如宇宙的各向同性、引力波等,都为这一理论提供了有力的支持。目前,尚未出现反证推翻这一理论,因此大爆炸理论成为解释宇宙起源的主流观点。
奇点大爆炸之后,时间和空间的概念随之产生。随着宇宙膨胀,最先出现的物质是光子、电子、中微子、质子和中子。
38万年后,第一批原子诞生,随之出现最早的恒星——蓝巨星,它们主要由氢元素和氦元素组成,这是宇宙中的第一批元素。由于恒星内部的核聚变,又产生了氧元素和碳元素,更多元素开始形成。重元素出现后,第一批行星随之诞生。
与此同时,在恒星与恒星之间、星系与星系之间发生碰撞,进而形成新的元素和星系……
根据大爆炸理论,空间由奇点创造,并且不断膨胀。一开始,宇宙并无天体,经过足够多的膨胀和冷却后,天体才在引力作用下逐渐形成。由于空间结构持续扩张,宇宙在138亿年的时间里从奇点膨胀至至少23万亿光年的范围,我们目前所能观测到的区域仅为半径465亿光年。
由此可见,空间膨胀速度远超光速,但爱因斯坦的狭义相对论认为光速不可超越。我们需要明白的是,空间并非物质或能量,因此相对论在此并不适用。此外,科学家们发现宇宙膨胀速度也已超越光速。
1927年,勒梅特从弗里德曼方程中推导出宇宙膨胀观点,1929年,哈勃的发现证实了这一观点。哈勃分析了宇宙中星系的光谱,发现大多数星系的光谱显示红移,表明它们正在远离银河系,由此提出了哈勃定律。
根据哈勃定律公式,就可以得出结论:宇宙膨胀导致的退行速度已超越了光速。