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2021年底發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,正把人類的視線推向130多億年前的宇宙。
按大爆炸理論的劇本,那時該是星系萌芽的“宇宙童年”,但望遠鏡傳回的圖像卻讓人撓頭,那些遙遠星系不僅存在,還已發(fā)育得相當成熟。
這事就像在考古時發(fā)現(xiàn)公元前的青銅器上刻著現(xiàn)代微積分公式,直接戳中了現(xiàn)有宇宙學(xué)模型的痛處。
膨脹宇宙的百年拼圖
1929年,美國天文學(xué)家哈勃盯著望遠鏡數(shù)據(jù)犯了嘀咕:遠處的星系都在飛速遠離地球,而且越遠跑得越快。
這一發(fā)現(xiàn)顛覆了當時的認知,宇宙不是靜態(tài)的,而是在膨脹。
就像往面包里撒葡萄干,烤箱加熱后面包膨脹,葡萄干自然彼此遠離。
比利時學(xué)者勒梅特,早幾年就從愛因斯坦的方程里算出了膨脹解,可連愛因斯坦自己都覺得“這模型太離譜”,還特意在方程里加了個“宇宙常數(shù)”來維持靜態(tài)宇宙的設(shè)想。
直到哈勃的觀測證據(jù)砸在面前,他才無奈承認:“我犯了這輩子最大的物理學(xué)錯誤。”
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這場“膨脹宇宙”的認知,最終催生了大爆炸理論的核心構(gòu)想,既然宇宙在膨脹,那倒推回去,它必然曾是個體積極小、密度極高的奇點。
1949年,英國天文學(xué)家霍伊爾在廣播節(jié)目里調(diào)侃地稱其為“大爆炸”,這名字就這么歪打正著地傳開了。
1964年,兩位工程師偶然發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射(CMB),更被視作大爆炸留下的“余溫”,成了理論最堅實的證據(jù)之一。
但這套理論并非天衣無縫,按宇宙學(xué)原理,早期宇宙該是均勻分布的“粒子湯”,可均勻的物質(zhì)怎么聚集成星系?就像把糖撒進咖啡里,若沒有攪拌,糖粒很難自己聚成塊。
科學(xué)家只好假設(shè)早期宇宙存在“密度擾動”,像撒在湯里的鹽粒,成為星系形成的種子。
更棘手的是“精細調(diào)節(jié)”問題,宇宙膨脹速率若比當前值偏差百億億分之一,要么膨脹太快物質(zhì)來不及聚集,要么塌縮成黑洞,根本不會有恒星和生命。
這種“恰到好處”讓不少人懷疑:難道宇宙參數(shù)是被“設(shè)計”好的?
更讓人頭疼的是“失蹤的宇宙”,算上所有能看見的恒星、星系,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們只占宇宙臨界密度的5%左右。
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1933年,瑞士天文學(xué)家茲威基就發(fā)現(xiàn)星系團的運動速度快得離譜,必須存在看不見的“暗物質(zhì)”才能解釋引力。
可找了近百年,暗物質(zhì)的真身還是個謎。
1998年,超新星觀測又扔出重磅炸彈,宇宙膨脹竟然在加速!為了解釋這反常識的現(xiàn)象,愛因斯坦當年拋棄的“宇宙常數(shù)”被重新請回,化身成占宇宙70%的“暗能量”。
但暗能量究竟是什么?說實話,科學(xué)界至今搞不清,只能自嘲這是“用未知解釋未知”。
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哈勃常數(shù)的世紀之爭
測量宇宙膨脹的速率(哈勃常數(shù)),本該是驗證理論的關(guān)鍵。
但近年來,“早期宇宙”和“晚期宇宙”的測量結(jié)果卻鬧起了別扭。
用CMB數(shù)據(jù)算出的膨脹速率,比用超新星、造父變星等“標準燭光”測出的值低了約10%。
這就像拼一幅千年古畫,用畫的左半部分推測整幅畫的尺寸,和右半部分的實測結(jié)果對不上號。
有人猜測暗能量可能隨時間變化,甚至懷疑暴脹理論需要修正。
2023年的一項研究暗示,愛因斯坦的宇宙常數(shù)或許并非恒定,這給本就混亂的局面又添了把火。
韋伯望遠鏡的觀測結(jié)果,更是讓理論面臨考驗。
按現(xiàn)有模型,大爆炸后約5億年才該出現(xiàn)第一批恒星,但望遠鏡卻拍到了132億年前(大爆炸后約5億年)就已成型的星系團。
這些“早熟”的星系就像突然出現(xiàn)在幼兒園畢業(yè)典禮上的大學(xué)生,完全超出了理論預(yù)期。
有科學(xué)家坦言:“要么是我們對星系形成的物理過程理解錯了,要么就是大爆炸模型需要動大手術(shù)。”
當“假設(shè)”成為理論支柱
如今的大爆炸理論,就像一座用幾根“假設(shè)支柱”撐起的大廈:宇宙暴脹解釋了密度擾動,暗物質(zhì)填補了引力缺失,暗能量驅(qū)動著加速膨脹。
但這三大支柱都缺乏直接證據(jù),2004年,一群科學(xué)家在《新科學(xué)家》上公開質(zhì)疑:“在其他物理領(lǐng)域,這種不斷用新假設(shè)填補漏洞的做法,早該被質(zhì)疑理論的有效性了。
”這話雖尖銳,卻點中了要害,如果用“無法定義的神秘力量”來解釋宇宙,和古人用“神靈意志”解釋自然現(xiàn)象又有何本質(zhì)區(qū)別?
必須承認,大爆炸理論仍是目前解釋宇宙起源最成功的模型,它預(yù)言了CMB、元素豐度等關(guān)鍵現(xiàn)象。
但歷史多次提醒我們:牛頓力學(xué)曾被視為終極真理,最終卻被相對論和量子力學(xué)改寫;“以太”理論曾風(fēng)靡一時,最終被證明子虛烏有。
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面對韋伯望遠鏡揭示的新謎題,或許我們該像愛因斯坦說的那樣保持謙卑:“理論的真理永遠無法被證明,因為未來的觀測可能隨時顛覆它。”
宇宙的真相,或許就藏在這些理論的裂縫里。
當我們用更精密的儀器窺探深空,用更智慧的頭腦重構(gòu)模型時,下一個顛覆認知的發(fā)現(xiàn),可能就在下一次觀測數(shù)據(jù)里。
而這,正是科學(xué)最迷人的地方,在不斷推翻與重建中,逼近宇宙的終極答案。
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