宇宙大爆炸理論并非一開始就被人們所接受,事實上在20世紀初,包括愛因斯坦在內的主流科學界,都堅信宇宙是“靜態”的、永恒的、無始無終的。
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最早提出這個“異端”理論的人,是一位身份非常特殊的比利時人喬治·勒梅特,他既是一位嚴謹的物理學家、數學家,也是一位虔誠的天主教神父。
1927年,勒梅特在愛因斯坦廣義相對論的框架下,推導出了一個驚世駭俗的觀點:宇宙正在膨脹。既然它在膨脹,那么反過來推演,它在過去必定更小、更熱、更致密,如果將時間倒退到極致,宇宙的起點必然是一個被他稱為“原始原子”的、無限小的點。
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勒梅特的想法在當時遭到了無情的嘲諷,愛因斯坦本人在聽聞他的理論后,也評價道:“你的數學計算是正確的,但你的物理學直覺卻是糟透了”,甚至“大爆炸”這個詞,也是由反對該理論的物理學家弗雷德·霍伊爾在一次BBC廣播中,帶著嘲諷的意味“發明”出來的。
但勒梅特的理論,即將被來自遙遠星系的觀測證據所證實,因為關于大爆炸理論的科學性,最直接、最無可辯駁的證據,來自對遙遠星系光線特征的研究。
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1929年,美國天文學家埃德溫·哈勃在威爾遜山天文臺,利用當時最強大的望遠鏡,進行了一項改變人類宇宙觀的觀測,他發現幾乎所有星系都在遠離我們,遙遠星系的光譜顏色,比近處星系的要稍微“紅”一些,因為光波在遠離我們時波長會被拉長,這在物理學上被稱為“紅移”現象,更驚人的是星系的距離越遠,它就顯得越紅,意味著它遠離我們的退行速度就越快。
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哈勃的這個重大發現,一錘定音地奠定了現代宇宙學的基礎,它證明了宇宙確實在膨脹,這個發現也反過來印證了勒梅特的理論,如果宇宙正在膨脹,那么它必然存在一個膨脹的起點,那個被嘲笑了近十年的“原始原子”理論,一夜之間從神學猜想,變成了物理學的前沿。
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那么大爆炸的時候到底發生了什么?
我們無法“觀測”那個瞬間,但物理學允許我們“回溯”,讓我們把時間撥回到138億年前,去看那場起源的黎明。
普朗克時代(0 - 10^-43秒):
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在宇宙誕生最初的1/萬億億億億億秒內,宇宙的溫度高達10^32 開爾文,能量密度大到我們已知的物理學(包括廣義相對論和量子力學)全部失效。時間與空間的概念在此刻沒有意義,這是一個物理學無法描述的“奇點”。
暴漲時期(10^-36秒 - 10^-32秒):
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普朗克時代結束后,宇宙開始膨脹并冷卻。時空結構在極其短暫的時間內,經歷了一場指數級的、遠超光速的瘋狂擴張,這就是著名的“暴漲時期”。這場暴漲如同一次創世的“神之呼吸”,它將宇宙從一個亞原子大小的點,瞬間“吹”到了一個宏觀的尺度,并將宇宙的溫度和結構拉伸得極其均勻。
粒子時代(10^-32秒 - 3分鐘):
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當宇宙降溫至約10^27 開爾文時,能量開始“凝結”成物質。最初的粒子誕生了,夸克、輕子、光子在能量的海洋中翻騰。這些夸克迅速結合成質子(氫原子核)和中子,它們成為了宇宙的第一批“磚石”。
核合成時期(3分鐘 - 20分鐘):
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在“創世”的3分鐘之后,宇宙已經冷卻到10^9 開爾文,這依然是一個無法想象的高溫,但已經“涼爽”到足以讓質子和中子開始結合,形成更穩定的原子核。此時,宇宙中一切更重的元素都還不存在,宇宙只是一片由75%的氫原子核、25%的氦原子核,以及海量光子和電子構成的熾熱“霧靄”。
在此后的長達38萬年里,宇宙一直是一片不透明的“等離子體海洋”,在這鍋“光之湯”里,光子(光)無法自由傳播,它們每前進一步就會立刻撞上一個自由的電子或質子,被不斷地散射、吸收和再釋放。
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直到第38萬年,一個奇跡發生了,宇宙的溫度終于降至約3000 開爾文。這個溫度已經低到足以讓“帶負電”的電子與“帶正電”的原子核(質子)相互吸引,并最終結合成電中性的“氫原子”,當電子被原子核“捕獲”后,它們不再阻礙光子的去路,光子終于掙脫了束縛,獲得了前所未有的自由。
整個宇宙在瞬間變得“透明”,那些在138億年前被“解放”的、最古老的光子,至今仍在穿越宇宙。它們的身影,就是我們在1965年意外探測到的“宇宙微波背景輻射”(CMB)。
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1965年兩位來自美國貝爾實驗室的工程師,阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在調試一根高靈敏度的射電天線時,意外發現了一種奇怪的、無處不在的“背景噪音”,無論他們怎么調整天線的方向(甚至清理了天線上的鴿子糞),這種噪音都頑固地存在。
他們發現的正是來自厘米波段的背景噪聲,后來經過進一步測量和計算,得出這種背景輻射的溫度是2|7 開爾文(即零下270.45攝氏度),這就是我們現在熟知的3K宇宙微波背景輻射。
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這一發現被譽為大爆炸理論的“決定性證據”,是“創世”的回聲,它為觀測宇宙學開辟了一個全新的領域,被列為20世紀60年代天文學的四大發現之一,彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。
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之后宇宙雖然變得透明,但也進入了一段長達數億年的、沒有“新光源”的“黑暗時代”,沒有恒星沒有行星,只有冷卻的氫氣和氦氣,在廣闊的虛空中漂浮,直到幾億年后,在引力的緩慢而耐心的作用下,這些氣體云開始坍縮,第一批恒星在黑暗中被點燃,它們撕開了宇宙的黑幕,將宇宙“重新照亮”。
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這些“初代恒星”是真正的巨獸,它們龐大、熾熱、短命,它們以最原始的氫和氦為燃料,當它們燃燒殆盡并爆炸為超新星時,才在核聚變的熔爐中,鍛造出了更重的元素,碳、氧、鐵、硅,這些“星辰的灰燼”,最終構成了第二代、第三代恒星(如我們的太陽),構成了行星、大地、海洋,也構成了我們身體中的每一個原子。
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宇宙就這樣,從最初那一個不可思議的量子漲落,最終演化成了今天億萬星系的宏偉圖景,如今的我們知道,宇宙不僅仍在膨脹,而且在“暗能量”這股神秘力量的驅動下,正在加速膨脹。它像一股無形的風,將星系彼此推離。
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最終的結局也許是“熱寂”:所有星系都遠離彼此,直至夜空變得空無一物,所有恒星熄滅,能量均勻分布,溫度趨近絕對零度,也許是“大坍縮”,宇宙在引力下重新收縮歸于一點,也許是“大撕裂”,宇宙被加速膨脹的力量撕成基本粒子。
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但我們并不是宇宙的“過客”,我們是由138億年前那場大爆炸的“原材料”構成的,我們是大爆炸的“見證者”。
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