宇宙学最具权威解释:宇宙大爆炸新解!

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  寒冷的南极几乎没有人烟,但却有一些不食人间烟火的物理学家常年在此与深邃的宇宙对话。不久前,一架最新型的天文望远镜经过几年持续不懈的努力,终于捕捉到了来自宇宙最深处的信号,这是宇宙诞生后瞬间所留下的痕迹。

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  这是一个划时代的发现,它开启了对宇宙大爆炸理论研究的全新一页。让我们追随这台望远镜,把目光投向138亿年前宇宙初生的时刻。

  大爆炸的余晖――微波背景辐射

  经过多年的研究,科学家早已知道,我们的宇宙诞生于138亿年前一场开天辟地的大爆炸。但需要说明的是,其实所谓爆炸只是一种类比的说法,并不是像我们在地球上见到的那样,从一点开始向四周扩散的爆炸,而是同时发生在各处,每一个粒子都在快速远离,空间随之膨胀。

  在宇宙诞生的初始时刻,宇宙十分炽热,质子和电子无法结合成原子,处于完全自由的状态。光子在旅途中遭遇到大量自由电子,会被自由电子高效率地散射或吸收,因此早期的宇宙是不透明的。这就好比水在高温时变为水蒸气,因为光被水蒸气所散射,我们透过水蒸气无法看到对面的人。

  直到宇宙诞生38万年之后,随着温度的降低,自由质子和电子结合成中性原子,宇宙中自由电子急剧减少,雾霾散去,光可以畅行无阻,宇宙变得透明了。这是宇宙黎明时刻的第一缕光线。

  不过,随着宇宙自身的膨胀,这些光子的波长逐渐被拉长了,如同在气球表面画上一条波浪,气球吹胀的同时这条波浪的波长会越来越长,这样到了现在,这些光波由不到1微米的波段被拉长为微波的波段(大约为2毫米)并弥漫在整个宇宙中。如果使用灵敏的可观测到微波波段的望远镜去看整个天空,就会发现整个天空弥漫着这种微波,与天空中任何恒星、星系或其他的事物都无关,这就是宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射是美国射电天文学家阿诺・彭齐亚斯和罗伯特・威尔逊在1964年偶然发现的,为此他们在1978年获得了诺贝尔物理学奖。

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  大爆炸的瞬间――急速的膨胀

  之后天文学家进一步观测发现,宇宙微波背景辐射的温度大约为3K,这个温度在天空中任何地方几乎是一模一样的,其中起伏的幅度仅有大约10万分之一。

  要想产生这种如此均匀的背景辐射,宇宙各处的粒子都需要通过运动和交换来达到这种平衡,就像一间房子里一样,要想让各个角落温度一样,只有空气流动才能达到。但是,我们知道宇宙是诞生于138亿年前的,这就意味着光最远能走138亿光年,所以说从天空的一端到相反的另一端有276亿光年,所以光是来不及从一端跑到相反的另一端的。根据相对论,任何物质的运动都不可能超过光速,所以这两端区域不可能发生任何的物质和能量的交换。但这两端区域和其它区域又是一样均匀的,那么它们是怎么达到同样的温度的呢?

  1980年,一位名叫阿兰・古斯的美国年轻物理学家提出了一个新的理论。他认为在从大爆炸之后的10-36秒开始到10-33到10-32之间,宇宙的空间膨胀了至少10-26倍。这相当于宇宙从不到一个原子大,膨胀到了一个柚子那么大,他把这个理论称为暴胀理论。这个指数型暴胀持续的时间极为短暂,连眨眼时间的亿亿分之一都不到。急速暴胀结束后,宇宙的膨胀速度极剧下降。

  根据暴胀理论,在暴胀之前的宇宙很小很小,那时宇宙内的物质和能量应该有足够的时间达到均匀。之后,由于巨大能量的激荡,宇宙发生了剧烈地暴胀,暴胀如此之快,以至于宇宙没有时间去打破这种平衡,所以暴胀完之后,宇宙就会如此均匀。

  宇宙暴胀的理论听起来如此不可思议,但却解决了长期困扰天文学家的一些重大问题,如上述的宇宙各处均匀性的问题以及其他重大的宇宙学问题。

  比如,这个理论可以解决磁单极子问题。磁单极子是指一些仅带有北极或南极磁极的磁性物质,但问题是,到现在科学家都没有发现这样的物质。根据大统一理论的预言,宇宙早期的温度足够高,应该会产生足够的稳定的大质量磁单极子。但如果宇宙发生暴胀的话,那么会稀释磁单极子,也就是说虽然磁单极子很多,但宇宙突然变得太大了,寻找它们如同大海捞针一样难,所以导致了磁单极子现在还没发现到。

  同样,暴胀理论也可以解决宇宙的平坦性问题。科学家发现,我们的宇宙像一床绷直的床单那样不断膨胀,既不会蜷缩成一团,也没有被撕裂开,这个宇宙就称为平坦宇宙。为什么宇宙如此平坦?暴胀理论轻易就解决了这个问题。由于暴胀,宇宙处处都获得了充分的伸展,即使早期宇宙有微小的起伏,经过暴胀也变得平坦了。如同一张皱皱巴巴的床单,暴胀就是你从各个方向一拉床单,上面的褶皱就消失了。

  “过冷”引发宇宙暴胀

  那么暴胀具体是如何发生的呢?

  宇宙大爆炸之始,宇宙温度非常高,宇宙间四种基本作用力――强核力、弱核力、电磁力和引力都表现为一种力。随着宇宙冷却下来,首先是引力,然后是其他的力一个接一个地分离出来,这就引起各种粒子具有了不同的行为属性。这时,宇宙其实是经历了一个过渡阶段,或者叫做相变,类似于液态水凝结为冰的转变过程。

  我们知道,在某些特定的情况下,比如去除水中任何可以成为凝结核的杂质时,水在零下几度的情况下仍可以不结冰,而是形成“过冷”水。过冷水最终结冰可以放出更多的能量。类似地,宇宙在经历相变的过程时,至少会有一个区域曾出现“过冷”现象。换句话说,在这个区域里,尽管此时宇宙的温度已经很低了,但其各种力之间的对称并未被破坏,宇宙仍表现为一种力,并处于高度不稳定的脆弱平衡状态,蕴含着随时要喷薄而出的高能量,具有一种向外扩张的排斥力效应(即反引力效应)。正是这种高能量的排斥力效应,引发了宇宙在极短时间里的暴胀。

  古斯提出了暴胀理论后,不断有科学家提出了很多种模型去完善和补充暴胀理论。但问题是,暴胀真的发生过吗?尽管暴胀理论解决了许多宇宙学的问题,但科学家还是需要找到暴胀的直接证据。

  可是暴胀发生在宇宙很早的时期,而暴胀之后宇宙就进入了不透明时代,光子不能自由移动,我们是无法直接用望远镜观测到暴胀时期以及不透明时期的任何光线的,那么我们怎么来检测呢?   

      时空的涟漪

  科学家找到的解决方案是通过引力波来检测。那么,引力波是怎么回事呢?

  根据爱因斯坦的广义相对论,引力被视为由时空弯曲所引起的现象,具体就是时空曲率(弯曲的程度)引起的。时空的曲率是由于质量的存在引起的。在通常情况下,一定体积内的质量越大,那么产生的时空曲率就大。具有质量的物体在空间里运动的话,周围时空曲率也会随之改变。在某些情况下,加速运动的物体会产生这样的变化的曲率,这个曲率会以波浪的形式向外传播,传播速度为光速,这产生的就是引力波,也可以说它是时空的涟漪。就像我们在平坦的床垫上滚一个铅球一样,在铅球前进方向上,床垫就会在铅球前面的地方开始凹陷,或者说像在海上行船一样,在船前进方向上,船头就会形成波浪,向前传播。

  在传播时,引力波会在一个方向上拉伸,另一个方向上挤压。我们知道水波的振动方向垂直于传播方向,所以它是一种横波,当水波运动时,水面被抬高或压低,形成波峰或波谷。而引力波也同样是一种横波,也就是说拉伸和挤压的方向是垂直于传播方向的。如果有一束引力波穿过你的身体,那么在传播的垂直方向上你的身体会被拉伸和挤压,可想而知这种拉伸和挤压会使体内物质不停摩擦最终发热。这种热量是引力波带来的,所以说引力波是携带着能量的。

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  两个互相围绕的中子星或黑洞会产生强有力的引力波。这是因为,这样的双星系统的轨道往往是彼此靠近的,它们的公转速度非常快,再加上本身质量密度很高,所以它们会具有极大的加速度,这样就可产生强有力的引力波。不过,与其他所有波一样,引力波的强度会随着传播距离的增加而衰减。因为这样的双星系统离我们的距离都是很远的,所以预计到达地球时,引力波会变得十分微弱,即使现在有一束这样的引力波穿过你,你根本无法察觉。不过,如果把你放到距离这个双星系统十分近的地方的话,引力波会很强,足以撕碎你的身体。

  背景辐射隐藏的痕迹

  在宇宙的早期,如果真的发生过暴胀的话,这种剧烈的加速膨胀会在自身的空间结构中产生涟漪,即引力波。这个引力波可以很容易地穿过宇宙在不透明时期里的那些等离子物质,所以说直到今天,整个天空应该布满了这种引力波。

  引力波在宇宙中穿行,挤压和拉伸空间,原初的引力波还包含了宇宙诞生时的信息,这些原初引力波如同宇宙大爆炸的“回声”。找到它们,科学家们就为“暴涨”理论取得了最直接的证据。

  寻找引力波的征途无比漫长。这种来自远古宇宙深处的波澜在上百亿年里走过了广袤的空间,波长已经变得如宇宙本身一般无垠无际,它造成的扰动也已显得微不足道。怎样才能把它捉拿归案呢?《自然》杂志给出了这样的比喻:当潮水冲上沙滩,波浪会卷起并扰动沙子。潮水退下后,沙滩上依然会留下波浪弯曲的痕迹。科学家同样在宇宙中发现了“沙滩”,这就是微波背景辐射。这种无处不在的辐射是宇宙大爆炸的余晖,其中可能保存了引力波的痕迹,也就是它留下的一种独特的偏振模式,就像沙滩上波浪冲过之后留下的水迹。

  一场寻找沙滩上涟漪的努力开始了。探测宇宙微波背景辐射必须避开尘埃、水汽和电子通讯设备产生的偏振等等干扰,所以探测需要比较苛刻的条件。太空是个比较理想的场所,发射一颗探测宇宙微波背景辐射的卫星到太空中,这样就可以使得污染减到最小。美国航天局和欧洲空间局已经发射了三颗探测宇宙微波背景辐射的卫星。其中第三颗是最为灵敏的卫星,称为普朗克卫星。2013年3月,科学家公布了普朗克卫星所绘制的宇宙微波背景辐射全天分布图,揭示了大爆炸后38万年宇宙中背景辐射温度分布的细微不均匀性。

  另外,地球上空气清洁干燥并且人烟稀少的地方也是个理想的观测点,而南极点就是一个最佳的选择。南极点的海拔高度为2830米,这里的空气极度干燥,到达这里的人的嘴唇都会经常发生干裂。另外南极点空气十分洁净,而且来自手机通讯等各种电子设备的干扰要小很多。于是,科学家们在这里把探测器对准微波背景。整个项目的名称为 “宇宙银河系外偏振背景成像”(英文缩写为BICEP),即用所设计的望远镜对天空中宇宙微波背景辐射的偏振进行直接探测。该系列实验所使用的第一台望远镜名为BICEP1,已在2006年至2008年开展了一系列探测活动。后续实验所使用的望远镜,称为BICEP2,采用了更先进的探测技术,于2010年开始搜集数据,直到2012年。

  对两台望远镜收集到的数据,研究人员都谨慎小心地进行处理和分析。通过不懈的努力,实验物理学家们最终在38万年前的微波背景中找到了原初引力波在微波背景上留下的痕迹。

  宇宙学的新篇章

  2014年3月17日,美国科学家召开了新闻发布会,宣布他们在宇宙微波背景辐射中找到了由引力波留下的偏振信号。不过,这个结果自公布之日起,便遇到了诸多质疑。主要的问题是研究团队使用了一幅尚未发表的银河系宇宙尘埃分布图,以修正尘埃对他们观测结果的影响,然而这个尘埃分布图可能是不准确的。所以说,要想真正证实这次发现,得需要等待其他研究团队的研究结果,例如欧洲空间局对普朗克卫星所收集的数据的分析结果,尤其是有关宇宙尘埃的分析结果。另外,科学家还希望能在高能物理实验中,找到提供某些能证明暴胀可以发生的证据。最后还需解决这个问题,那就是为什么只有暴胀而不是其他原因产生了这种引力波。

  如果此次的发现结果是正确的话,那会对整个宇宙学的研究产生重大影响。这项发现是第一次检测到引力波的存在,不仅再次证明了爱因斯坦广义相对论的正确性,而且也有助于加深了解引力波的性质。这项发现也是对暴胀理论提供了第一个有力的证据,这也意味着我们第一次真正观测到宇宙在诞生之后最初远远小于1秒的时间段内,到底发生了什么。科学家已经提出了许多不同的暴胀模型,来描述暴胀具体如何发挥作用,而这项发现将帮助我们理清哪些暴胀模型是可行的,哪些是不可行,又有哪些需要调整。还有一点就是,根据暴胀理论与多元宇宙的关系,这次发现也意味着多元宇宙可能存在。

  暴胀理论是基于量子力学而提出的,引力波却属于广义相对论的产物。所以从深层来说,这种引力波其实是来源于量子引力(一个广义相对论与量子力学相结合的理论)。过去,这两个概念无法相容,根本原因在于广义相对论认为时空在微观也应该是平滑的,而量子力学认为那里存在着起伏不断的涨落。但是现在,我们找到了量子引力产生的引力波,对其进行研究,很有可能会帮助我们找到把两个理论结合到一起的方法。

  总之,这是一次了不起的发现,而且精彩还在后头。

    
    

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