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地理文化未解之谜:宇宙的起源——大爆炸理论

时间:2024-06-25 16:45:12

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地理文化未解之谜:宇宙的起源——大爆炸理论

宇宙不仅比我们想象得更为奇特,而且这种奇特的程度简直超出了人们的想象能力。宇宙起源于一场大爆炸吗?所有的星星都在相互远离吗…人类已经开始了解宇宙的运作,但似乎永远也无法真正解释宇宙的起源。大多数重要科学理论的产生都伴随着一些科学伟人的名字,他们与这些理论牢牢地联系在一起。如果某人提到“地心引力”一词,那么艾萨克·牛顿爵士的名字便会立即浮现在人们的脑海中。提到“进化论”你会立即想到谁?当然是查尔斯·达尔文。那么“相对论”呢?答案自然是阿尔伯特·爱因斯坦。然而,当提到“大爆炸”一词的时候,人们却无法在瞬间想起与之相关的人名。在过去几十年里,大爆炸模式已为宇宙学家们所广为接受,并已作为宇宙起源的标准解释写入各类教科书及大众杂志之中。然而,这一概念与任何特定的科学伟人并无关联。

以前,一些反对该理论的人士没把这一概念当回事儿,他们只是轻描淡写地稍带提及,所以根本就没有人真想以此居功自傲。的确,“大爆炸”一词的首创者正是这一理论最大的反对人士之一,即英国天文学家弗雷德·霍伊尔,他用这个词来讽刺该理论的整体概念。然而,不知出于何种原因,这一说法却广为流传下来。1993年,美国科学作家蒂莫西·费里斯、天文学家卡尔·萨加,以及电视记者修·道温斯在一次为该理论选出更佳名字的国际大赛上担当裁判。正如蒂莫西·费里斯“在在其1977年出版的《宇宙纪事》中指出的41个国家提交的13099个词条中,我们没有找到令人更加满意的名字。”这一概念源自比利时教士乔治斯·勒梅特尔,他曾对物理学产生过浓厚的兴趣。1927年,33岁的乔治斯·勒梅特尔获得了麻省理工学院的博士学位。

同年,勒梅特尔作出了这样的推论,根据爱因斯坦在其19广义相对论中所阐述的引力定律,整个宇宙一定会从各个方位以相同的速度不断膨胀。勒梅特尔进一步指出,宇宙产生自一种原始原子的爆炸,而这种原子包含着宇宙中的一切要素。爱德文·鲍威尔哈勃随后发现,遥远的星系正向四面八方移动,离我们越来越远,而这些星系各自之间的距离也在扩大。这种移动的速度与其同银河系之间的距离成正比,这一发现进一步证实了勒梅特尔的理论。爱德文·鲍威尔·哈勃当时并没意识到勒梅特尔的观念,但是他在1929年对宇宙膨胀进行了记录,这无疑会让更多的天文学家思考某种原初爆炸的存在,这种爆炸很可能产生了促使宇宙膨胀的足够能量。

20世纪40年代,支持原初爆炸理论的物理学家们推论,在这样一次爆炸发生之后,所生成的等离子的温度一定会比现存任何恒星内部的温度都要高得多,但是这种高温会随着时间的推移而逐渐降低,最终仍会存留至少一点点温度。物理学家们指出,这一过程的残留物会产生一层厚厚的烟雾,一直存留至今。这一理论现今被称为宇宙微波背景,即指外太空中离我们越远的地方,那里的烟雾就会越厚。这一理论当时在很大程度上受到了忽视,因为大多数天文学家及物理学家并不相信大爆炸理论,而且他们也没法对宇宙微波背景进行测量或是证实其存在。然而1965年,美国贝尔实验室的阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔森宣布,他们已经检测到了一种宇宙微波背景辐射的稳定的“嘶嘶”声,这是他们在为首颗通讯卫星特斯达号开发一个接收器时偶然发现的。

这一发现改变了很多宇宙学家的思考方式。在1965年以前,大爆炸理论只是一个无法验证的理论,而现在由原初爆炸所产生的残留物却可以证实这个理论。此时,虽然很多科学家开始改变立场,转而推崇大爆炸理论,但是支撑该理论的证明还远远不足。20世纪40年代至50年代之间,有人对可能存在的宇宙微波背景的性质进行了几次预测。根据研究结果推测,宇宙微波背景的温度应该在绝对零点之上3度左右一这点温度会在高温下降之后保持下来,使原初爆炸之后残存的物质得以重组。这点温度还应具有一定的等向性,根据蒂莫西·费里斯的解释,这就是说,“在宇宙的任何地方,任何一位观测者无论测量天空中哪块地方,其所测量到的背景温度都应是相同的”。

此外,根据量子物理学的要求,宇宙微波背景似乎应显示出一种黑体光谱,它会发出一种最大值的热辐射,波长由其自身温度决定—这种光谱可以通过特殊的量子方程进行测量。随着宇宙微波辐射的重要性逐渐显现,美国宇航局根据形势所需发射了一种用于测量这一“宇宙背景”的微波卫星探测器。宇宙背景探测器不会因地球大气的影响而变形,而且会准确勘测到大爆炸之后50万年的情况。此时,宇宙的温度已下降到一定程度,足以使纯能源开始形成物质,并让光源得以释放。宇宙背景探测器发射于1989年,它不仅实现了宇宙学家们的愿望,而且还证实了宇宙微波背景的等向性,证实了其温度接近绝对零点之上3度。此外,勘探结果与预计中的黑体光谱方程相符,精确程度令人惊讶。1992年,由宇宙背景探测器卫星编辑的一张全天空图证实了另一种推测:物质一旦开始从大爆炸后冷却的气体中形成,便会生出越来越多的物质,并最终导致充满恒星的星系产生。这一推测与另一种观念一致,即在宇宙形成初期,微观量子的波动会影响物质总体的均匀分布。

用平常话来说,摆在我们面前的是一碗疙疙瘩瘩的酱汁——面放得有些不适量,肉块虽然不多,但是却有大有小不均。早在1939年,美国物理学家汉斯·贝蒂就已指出,重元素可能会在恒星内部产生。这些元素构成了各颗行星的质量以及我们的人体,而它们却只占整个宇宙总质量的2%,余下部分主要是75%的氢气、23%氦气,还有微量锂元素。为了解释恒星中氢气的含量以及氢气对氦气的比例,物理学家们推测,这些轻元素可能就是在大爆炸中形成的。仅在太阳中由氢气转化而成的氦气,便能够释放每秒400万吨的能量,而且如果氢气与氦气在大爆炸的时候还未达到平衡状态,这一过程所产生的能量还会多得多。人们相信,由恒星熔炉“提炼”出来的较重元素最终会被抛散到太空之中,在宇宙中播种可以产生固体物质的原材料。随后,那些最古老的恒星会保留较少量的重元素,因为它们可能一直在排放这些元素。人们认为,正是这一新发现使测量最终成为可能。

经证实,这种被称为宇宙元素丰度的元素分布,与大爆炸理论是一致的。此时,我们似乎有把握认定,大爆炸理论的准确性曾经得到过证实。无论何时,只要一项新的科学理论作出某些可检验的预测,而且这些预测能够为观测或实验所证实,那么科学家们都会在随后的每次证实中感到欢欣鼓舞。当这种证实积累到一定数量的时候,该理论就能够得到充分的验证。然而,虽然大多数宇宙学家都接受了大爆炸理论,但是众所周知,有些问题仍然存在。这些问题意义重大,足以对该理论本身提出质疑。

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