相信很多人都听说过哲学三问:我是谁?我从哪里来?又要到哪里去?
每一个问题都堪称宇宙的终极奥秘,起码目前人类还无法给出让所有人都信服的答案。而在这三个问题中,“我从哪里来?”这个问题是最备受关注的,其中“我”不仅仅指狭义上的“某个人”,而是“万物的起源”,也就是宇宙的起源。
浩瀚无垠的宇宙,总是能唤起无数人的好奇心和探索欲望,自从人类诞生以来,人们探索宇宙起源的脚步就没有停止过。
在人类古代社会,由于缺乏先进的科学探测仪器,人们对宇宙起源这个终极问题的认知总是充满神秘色彩,“神创造了一切”成为了主旋律,这在很多神话故事中充分得到了体现。
随着人类进入近现代文明,科学家探索宇宙的手段越来越丰富,也有越来越多的高科技手段更好地认知宇宙。在这种大背景下,宇宙大爆炸理论成为了当今科学界关于宇宙起源的主流理论。该理论认为,宇宙认为宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。我们无法穿越到138亿年前,那么科学家科学家又是怎么知道宇宙大爆炸真的发生了呢?
首先简单了解下何为“宇宙大爆炸”。
宇宙大爆炸,并非真的是一场“爆炸”,只是一种形象的比喻,更严谨的说法是“膨胀”,我们生活在不断快速膨胀的宇宙里。在大约138亿年前,宇宙诞生于一个体积无限小,密度温度无限高的奇点,如今我们看到的所有物质都是从奇点中迸发出来的。宇宙大爆炸其实就是奇点的突然急剧膨胀。
所有的亚原子粒子都是在宇宙大爆炸开始后瞬间产生的,这个瞬间非常短,只有几微秒。然后随着宇宙温度一步步冷却,亚原子粒子开始形成质子,中子等粒子,在引力作用下结合成简单的元素,之后开始了漫长的演化史,星系,恒星,行星等宇宙结结构开始形成。
“宇宙大爆炸”的观点最早出现在1949年,刚出现时其实是带有讽刺意味的,是对“大爆炸理论”的讽刺和批判,当时的理论学家更倾向于稳态宇宙理论,认为宇宙的存在是一成不变的。但是没想到的是,这种讽刺和批判到最后真的成了宇宙起源的主流理论。
那么,科学家是如何知道宇宙大爆炸发生了呢?都有哪些证据呢?
哈勃定律
任何科学理论都离不开“证据”两字,否则就是“空中楼阁”,当然宇宙大爆炸理论也不例外。事实上,在上世纪二三十年代,宇宙大爆炸理论的可观测证据就已经出现了。当埃德温-哈勃通过望远镜观察宇宙中遥远的星系和恒星时,发现了一种奇特的现象:遥远的星系和恒星都在加速远离地球,他发现了遥远星系的红移现象,当然有理由相信宇宙在不断的膨胀中。
光谱的红移现象意味着遥远的星系在加速远离银河系,而且距离银河系越远的星系,红移就越明显,这表明星系的远离速度越快。星系距离与远离速度呈现线性关系,这就是“哈勃定律”!而哈勃定律也是宇宙大爆炸理论的重要证据。
如果我们把时钟往回拨,让时间倒流,一直到宇宙诞生的时刻,就会出现相反的情况:宇宙一直在收缩,最终收缩到一个点,也就是宇宙大爆炸发生的时刻:奇点。
为何远离我们的星系会发生红移现象呢?
这是很简单的原理。当一个物体逐渐远离我们视野时,物体发出的光的波长就会被拉伸,波长变大,颜色就会变红,发生红移现象。相反,如果一个物体逐渐向我们靠近,光的波长就会被压缩变短,颜色就会变蓝,所谓的“蓝移”!
宇宙微波背景辐射
我们通常所说的光,一般都是指可见光,也就是我们肉眼能看到的光。但事实上可见光只是光谱中非常狭窄的一部分,光谱中的大部分光我们用肉眼都无法看到,比如说红外光,X射线,紫外线,还有微波等,而这些不可见光在人类认知宇宙和大自然中起着非常重要的作用。
何为宇宙微波背景辐射?
在大爆炸瞬间,巨大的能量被释放出来,充满整个宇宙。在138亿年的宇宙演化史,宇宙一直在加速膨胀,这也意味着宇宙中的光不断地被拉伸,波长不断变长。在上世纪60年代,科学家们探测到了从各个方向发出的强度相同的微波,这表明这些微波一开始就是存在的,宇宙大爆炸开始后的第一缕光,这些光穿越漫长的时间空间后成为了微波,这些微波充满了整个宇宙空间,并且均匀地分布在浩瀚宇宙,就好像宇宙的“背景”,具有各向同性,其实就是宇宙大爆炸的遗址,也被称为“宇宙微波背景辐射”,是上世纪60年代天文学上四大发现之一。
宇宙中的元素丰度
元素丰度,简单讲就是宇宙中元素的占比。在地球上,我们都知道元素的大致构成。地壳中的氧铁铝硅钙等元素的丰度比较高,而大气层中主要是氮和氧,但浩瀚的宇宙的元素丰富并非如此,与地球有很大不同。
拿太阳来说,太阳质量占据了整个太阳系总质量的99.86%,拥有绝对的统治地位,太阳主要是由氢和氦两大元素构成,总占比达到了99%,其他元素只占了1%。科学家进一步研究表明,宇宙中其他恒星和星系的元素丰度也都基本如此,氢占了大约75%,氦占了24%,这样的结果与宇宙大爆炸的预言完全一致。
根据宇宙大爆炸理论的诠释,在大爆炸发生几分钟的时间里,氢原子核和中子能够大量形成,两者又会结合成氦原子核(太初核合成),而其他重元素没有合成的条件,重元素都是在恒星核聚变以及超新星爆发的过程中形成的。
按照质量比例,太初核合成产生的氢和氦的比例为3:1,该预言与科学家的观测结果一直。所以说,宇宙中的元素丰度也是宇宙大爆炸的一个有力证据。
引力波的发现
根据宇宙大爆炸理论诠释,大爆炸发生后,宇宙一直在急剧膨胀,在这段时间里,会产生引力波。引力波其实就是时空涟漪,时空结构的波纹,也是爱因斯坦相对论的重要组成部分,随着人类探测引力波能力的一步步提升,科学家有可能从宇宙大爆炸后的几秒钟就能探测到现有的引力波。在6年前的2015年9月24日,科学家终于首次探测到了引力波的存在,引力波的发展在科学界引起了巨大反响,也成为宇宙大爆炸理论又一有力证据。
虽然有这么多证据,但宇宙大爆炸并不是完美的理论,但不可否认大爆炸理论是目前诠释宇宙起源演化最好的理论!
标签: 宇宙探索