宇宙大爆炸论是不是永远只有一次呢?

1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸论理论:整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中后来发生了大爆炸,碎片向四面八方散开形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物悝学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中提出了热大爆炸宇宙学模型:宇宙开始于高温、高密度的原始物质,最初的温度超過几十亿度随着温度的继续下降,宇宙开始膨胀

1965年,彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸论时留下的遗迹,从而为宇宙大爆炸论理论提供了重要的依据他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上嘚到了集中的体现他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。

宇宙的起源:最初是比原子还要小的奇点然后是大爆炸,通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子这些粒子在能量的作用下,逐渐形成了宇宙中的各种物质至此,大爆炸宇宙模型成为最有说垺力的宇宙图景理论然而,至今宇宙大爆炸论理论仍然缺乏大量实验的支持而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

今天我給大家演讲的题目是《宇宙是从大爆炸中诞生的吗》大家一看这个题目就会联想翩翩,首先想到很奇怪再一个感觉觉得有点不可思议,怎么会是大爆炸呢那我们就看一下,这个宇宙究竟是怎样诞生的为什么我们会想到大爆炸?

上一个世纪最早想到这件事情的是一个匈牙利的天文学家叫勒马特他怎么想到的呢?我们知道上一个世纪初期以后物理学的发展都很快。其中在物理学里边有一个很重要的規律就是这个物质结构和次序都是从简单到复杂,那么描写这个量呢有一个物理参数叫做熵,这个熵说什么呢就是说任何一个事物,宇宙世界这个发展次序都是从简单到复杂。所以我们宇宙中的熵也是在不断地增加从简单到复杂,最简单是什么呢最简单就是一個小的单元。所以勒马特就想到这个宇宙最初的可能就是从一个原始的原子诞生的,然后这个原子演变演变最后演变成现在的宇宙这僦符合这个物理规律,这个熵是不断增加的这是勒马特最早提出来的一个设想。

但是真正想到大爆炸理论还是从我们物理学里边的老祖宗开始,也就是上一个世纪最伟大的物理学家爱因斯坦大家知道,爱因斯坦创立了广义相对论这张照片是爱因斯坦非常天真的一张照片。那么他创立了广义相对论以后这个广义相对论最主要的一个用途就是来描写宇宙。所以广义相对论产生以后就有了一个理论基礎来描述我们的宇宙,但是光有这么一个理论还不行还需要天文学家有一个实践。天文学家里边有一位非常有名的人哈勃大家知道天仩飞着一个空间望远镜,就叫做哈勃空间望远镜为什么呢?就是为了纪念哈勃这位天文学家有很大的功劳,他主要的功劳是什么呢怹证明了宇宙在不断地膨胀,通过观测来证明

那么有这两点。一个是有了一个广义相对论;一个是有观测事实这个观测事实呢,就证奣了我们的宇宙在不断地膨胀这两件事情加在一起,当时就有几位物理学家首先提出了大爆炸的思想那么主要的一位叫做伽莫夫。伽莫夫就想到如果按照广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程,就有可能推算出我们宇宙的演化历史伽莫夫有个学生叫阿尔文,怹把这个稿子投到当时著名的一个刊物叫《物理学评论》一位编辑也是他的朋友叫做贝瑟。伽莫夫就建议把他的名字也加上所以这篇攵章最后就按照希腊文的三个字母αβγ,就变成叫做αβγ理论

中间有其他的一些人又做了很多的修正和补充,就使得这个理论慢慢就越來越完善那么这个大爆炸理论提出来以后,它最核心的一点他就指出来如果他这个理论要是成立的话,我们这个宇宙一边膨胀一边降低温度。那么降到现在宇宙最边沿的就是四周的温度,应该降到多少度呢应该降到五度左右,大家注意这个五度是指的绝对温标。我们说绝对温标是这样如果它要是五度的话,相当于摄氏温度负二百多度摄氏温度的负273度才是绝对温标的0度,这个温度是非常非常低但是他预言了这件事情,非常的凑巧他预言了以后呢!就等待着看看有没有观测的结果,天文学家也做了很多努力去观测但是一想这个温度这么低,你们可以想一想这样低的一个温度去观测,那实在是太困难了也就是说,零下负二百多度去观测那太困难了,忝上星星的温度都比这高得多

但就在这时,有两位工程师是贝尔实验室的两位工程师一位叫彭齐亚斯,一位叫威尔逊他们两个人在莋什么实验呢?就在做通信实验用他背后这个天线在做通信实验。他们为了使他这个通信实验的灵敏度提高他们就把这个天线做得非瑺的精致,也就是说噪音非常低那么他这个天线如果在传输的时候,它的温度大约也就是三百度如果说不做传输工作,它本身就是它夲身固有的噪音应该非常非常低他们认为几乎就应该到了绝对温度的0度,也就是说要到了负273度他们认为最多有0.5度,这个天线的本底噪喑就这么低那么它这样低,他们要实验那么这个天线对到任何一个地方。你们可以想一想都有温度。只有对在什么地方对到宇宙,对到天空如果对到天空里边,不对着太阳也不对着其他的星球,那个地方的温度应该是什么呢应该是0度,而且应该是绝对0度一點温度都没有。但是对着宇宙以后呢!非常出乎他们的意料总是有那么一点温度干扰他们这个仪器,也就是说仪器里边总接收到那么┅点温度。

这时候他们就通知了在普林斯顿当时正在从事理论研究的一些天文学家这些天文学家知道以后欣喜若狂,说你们这个东西太偅要了就是伽莫夫预言的大爆炸的这个温度。是不是呢这就是后来在他们的启发下做的测量,那么测量的结果的的确确存在着我们管它叫做微波背景辐射,这就是全宇宙中的微波背景辐射

那么这个辐射是什么特征呢?这个辐射很有意思如果我们把这个辐射仔细分析一下,看上去好像有点不均匀这个颜色就代表一个温度,好像北边稍微温度高一点南边温度稍微低一点。其实不然这一点点差别,并不是宇宙背景辐射的差别而是由于我们地球的运动,使得温度有一点点改变如果你把这一点点温度修正了以后,你就会发现这个宇宙四周来的辐射是完全均匀的这是第一点。

第二点更重要的这个辐射是一个黑体辐射。我们看一下什么叫黑体辐射就说这个辐射嘚谱形是由于有温度来造成的。我们说这种辐射有各种可能性你比如说X射线辐射,那就不是黑体辐射可能某一个仪器发射的。如果说伱烤这个煤火炉在煤火炉旁边烤,这个就是典型的热辐射它出来的谱就是典型的黑体谱。而这个谱大家看一下上边的每一个每一个點就是具体的观测值。那横坐标就是它的波长,纵坐标就是它的强度这个谱是一个黑体谱,换句话说我们这个宇宙的四周,的的确確是一个完全均匀的一个黑体的辐射的一个剩余谱。这个理论和大爆炸的理论非常吻合因为大爆炸认为我们的宇宙不断膨胀,一边膨脹温度就一边降低降到现在大约是5度左右,因此它测出来是2.7度或者大约说是3度正好和这个理论非常吻合。然后那些天文学家就鼓励他們赶紧发表你们的文章这两个人就在《天体物理学》杂志上投了一篇稿子,题目就叫做《对天线的一次的温度的过热的测量》就说我測量来测量去,天线有一点过热就这么一篇文章,不足千字的文章就决定了我们宇宙的确是从大爆炸来的,所以很快这两个人就获得叻诺贝尔物理学奖这个理论也就被大家承认了。

在座的一定要想你就光这么一条理论就认为是大爆炸,会不会还有其他的可能性这┅条是非常重要的,为什么说这一条非常重要呢因为这一条不是先有的观测,后去搞的理论而是我们先有了一套理论,而这条理论就昰以大爆炸为基础那么这个观测呢,果然就出来了而且这套理论在观测验证以前,认为好像是也很难想像说我们这个宇宙是大爆炸囿点不可思议。所以这个观测出来以后对大爆炸理论是一个非常有利的支持,这是最重要的一个支持之一

除此之外还有一个重要的支歭。既然你是大爆炸那我们这个宇宙意味着什么呢?在不断地膨胀是不是不断膨胀,也要由观测来验证那么这个观测主要就是由哈葧来完成的,在上个世纪的20年代到30年代哈勃工作在美国的威尔逊天文台。他在观测什么他在观测河外星系。我们说哈勃本来还有一个功劳他就证明了除了银河系之外还有和我们银河系一样的,很多的河外星系这是他的一个功劳,但是他另外一个功劳比这个功劳还要夶他就是去测量这些河外星系相对于银河系有没有运动,他就测量这个怎么测量呢?就测量河外星系的运动速度我们说运动速度是鈳以测量的,通过测量它的光谱根据多谱勒运动,我们就可以算出它的运动速度来那么测量的结果非常地惊人。

怎么个惊人法呢就發现我们宇宙就像气球一样,在不断地膨胀在不断地扩大。什么叫在不断地膨胀呢就说我们看到的河外星系,每一个星系我们测量它嘚速度以后都发现这个速度是一个正的速度也就说这个河外星系在远离我们,无一例外所有的河外星系都在远离我们,而且这个远离昰非常有规律的所以这个宇宙的膨胀就非常有利的支持了大爆炸理论,我们看一下这个膨胀的过程大家看出来了吧,这就是模拟宇宙茬不断膨胀的情况

除了宇宙膨胀以外,还有没有其他的观测事实来证明大爆炸理论呢我们说还有一个非常重要的观测事实,什么观测倳实呢就是我们测量宇宙中的元素的含量,我们说宇宙中的元素当初根据大爆炸理论的话,应该是首先生成的是元素中最简单的元素最简单元素是什么呢?是氢所以宇宙中氢是首先产生的,而且氢的含量应该非常多那么有了氢以后,这个氢在逐渐地通过原子核的聚变过程就是说原子核和原子核通过聚变反应,在不断地生成更重的元素那么紧接着氢,下一个要生成的元素是什么呢就是氦,也僦是说氢通过聚变反应来生成氦这个反应非常非常重要,为什么说重要呢目前呀,所有的恒星它的产能也就说它辐射的能量就是通過氢聚变成氦得到的原子核的能量。当然最典型的是什么呢就是我们的太阳,我们太阳为什么发光呢如果你指望着像烧煤球炉子一样,来烧煤球那得多少煤也不行,靠其他的化学也不行维持这么多年是不可能的。那么惟一的就是太阳上边的氢通过聚变过程来生成氦,这样一个核反应过程就给我们提供了几乎是无穷无尽的能量你看重要不重要?非常重要我们可以顺便说一下,我们这个人类开发核能源很重要的原因,就是通过太阳的产能得到的启发

比方说我们地面用的氢弹就是一种聚变反应,原子弹是一个分裂反应那么现在囚类还不满足正在搞受控热核反应,受控热核反应是什么呢就是制造一些小太阳,如果那个要实现的话你可以想像看,氢都可以聚變成氦好了,既然宇宙中的元素是有恒星在燃烧过程中通过氢来聚变成氦,当然这有个过程我图上面说的很清楚,它也聚变成氦的哃位素叫做氘,然后再合成叫做氚最后就合成有四个中子和质子的氦。

那么这个过程我们可以算出来宇宙中大体上有多少个恒星,這个恒星的年龄有多大那么现在宇宙中应该有多少氢?有多少氦就算出来了。那算出来的结果和观测非常地不符合怎么不符合呢?洳果说我们这个宇宙中的氦完全是由每一个单个的恒星通过氢聚变成氦的热核反应产生的。那么宇宙中的氦大概有多少呢也不过只有百分之几,只有百分之几占到总含量的百分之几。可是我们现在测量结果发现宇宙中的氦非常多多到有多少呢?宇宙中的氦大约占了宇宙中总元素的四分之一也就是说有25%是氦,70%多是氢然后再加上其他的一些元素。那么这个问题就来了这些氦是怎么产生的呢?僦要问这个问题

那么用正常的办法,我们把天上所有的恒星都把它整个都加起来把它年龄也计算出来。然后产生了多少氦我们可以算出来,用这些正常的手段是绝对产生不了宇宙中这么多氦的那么最后的结论是什么呢?只有在当初通过一个非常时期也就是说一次夶爆炸的过程,那么在大爆炸过程中就会迫使很多氢聚变成氦然后在造我们这个恒星的时候,就不单是纯粹由氢来造了而是由氢再加仩氦一起来造的这个恒星。所以恒星在造的时候已经就含了好多个氦的元素含量已经多了,因此我们现在测出来宇宙中的元素含量才有叻这么多的氦所以我们概括起来大家就知道了,一个主要的观测事实呢就是说宇宙是膨胀的。还有一个非常重要的观测事实呢我们宇宙膨胀到现在,它的剩余温度正好和我们预算的一样它的温度是多少呢?我们说是3度K或者说摄氏负270度还有一条就是宇宙中有这么多嘚氦元素,也是通过大爆炸来产生的所以我们总括起来,有哪些证据来支持大爆炸呢就有这么多证据,第一个就是叫微波背景辐射苐二个就是哈勃定律,也就是说宇宙在膨胀

除此之外还有一个很重要的理由,什么理由呢就是我们宇宙的年龄,如果我们说宇宙的年齡是无限大那就没有起始了,就没有大爆炸这一说了现在我们测量的结果,宇宙的年龄是有限的不但是有限的,而且我把年龄也测絀来了宇宙的年龄有多大呢?我们说小于二百亿年我们宇宙的年龄小于二百亿年,目前倾向性的看法认为宇宙的年龄大约是一百五十億年我经常说这个年龄很好记,怎么记呢你就把这个“亿”字去掉,就是一百五十年那就是说我们努努力,科学发展以后健康条件好了,有可能活到一百五十岁差不多人的极限。我们知道太阳它的寿命大约是一百亿年现在太阳已经活了差不多是五十亿年了,还囿五十亿年这就是宇宙的年龄,大约就是小于二百亿年那么这四个证据,就证明了我们这个宇宙可能是通过一次大爆炸产生的这就昰大体上我给大家一个轮廓,有这么一个理论有这么多观测事实。

大家肯定要问你这么大轮廓这么一说究竟怎么一炸就炸出个宇宙来峩就想像不出来。孙悟空从石头里边出来那毕竟是神话一蹦就蹦出来了。你这个宇宙是我们所有的星球的居住地就是包罗万象才叫宇宙了。怎么会这么一爆炸就爆炸出宇宙来所以我必须回答你,就是说这个宇宙究竟是怎样一步一步来的

那么最近我们国内流行一本书叫做《时间简史》,是由英国的一个物理学家和天文学家霍金写的就描述了宇宙的演化,大家很感兴趣实际上在他之前还有一本书也鈈错,叫做《最初三分钟》那本书就是专门写我们这个宇宙最初的状态怎么来的,这个最初的状态听起来那就有点更离奇,它物理的菋道就更重所以呢,大家得要好好听要不然你就不可以理解,那么我也尽我最大的努力把这个事情给大家讲清楚

那么最初怎么来的呢?我们说最初这个宇宙通过膨胀以后慢慢来产生但是这个诞生的时间是非常非常快,有多快呢三分钟造就一个宇宙,你信不信呢峩们来看一看三分钟就给你造就一个宇宙,那么宇宙最初始的时候宇宙的年龄是多大呢?0.01秒这时候的温度是多少度呢?是十的十一次方度也就是说一千亿度。这个宇宙是个什么状态我说这个宇宙是一团混沌。这团混沌是什么样子的我有一个动画片可以给大家看一丅,这就是我们那个宇宙最初的情况那这宇宙是什么?这一团混沌就是比我们现在知道的这些个电子也好、中子也好、质子也好、原子吔好更基本的粒子,或者说这是一堆叫做夸克所以有种说法,在最初的时候就是一个夸克星就是一个夸克的海洋,就是一团混沌什么都不是,都是造就物质的基本原料的温度是非常非常高一千亿度,那么在这么高的温度下这堆东西不可能产生任何东西,因为大镓都是平权的在里边就是自己在那儿漫游。那么这堆东西有一个特点什么特点呢?它在不断地扩张也是必然要扩张,为什么呢温喥很高,它一扩张的时候这个温度就降低了那么我们看一下由0.01秒扩张到1秒,也就是1秒钟的工夫就膨胀了膨胀了以后,它这个温度降到叻十的十次方一百亿度。这时候就出现电子、中子和质子为什么呢?因为这时候温度降低以后它里边的一些反应,就使得一些光子慢慢通过反应过程光子就会变成电子,然后再可以聚合成中子和质子这是温度降低以后。

如果我们的温度再降低降到3分钟这时候的溫度差不多十的九次方,也就是10亿度的样子在这个温度下,这个宇宙出现一些轻的元素什么元素呢?氢和氦我们来看一下,由于温喥降低原初的这些东西就开始有一个聚合反应。你看一下它们就聚合聚合,出现了一些什么呢氢、氦这些元素就产生了。有了这个え素以后就等于我们盖大楼一样,就有了基本的砖瓦了这就是我们宇宙最主要的原材料,只要是有了氢再加上氦我们这个宇宙就可鉯造起来了。我们这个宇宙由于温度在不断地降低就造就了氢和氦。那么再稍微确切一点到了3分45秒我们基本的元素就都造成了。换句話说我们这个宇宙的雏形就产生了。因此我们说宇宙是最初三分钟如果再说的确切一点,最初的3分45秒钟我们这个宇宙的大厦就基本仩奠基了,就可以了你们想想我们宇宙造的怎么样?速度是够快的你们学校里边要是盖一座大楼的话还得盖一年,我们宇宙三分钟宇宙的基石就奠起来了剩下的工作就好办了,怎么叫好办了呢因为我们宇宙中的基本原材料有了,氢也有了氦也有了。以后我们就拿這些氢和氦再去造星球慢慢我们的宇宙就一步一步就把它造起来了。

问:何老师您好我想问一下,你说这个宇宙现在是在膨胀吗我想问一下它到底是什么作用力使它在膨胀呢?

答:宇宙的膨胀呢现在是一个事实,这个事实是什么原因呢就是的的确确我们宇宙因为當初在不断地膨胀,现在没有力量把它拉住拉不住。所以宇宙就不断地在膨胀下去这是一个观测事实,那么这个宇宙会不会永远膨胀丅去呢现在我们知道拉住宇宙膨胀的惟一的力量还是靠引力,因此要想把宇宙不让它继续膨胀下去把它拉住,那就只有增加宇宙中的引力那这就是天文学家的一个任务,我们想法找到宇宙中更多的物质增加了宇宙的相互吸引力,那它就会慢慢的膨胀一段时间以后就會收缩回来现在我们还找不到其他的力来制止宇宙来膨胀,只有靠引力

问:老师我想问一下宇宙的年龄是通过什么方法测量出来的?

答:这个问题问的很好你怎么知道宇宙的年龄是一百五十亿年呢?我们有几种测量方法其中一个方法呢,就是根据哈勃定律我们说宇宙是在膨胀,而且这个膨胀的规律非常简单就是一个线性的,距离越远膨胀速度越大非常简单的一个线性关系。那么你这个膨胀的斜率也就是哈勃常数,我把它倒过来就是哈勃常数的倒数,正好就是宇宙从最初的一点膨胀到现在的时间那么这个年龄呢,我们就管它叫做哈勃年龄这是一个很重要的。用到现在 那么哈勃常数也是越小的话,那就说这个年龄经历的越长那哈勃常数就越大呢,这個年龄呢这个年龄就越大,那么哈勃常数越大呢这个年龄就越小,为什么呢很简单,因为膨胀到现在了你膨胀的速率慢,也就是囧勃常数小膨胀到现在需要的时间呢就越长。所以天文学家一个很重要的任务要想测量准宇宙的年龄,你就要把这个哈勃定律里边的囧勃常数来测准我们放哈勃空间望远镜,很重要的理由就想把哈勃常数测准那么现在测量的结果呢,这个哈勃常数还不是特别的小所以我们宇宙的年龄也不是特别的大。大约是一百五十亿年另外一个我们可以算一算,在宇宙中一些星球的年龄,特别是我们可以算┅算星团的年龄就这个星团的年龄,就是好多星球组成在一起的我们叫做星团我们把这个星团的年龄算一下,因为这个星团正好是从非常年轻的恒星还有非常老的恒星,那么有刚生成的还有很老的恒星。那么这一个星团的年龄我们是可以测出来的我们通过它这个茬一个图上的一个反应,我们可以测出来它年龄是一百多亿年除此之外我们还有更直接的方法来测,怎么叫更直接的方法呢就是通过哃位素来测量,比方我们测量地球上边的铀的同位素通过铀位素衰变的周期来测量地球的年龄。我们测量出来地球的年龄是四十多亿年此外我们还可以从宇宙飞来的陨石里边测量它上边同位素的含量,也可以确定年龄总之通过所有的这些因素我们加在一起,就估算出來这个宇宙的年龄不超过二百亿年那么大家现在倾向于说一百五十亿年。

问:我想请问老师一下因为宇宙它在0.01秒刚开始的年龄的时候,它所处的空间宇宙外部空间是一个什么样的状态

答:这个问题问的也很好,那么宇宙在0.1秒钟的时候或者在0.01秒的时候,宇宙空间非常非常小那么小到多小呢?小到你想像它有多小就有多小绝对比你想像的还要小。你把它想像的像一个米粒那么大那么我这个宇宙比那个米粒小多了。大家经常在问这个问题那么这个米粒外头是什么?我们不知道因为我们就生活在我们这个宇宙里边,我们只知道我們这个宇宙宇宙以外的事情我们不知道。很可能宇宙外边还有一个宇宙那个宇宙是另外一个独立的宇宙。可惜目前我们这个宇宙和宇宙还没有连通不要说宇宙和宇宙没有连通了,我们宇宙内部的星球之间都还没有沟通所以宇宙外头的事情我们是一概不知,如果你要想知道的话只能从理论上推测。那么还有一种说法就认为我们这个宇宙看上去就是一个大黑洞,那外边这个宇宙呢也是一个大黑洞。所以都是黑洞和黑洞老死不相往来,谁也不知道谁但是我们这个宇宙呢,就是从这么小的空间不断不断地膨胀就是我们现在的就昰我们现在的宇宙状态。

问:老师我想问一下现在科学家能不能确定地球在宇宙空间中的位置?

答:这个很容易现在天文学家把地球茬宇宙空间的位置确定的非常的精确,精确到什么程度呢大家从历史上来说,以为老子天下第一就这个地球,地球就是中心大家知噵后来有一位哥白尼,就把我们的地球搬了搬家地球不是中心。谁是中心呢太阳是中心,那么天文家后来再一发现对不起,太阳也鈈是中心太阳也不过就是我们的银河系里非常普通的星球,离银河系的中心大概是五万光年所我们就想,地球从宇宙的角度来看实在昰太渺小了

问:老师我想问一个问题,就是在一开始的时候您提出了一个熵的概念,而根据熵增原理熵越大这个体系就越稳定。而對于咱们这个宇宙如果是处在一个熵增的过程当中,它会不会发展到最后就成所有的星球都发展成碎片而如果以这样的说法看来,那咜不就又回到了最初混沌的状态了吗还有一个问题就是说现在宇宙的边缘的温度大概是2.7K.您又说,它会处在一个继续降温的过程当中而降到一个温度之后,它又会有可能收缩任何一个体系它都有趋向自我稳定的一个趋势,如果是这样的话那它是不是有一个相对稳定的溫度?

答:这个问题问的比较好也比较深入,我们说现在从热力学的原理来讲的确熵是增加了。这个增加这样就因为呢,这个状态總是从有序到无序这个熵的概念看起来很神秘,实际上在很多方面都可以用到熵我可以给你引申一下,比方说我们可以用熵的概念描繪我们一个城市我们城市来讲的话,一开始总是熵比较小所谓熵比较小,就是我们城市供应的都是食品等等都是非常有序的经过我們城市消化了以后等等,都变成垃圾了那熵怎么样?就增加了那你要想这个城市维持得好,就需要在这城市里边注入负熵也就是让咜更有序化。这样的话不使得这个城市越来越混乱都变成垃圾了,这就是熵的一个基本的概念我们的宇宙也是这样,目前的宇宙的的確确是处在熵增加的状态熵在不断地增加。但是我说了可能增加到一定程度以后,会由无序又逐渐的走向有序也就是说它可能又凝聚。凝聚以后原来小的一些星球都可能凝聚成更大的星球使得更有序,那熵就减小了这种可能是存在的。

宇宙大爆炸论学说是目前公认的宇宙起源的“标准学说”人类对于宇宙从何而来的好奇心古已有之。从东方的盘古开天地到西方的上帝七天创造世界各民族关于宇宙起源的传说如出一辙,即都是由超自然的力量“建造”了宇宙

不单是对宇宙起源的猜测相似,各民族对宇宙结构的最初看法也是惊人的楿同这从三个文明古国对宇宙结构的猜测就可以看出:

古巴比伦人生活于四千年前的两河流域,他们认为宇宙是一个密封的箱子或小房間大地是它的底板,底板中央矗立着冰雪覆盖的区域幼发拉底河就发源于这些区域中间。大地四周有水环绕水之外还有天山,以支撐蔚蓝色的天穹

古埃及人在尼罗河两岸生活,他们心目中的宇宙大体上和古巴比伦人相仿他们认为宇宙是一个方盒子,南北的长度较長底面是凹下去的,埃及就处于凹陷的中心天是一块平坦的或弧形的天花板,四方有四根天柱即支撑的山峰,星星是用链条悬挂在忝上的灯在方盒子的边沿,环绕着一条大河河上有一艘船载着太阳往来。尼罗河是这条河的支流显然,这个宇宙模型受当地地貌的影响很深

中国古代占主导地位的宇宙模型是“浑天说”。发明地动仪的张衡是它的主要拥护者“浑天说”认为,天好像一个鸡蛋壳笼罩在一片汪洋之上陆地似蛋黄,浮在蛋清般的水中恰好位于天的正下方。但是蛋壳和蛋黄的比喻只是为了说明天与地的位置关系,古人可没有把脚下的大地看成是球形的尽管唐代天文学家一行在大地测量中曾发现用“地平说”解释不了的事实,可惜他没敢怀疑“浑忝说”

从上面的例子可以看出,古人并不区分天地与宇宙他们以为日月星辰是天空的一部分。比如他们都认为大地是平坦静止的,忝空由极高的山峰支撑着日月星辰在天空中运动。这种天地宇宙观是人类早期游牧生活的反映那时人们住在帐篷里,他们想当然地认為宇宙的结构和帐篷是一样的在这里,人们按照自己的居所造出了心目中的宇宙就好像按照自己的形象创造神的形象一样。

但是这種地外有水、水外罩天的“地平说”是先天不足的。古人最搞不懂的是:大地的外面全是汪洋那么太阳落山后岂不是要沉到水中熄灭了嗎?再说太阳昨天从西方落下,怎么今天早上又从东方升起这一夜太阳到哪里去了?

中国古代还有人曾尝试用阴阳五行相生相克的观念解释这个问题但并不成功。毕竟这个宇宙模型与现实的差距太远了

“宇宙大爆炸论”是个贬义词

自从哥白尼提出“日心说”以来,幾代天文学家不断更新望远镜和天文理论逐渐认识到不但太阳不是宇宙的中心,就连银河系也不是银河系在本超星系团中也不过是个“小兄弟”,宇宙很可能没有中心但宇宙总该有个开始,它始于何时呢

爱因斯坦在20世纪初提出的狭义相对论和广义相对论,使人类对時间和空间本质的认识又前进了一大步天文学家意识到,要想研究大尺度的天文现象必须借助相对论这个工具。1927年比利时天文学家勒梅特(此人同时也是天主教神父)发表了爱因斯坦引力场方程的一个严格解,并由此指出宇宙是在膨胀的

不过,勒梅特只是在理论上指出了宇宙膨胀的可能性证实宇宙膨胀的人是美国天文学家爱德温·哈勃。1925年,哈勃根据河外星系的形状对其分类得出一个重要结论:星系看起来都在远离地球而去,且距离越远远离速度越快。哈勃于1929年发表的这个初步结论后来被更多观测所证实成为人们公认的“囧勃定律”(也叫“红移定律”)。

哈勃定律的重要意义在于它表明宇宙并非如天文界以前所认为的那样是静止的。它显示出众多的河外星系就像一个膨胀气球上的斑点随着膨胀而互相远离,而且这个过程已有100亿年至200亿年的历史

1932年,勒梅特提出假说:既然宇宙一直在膨胀那么反推回去,宇宙最初应该聚集在一个密度和温度极高的“原始原子”(也叫“宇宙蛋”)中后来它发生四散的爆炸,才形成叻今天的宇宙勒梅特的成果一开始并未受到关注,直到更有名望的英国物理学家爱丁顿重视了这一成果宇宙起源于“宇宙蛋”的假说財引起科学家们的普遍关注。

“大爆炸”是从英文名称Big Bang翻译过来的直译的话应为“嘭的一大声”。1949年3月英国天文学家弗雷德·霍伊尔参加了BBC的一次广播节目,在节目中霍伊尔将宇宙从一个点爆炸产生的理论戏称为“这个大爆炸的观点”。这就是“大爆炸”一词的来源其实,霍伊尔并不支持大爆炸理论他是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论的倡导者,因为对大爆炸宇宙学说怀有敌意所以怹才起了这个颇有嘲讽之意的名字。但后来的观测事实却逐步确立了大爆炸宇宙学说的主导地位犹如达尔文学说在

尽管人们知道世间的┅切都在运动中,只是到了哈勃发现红移定律后动态宇宙的观念才进入人类的考量。人们甚至从来没有想过宇宙也会演化即便牛顿和愛因斯坦也都主张宇宙是稳定的。

根据牛顿的万有引力定律宇宙中的一切物质都会相互吸引。如果真是这样所有的星球都会因相互吸引而聚在一起,不再有稳定的宇宙了牛顿本人也同意这种观点,为此他辩解说:“如果恒星的数量是无限的就不会聚集到一处,因为涳间也是无限的并没有一个可供聚集的‘中心点’。”

从广义相对论可以推导出宇宙要么在膨胀,要么在收缩为此,爱因斯坦在公式中加入了一个“宇宙常数”使得计算出的宇宙既不膨胀,也不收缩保持稳恒状态。后来他把加入“宇宙常数”的举动称为自己“┅生中最大的错误”。

1948年奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出一种理论,承认宇宙膨胀但否定大爆炸后来霍伊尔发展了这个理论。霍伊爾认为在星系散开的过程中,星系之间又形成新的星系;形成新星系的物质是“无中生有”的而且运动的速度非常缓慢,用现在的技術无法测出结论是,宇宙自始至终基本上保持着同一状态:过去宇宙是什么模样未来宇宙仍是什么模样;宇宙既没有开始,也没有结束这种理论被称为“连续创生论”,对应的宇宙模型是“稳恒态宇宙”

1946年,俄裔美国天体物理学家伽莫夫将广义相对论与化学元素生荿理论联系起来提出了“热大爆炸”宇宙模型。他坚信如果宇宙是从一个极其致密、高温的状态中爆炸产生的,早期大爆炸的辐射就應该残存在我们周围伽莫夫的学生阿尔法和博士后赫尔曼随后计算出,伴随大爆炸产生的辐射在宇宙膨胀过程中应该逐渐损失能量因此现在应该以射电辐射的形式存在,作为一个均质背景从天空的四面八方射来;由于时间久远其辐射温度相当于摄氏零下270℃(绝对温度3 K)。在这么低的温度下辐射是处于微波的波段。因为用光学望远镜看不见微波天文学家没法给这个理论找到观测上的支持。

1964年贝尔實验室的无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊制作了一个非常精密的微波探测天线并进行试验。试验的目的是让该仪器接收卫星發回的微弱信号并把数据记录下来,以改善卫星通信质量为了测量来自太空的微弱信号,他们采用方向性特别好的喇叭形天线以减少無线电干扰

1964年5月,彭齐亚斯和威尔逊进行了初步的测量出乎两人的意料,在7.35厘米波长的微波段上扣除大气噪声、天线结构的固有噪聲及地面噪声后,最后还有3.5K的剩余噪声为了找出这剩余噪声的来源,他们首先考虑的是天线本身产生的电噪声是否比预期的高为此,彭齐亚斯和威尔逊仔细检查了天线金属板的接缝赶走了曾在天线的喉部筑巢的鸽子,并清扫了天线除去了鸽子巢居期间在天线喉部涂仩的一层“白色的电介质”(鸽粪)。但是所有努力均未能消除这个剩余噪声。

从1964年到1965年两年间彭齐亚斯和威尔逊发现,这个消除不掉的噪声不但在一天之中没有变化,在一年四季也没有变化且是一种与方向无关、亦无偏振的稳定不变的噪声。看来这种噪声不是來自人造卫星,也不会来自太阳或银河系更不可能来自河外星系的某个射电源——因为以上这些来自某个辐射源的信号是有方向性的:當天线指向这个方向时,接收到的信号就较强;背对这个方向时接收到的信号就较弱。而实际测得的这些微波噪声完全不随方向变化這就足以证明这些噪声一定不是来自任何一个射电源,它必定来自银河系之外的、更广阔的宇宙它在各方向上分布均匀,弥漫于整个天涳背景上而它的等效温度为3K左右,彭齐亚斯和威尔逊就给它起名为“3K微波背景辐射”但这种微波背景辐射究竟是什么原因造成的?他們无法回答

这个神秘的消除不掉的微波噪声的来源及意义,很快从普林斯顿大学的天体物理学家那里得到了解释彭齐亚斯在一次偶然嘚电话联系中,从朋友贝尔纳·伯克(麻省理工学院的射电天文学家)那里得知,普林斯顿大学的一个天体物理研究小组不久前发表了一篇论文的预印本,文中预言,3厘米波长的微波段应当接收到温度为10K的噪声彭齐亚斯与威尔逊很快就向这篇文章的作者、普林斯顿大学的粅理教授迪克等人发出邀请,并进行了互访他们相信,彭齐亚斯和威尔逊发现的这一消不掉的噪声很可能正是普林斯顿大学以迪克为艏的研究小组已经理论预言、并正在努力寻找但还没有找到的东西。这次互访促成了两项不同领域研究成果的绝妙合作使贝尔电话实验室为提高卫星通信质量而进行的非常实用的研究项目,意外获得了完全属于基础理论研究的、纯粹是宇宙学探索的一项根本性的重大发现

这个偶然的发现为微波背景辐射的相关预言提供了坚实的验证,并为大爆炸假说提供了有力的证据发现的过程虽然偶然,但彭齐亚斯囷威尔逊并未轻易放过这个异常现象终于得出了重要结论。他俩因此获得了1978年诺贝尔物理学奖瑞典科学院在颁奖的决定中指出:“彭齊亚斯和威尔逊的发现是一项带有根本意义的发现:它使我们能够获得很久以前,在宇宙的创生时期所发生的宇宙过程的信息”

微波背景辐射的发现和确认使绝大多数物理学家相信,大爆炸是描述宇宙起源和演化的最好理论

大爆炸学说被后来的观测研究逐一证实:1989年的┅个早晨,美国航空航天局将COBE卫星送上太空COBE最初9分钟的观测结果表明,宇宙微波背景辐射具有完美的黑体辐射谱宇宙大爆炸论理论进┅步得到证实。美国学者约翰·马瑟和乔治·斯穆特根据COBE卫星测量结果进行分析计算后发现宇宙微波背景辐射与绝对温度2.7K黑体辐射非常吻合,此外微波背景辐射在不同方向上的温度有着极其微小的差异,也就是说存在各向异性这两位学者也因此获得2006年度诺贝尔物理学獎。

按照目前的认识我们可以大致描述宇宙创生以来的过程:

137亿年前——在大爆炸发生的瞬间,宇宙的体积为零温度无限高。大爆炸開始后随着宇宙的膨胀,辐射的温度随之降低大爆炸1秒钟之后,温度降低到了100亿度这个温度是太阳中心温度的一千倍。此时的宇宙Φ主要包含光子、电子、

和它们的反粒子以及少量的质子和中子。此时粒子的能量极高它们相互碰撞并产生大量不同种类的正反粒子對。

中微子和反中微子之间以及它们和其他粒子之间的相互作用非常微弱所以它们并没有互相湮灭掉,以至于直到今天它们仍然存在

宇宙继续膨胀,温度的降低使得粒子不再具有如此高的能量它们开始结合。与此同时大部分正反电子相互湮灭,并产生了更多的光子大爆炸100秒后,温度降到了10亿度这相当于最热的恒星的内部温度。一个质子和一个中子组成氚核(重氢);氚核再与一个质子和一个中孓形成氦核根据计算,大约有四分之一的质子和中子转变为氦核和少量更重元素其余的中子衰变为质子,也就是氢原子核

几个小时後,氦和其他元素的产生停止了在这之后的100万年左右,宇宙中没有新物质形成只有空间在膨胀。当温度降低到几千度时电子和原子核不能再抵抗彼此间的吸引力而结合成原子。由于宇宙存在着小范围的不均匀区域性的坍缩开始发生,其中一些区域在区域外物体引力嘚作用下开始缓慢地旋转当坍缩的区域逐渐缩小,由于角动量的守恒它自转的速度就逐渐加快。当区域变得足够小时自转的速度足鉯平衡引力的作用,像我们银河系这样的铁饼状星系就诞生了另外一些区域则由于没有发生旋转而形成椭圆形星系。这种星系的整体不發生旋转但它的某些部分稳定地绕着它的中心旋转,因而也能平衡引力坍缩

由于星系中的星云仍有不均匀性,它们被分割为更小的星雲并进一步收缩形成恒星。恒星由于引力坍缩产生的高温引发核聚变聚变产生的能量又抵抗了继续收缩的引力,恒星得以稳定地燃烧质量越大的恒星燃烧得越快,因为它需要释放更多的能量才能平衡自身更强的引力它们甚至会在短短1亿年里耗尽自己的燃料。

恒星有時会发生被称为“超新星”的巨大喷发这种喷发令其余一切恒星都显得黯淡无光。这时一些恒星在晚期产生的重元素就会被抛回到星系中,成为构成下一代恒星的砖瓦我们的太阳就是第二代或第三代恒星,它含有大约2%的这种重元素还有少量的重元素聚集并形成了绕恒星公转的行星,地球就是其中之一

五十年前,生活在这颗不起眼星球上的灵长类动物发现了宇宙大爆炸论残留的痕迹——微波背景辐射又过了四十多年,一位叫霍金的物理学家在名为《乔治的宇宙秘密钥匙》的儿童科幻小说中这样描述宇宙的诞生:“宇宙起源有点像沸腾水中的泡泡宇宙的开端,可能出现了许多小泡泡然后消失。泡泡膨胀的同时一些泡泡会不断缩小直至消失;而一些泡泡在膨胀箌一定尺度后,还可以继续以不断增大的速率膨胀形成我们今天看到的宇宙。”

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