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相对论与黎曼几何-17-大爆炸宇宙模型 精选

已有 15582 次阅读 2014-12-18 09:04 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

17. 大爆炸宇宙模型

 

1959年,有人对美国科学家作过一次调查,试探他们对当时物理科学的理解。调查中有一道题目是:“你对宇宙的年龄有何想法?”。超过三分之二的人对这个问题的答案是认为宇宙是永恒不变、始终如一的,没有开始没有结束,所以谈不上“年龄”的问题。

 

就在5年之后,两位在美国新泽西贝尔实验室工作的科学家的意外发现改变了大多数科学家对这个问题的看法。

 

阿诺·彭齐亚斯(ArnoPenzias)于1933年出生在德国的一个犹太家庭。那正是纳粹开始当道的年代,所幸彭齐亚斯6岁时就被儿童救援行动送到了英国,翌年又和父母一同移居了美国,避免了经历这场战乱。之后,他毕业于纽约著名的布鲁克斯技术高中,在哥伦比亚大学获得博士学位,然后来到了新泽西霍姆代尔的贝尔实验室工作。

 

彭齐亚斯在那儿碰到了比他小3岁的合作者罗伯特·威尔逊(RobertWilson)。1964年,他们的合作项目是有关射电天文学和卫星通信实验。为了更好地接受从卫星返回的信号,他们在实验室附近的克劳福德山架设了一台新型的喇叭天线。当他们将天线对准天空方向检测噪音性能时,发现在波长为183.75px的地方,一直有一个类似“噪声”的信号存在,这个额外的信号使得他们的天线的噪声比原来预期的数值增加了100倍。于是,他们彻底检查天线,清洗了上面的鸽子窝鸟粪之类的赃物。然而,“噪声”信号依然存在(图2-17-1)。并且奇怪的是,这种噪声与天气、季节、和时间都无关,也与天线的方向无关。好像是某种充满天空的、顽固存在的神秘之光。

 

2-17-1:微波背景辐射

 

两位科学家被他们所接受到的神秘信号所困惑,猜测辐射可能是来自于银河系之外的其它什么星系。彭齐亚斯正好有个朋友在MIT物理系作教授,与他电话聊天时谈及普林斯顿大学几个天体物理学家之一(皮伯斯)在某讨论会上的一个发言。这几个人(迪克、皮伯斯、劳尔和威尔金森)研究的是称之为“大爆炸”的一种宇宙演化模型。根据这个理论,他们认为在现在的宇宙中应该充满着某种波长(几个厘米)的微波辐射。这种辐射无孔不入、无处不在,是很有可能被当时的无线电探测仪器接受到的。如果接受到了的话,就是对“大爆炸”理论的一个非常有力的证据。

 

知道了这个情况,彭齐亚斯和威尔逊的心情有些激动。听起来,他们所收到的频率大约4080兆赫的“不明噪声”就非常符合普林斯顿科学家们所期望能探测到的微波辐射,难道我们真的在无意中发现了这么重要的宇宙学证据吗?

 

好在普林斯顿离霍姆代尔不远,汽车半小时就到了。电话联系之后,天文学家们很快便来到了贝尔实验室,考察喇叭天线观察接受到的“噪声”数据。经过一段时间的讨论、研究、分析的结果,结论使两个小组的人员都很兴奋,他们认为:这些信号的确是宇宙学家们所预言的“微波背景辐射”,不是普通的噪音,而是大爆炸的余音!

 

之后,两个小组的两篇文章同时发表在《天体物理学报》的同一期上1】【2。这是科学家第一次向人们宣布宇宙微波背景辐射(CMB)的发现,为此彭齐亚斯和威尔逊还一起获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

 

后来,更多的天文观测资料支持了宇宙起源于“大爆炸”的学说。从1959年的调查,到大多数人观点的转变,说明科学界对物理理论的认同是基于实验及观测事实的基础上,而不仅仅是数学理论模型。注意这儿说的是“科学界的认同”,与在普通大众中做的调查是两码事。

 

大爆炸学说的确是从理论模型开始的,最早提出它的还居然是一位天主教神父,也就是上一篇中提到过的比利时宇宙学家乔治·勒梅特。勒梅特在当神父的同时,也热衷于研究爱因斯坦的广义相对论及哈勃的观测数据。然后,1931年,他从宇宙膨胀的结论出发,对广义相对论进行时间反演,认为膨胀的宇宙反演到过去应该是坍缩、再塌缩、……,一直到不能坍缩为止。那时宇宙中的所有质量都应该集中到一个几何尺寸很小的“原生原子”上,当今的时间和空间结构就是从这个“原生原子”产生的。

宇宙起源于大约138亿年前“奇点”的一次大爆炸?这听起来实在是匪夷所思。人们很自然地要问:如果认为宇宙有开始的话,那么,在那之前又是什么呢?可能谁也无法回答这个问题。但也有人认为大爆炸之前可能是无数次的塌缩和膨胀的往复循环。各种猜测都有,但仅仅限于猜测。有什么能比宇宙起源的问题更能吸引人,又更能困扰人呢?事实上,无论科学家给出什么样的宇宙演化图景,都一定会使大众产生出没完没了的答复不了的更多问题。因为人类对宇宙还是如此的无知,在博大浩瀚的宇宙面前,人类显得如此的渺小和幼稚。科学家们也不过是尽其所能来理解和解释这个世界而已。

 

当初,大爆炸不过是基于爱因斯坦的引力场方程,在弗里德曼假设的均匀各向同性条件下简化倒推到时间的原点而得到的假说。但当得到越来越多的实验事实验证支持之后,假说就成了科学理论。这本来就是人类认识大自然的无可非议的途径之一,并不保证该理论就会永远正确下去。科学精神绝不会排斥任何新的理论来取代旧有的理论,如果它能够解释更多的观测事实的话。科学史上的多次革命已经强有力地证明了这点。

 

哈勃定律证实了宇宙膨胀的事实后,有两种互相对立的解释。与勒梅特相对立的英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出了一种稳态理论。有趣的是,霍伊尔在19493月的一期BBC广播节目中,将勒梅特的理论称作“大爆炸的观点”,没想到这个当时颇带讽刺攻击意味的名词,之后却成了勒梅特理论的标签。

 

大爆炸理论并不完善,但它是迄今为止能够解释更多的天文现象而被物理学家天文学家普遍接受的宇宙演化理论。如今的大多数物理学家都相信,大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理论。

 

对科学界的人士来说,下面一个问题更具有实际的研究意义:大爆炸之后的宇宙是如何演化到现在这个状况的?

 

物理学家乔治·伽莫夫,最早支持和完善了大爆炸学说。根据现有的宇宙理论,大爆炸之后的宇宙进化主要有3个阶段:极早期宇宙、早期宇宙、结构形成。伽莫夫当时提出的太初核合成过程,发生在大爆炸之后“早期宇宙”时段中的3分钟到20分钟之间,见图2-17-2a

 

1940年代,伽莫夫与他的学生,提出了热大爆炸宇宙学模型。当时,伽莫夫指派阿尔菲研究了大爆炸中元素合成的理论,在阿尔菲1948年提交的博士论文中,伽莫夫说服朋友汉斯·贝特把他的名字署在了论文上,又把自己的名字署在最后,这样,三个人名字:阿尔菲、贝特、伽莫夫的谐音恰好组成前三个希腊字母α、β、γ。于是这份标志宇宙大爆炸模型的论文,在194841日愚人节那天发表,称为αβγ理论3

 

根据热大爆炸宇宙模型,极早期的宇宙,所有的物质都高度密集在一个很小的范围内,温度极高,超过几十亿度。在大爆炸开始的最初3分钟内发生了些什么4?物质处于何种状态?其中不乏物理模型,但大多数属于猜测,是很难用实验和观测验证的。

 


2-17-2:宇宙大爆炸模型

 

大爆炸后的“极早期宇宙”阶段,对我们来说是难以想象的“短”,大约只是最开始的10-12秒。而在如此“转瞬即逝”的一刹那,物理学家们仍然大有文章可做,将这个阶段分成了许多更小的时间间隔。比如说,在最开始的10-40秒,被物理学家们称为量子引力阶段。那时候的“世界”应该表现出显著的量子效应和巨大的引力。接着,宇宙进入暴涨时期:空间急剧变化、时空迅速拉伸、量子涨落也被极快速地放大,并产生出强度巨大的原初引力波。

 

2014317日,哈佛史密松天体物理中心的天文学家约翰•科瓦克博士等宣布,他们利用设置在南极的BICEP2探测器研究宇宙微波背景辐射时,直接观测到了原初引力波的“印记”5201410月,又有了进一步的消息6。但是,最后的证实还得拭目以待。

 

尽管与我们现实生活中的时间尺度比起来,10-12秒很短,但对于光和引力波信号来说,也能走过300微米左右的距离。电子的经典半径的数值只有10-15米的数量级,这段300微米的短短距离中已经足以容得下约1000亿个电子。何况那时候连电子都还未能形成。所以,当我们算出了这些数据之后,多少也能对物理学家为什么要研究这“极早期宇宙”有了一点点理解。因为这段时间虽然极短,却也是包含了大量可研究内容的。

 

大爆炸模型中的时间尺度很有趣,在极早期宇宙阶段,讨论的尺度是如此之小,而在谈及宇宙的年龄(137亿年)时,又是如此之大,大到连误差都是以亿年计算!这个领域将物理学中极大(大宇宙),和极小(基本粒子)的理论问题奇妙地融合在一起。

有很多方法来估计宇宙的年龄,图2-17-2b中简略介绍了使用哈勃定律来计算宇宙年龄的过程。天文学中对宇宙年龄的计算涉及到许多方面,从理论模型到观测资料的准确度,都会影响计算结果。从理论的角度看,宇宙年龄基本上是和哈勃参数成反比的。但是,哈勃参数如何随时间变化,就由所采用的理论模型而决定了。而某个时候的哈勃参数值,又与观测的技术水平有关。此外,宇宙的年龄计算还与星系、恒星,以及地球等等星体年龄的计算结果有关。所以,不是一个简单的问题。

 

在“极早期宇宙”,以及称为“早期宇宙”的第二阶段,都是量子物理大显身手的地方。特别如刚才所述,极早期宇宙时代,量子和引力,两个不怎么相容的理论碰到了一起。对那个阶段的研究,类似于对黑洞的研究,为量子引力研究开辟了一片天地。

 

遗憾的是,我们很难得到“极早期宇宙”传来的信息,因为大爆炸极早期的光波无法穿越稍后“混沌一团”的宇宙屏障。引力波倒是能穿过,这也就是为什么刚才所说的2014年春天哈佛科学家宣布收到“原生引力波”时科学界激动不已的原因。

 

所谓“早期宇宙”的时间段,就比“极早期宇宙”要长多了,40万年左右,它包括了“微波背景辐射”时期。比起人的寿命来说,40万年很长很长了,但它却只大约是宇宙现在年龄(137亿年)的3万分之一。所以,早期宇宙只算是宇宙的“孩童时代”。

 

发生在大爆炸后30-40万年左右的“微波背景辐射”,是一段特别的时期。这段时期从两个方面影响了我们对宇宙早期历史的探索。

 

其一,在这段时间之前,物质以高温高密的等离子体形式存在,天地混沌一片,星体尚未形成。光子、电子及其它粒子一起,充满整个宇宙,是一片晦暗的迷雾状态。由于光子被粒子频繁散射,平均自由程很短,形成了一道厚实的屏障,宇宙显得不透明,使得更早时期(即大爆炸开始到30万年之间)的光无法穿透这段时空,因此而使得人类对“微波背景辐射”之前—诸如暴涨过程等的研究造成了困难。

 

在另一方面,随着宇宙的膨胀,其温度不断降低。当宇宙年龄大到38万年时,温度降至3000K左右,等离子体中的自由电子逐渐被俘获,进入复合阶段。光子的平均自由程也逐渐增加,宇宙变得透明起来。光子被电子等粒子散射,形成了一种至今弥漫于宇宙中的背景电磁波,即我们现在称之为“3K微波背景”的电磁辐射。这种可以被观察研究的大爆炸的余晖:“遗留辐射”,已经成为我们研究早期宇宙,发展宇宙论的基础。

 

也就是说,宇宙长到40万年左右的那一段时间,正从孩童时代转型成人。它既给我们提供了“微波背景辐射”,让我们从中得以探索到那时候宇宙的种种形态,又以它不透明的身体,阻挡掩盖了更早期的宇宙,不让人们看到它更早时候“胚胎未成形”时的模样。

 

再后来,随着宇宙膨胀,温度逐渐下降,进入到“结构形成”阶段。从1亿5000万年至10亿年,是再电离期间,宇宙的大部份由等离子体组成。再后来,逐渐形成了恒星、行星、星系等天体,一直到我们现在可见的宇宙。

 

参考资料:

 

1Dicke,R. H.; Peebles, P. J. E.; Roll, P. J.; Wilkinson, D. T. (July 1965)."Cosmic Black-Body Radiation". Astrophysical Journal 142: 414–419.

2Penzias,A.A.; Wilson, R.W. (1965). "A Measurement of Excess Antenna Temperature at4080 Mc/s". Astrophysical Journal 142: 419–421.

3Alpher,R. A.; Bethe, H.; Gamow, G. (1 April 1948). "The Origin of ChemicalElements". Physical Review 73 (7): 803–804.

4TheFirst Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe BasicBooks;NewYork(1977)

5"BICEP22014 Results Release". National Science Foundation 2014.

6ThePolarbear Collaboration (October 2014). "A Measurement of the CosmicMicrowave Background B-Mode Polarization Power Spectrum at Sub-Degree Scaleswith POLARBEAR. The Astrophysical Journal.

 

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