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大爆炸理论的成功之处 精选

已有 4795 次阅读 2022-9-2 17:19 |系统分类:科普集锦

根据大爆炸宇宙论,早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度和密度持续降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

宇宙形成和演化历史

大爆炸理论的建立基于了两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。

大爆炸理论能够与一些观测结果符合很好,而别的理论却很难同时解释这些观测结果。因此,大爆炸理论的科学性令人不得不信服。主要的观测证据有:

1. 遥远星系光线的红移。20年代,天文学家埃德温·哈勃注意到,远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红移,并作了一张图。他发现红移是系统性的,星系离我们越远,它就显得越红。光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝光位于短波段,红光位于长波段。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。哈勃认为光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果,古老星系的红移能揭示宇宙早期的膨胀历史。

2. 微波背景辐射。早在20世纪40年代末,大爆炸宇宙论的鼻祖伽莫夫认为,我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,其温度约为5K左右。正如一个火炉虽然不再有火了,但还可以冒一点热气。这一预言被彭齐亚斯和威尔逊在1965年证实,并于1978年获得了诺贝尔物理学奖。

3. 几种轻元素的丰度。采用大爆炸模型可以计算氦-4、氦-3、氘和锂-7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占含量的比例。所有这些轻元素的丰度都取决于一个参数,即早期宇宙中光子与重子的比例,而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关。大爆炸理论所推测的轻元素比例(这里是元素的总质量之比而非数量之比)大约为:氦-4/氢=0.25,氘/氢=10^-3,氦-3/氢=10^-4,锂-7/氢=10^-7。除了锂-7的丰度预测有些偏差外,其余丰度都符合很好。

4. 原初引力波存在。原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。科学家认为原初引力波如同创世纪大爆炸的“余晖”,将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期,即所谓“暴涨”。南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号,随后经过3年多分析,排除了其他可能的来源,确认它就是原初引力波导致的。

除此之外,大爆炸宇宙学认为宇宙有一个起点,它因而可以解释奥伯斯悖论和引力悖论。这两个悖论是说,如果宇宙是静态,无穷,均匀的,那么我们就不可能看到黑夜,也不可能看到一个稳定的太阳系。因为无论亮度和引力积分到无穷距离时,都会产生均匀的亮度和引力。而如果宇宙有一个开端,这种结果就可以避免。

奥伯斯悖论示意图

当然,大爆炸理论也遇到一些困难。比如,对于大爆炸后最初的几分钟,相关的观测严重缺乏,最早期宇宙物质——能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。大一统理论预测了特定类型的粒子(如难以捉摸的磁单极子),而超弦、超对称、超引力以及其他多维理论都预测了各自原初粒子及作用力。为什么正物质世界比反物质世界占绝对优势,暗物质和暗能量的本源等问题都需要解决。最近发射的韦伯太空望远镜也许会为解决这些困难做出贡献。

韦伯太空望远镜

詹姆斯·韦伯太空望远镜最大的优势之一就是能够以某种能力窥视早期宇宙。有了它的帮助,科学家们或许能够以高分辨率看到宇宙的真相。

韦伯空间望远镜首张全彩图像公布,距地球46亿光年




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