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为什么我们相信大爆炸

已有 2125 次阅读 2015-10-24 00:35 |系统分类:科普集锦

宇宙大爆炸被提出以来,越来越多的证据支持这个理论。现在,物理学界已经没有什么人质疑它的正确了。只有一些极度非主流的学者和民间科学家,还在想入非非的制造一些替代理论,当然,这些非主流理论大多不靠谱。


即使从哲学层面,宇宙大爆炸也解决了一些最基本的问题。比如下面两个现象:


第一,为什么无论我们如何增加望远镜的精度,如何延长暴光时间,也只能看到400多亿光年远的星系,更远的地方则永远是一片黑暗,什么也没有。

第二,为什么从光谱分析得到,越遥远的星系,年龄越年轻。


对于上述的第一个问题,如果恒星真的只分布在400多亿光年以内的范围,那么又会立刻衍生出两个问题:


第一,为什么恒星存在的范围刚好是球对称的。

第二,为什么地球刚好处在球形的中心。


可见,永恒宇宙论连一些最基本的观察现象都解释不了。然而,如果宇宙有一个有限的历史,上面的问题就立刻迎刃而解了:我们只能看到400多亿光年的距离,并非宇宙本身体积有限,而是因为光速有限,更远出的光还没有传播到地球来。在宇宙140亿年的有限历史中,光只能传播460亿光年。(至于为什么不是140亿光年,请参考我之前的文章《宇宙的半径》)。同样,空间中恒星分布的各向同性也可以得到理解:我们眺望宇宙,好比一个人站在草原上眺望四周,如果草原足够大,而我们的视力有限,那么,我们只能看到自身周边的区域。我们向每个方向,看到的最远距离都是相同的,这并不意味这草原本身是圆形的,而是因为我们的视力有限,无法看到草原的边界。


我们能够通过光学手段看到的最远距离,称作视界。视界位于距离地球460亿光年远的位置。根据相对论,光速是无法超越的,所以视界是理论上无法超越的距离,视界以外的宇宙,我们无法观测。


那么,如果有一天我们真的能够找到超越光速的方法,看到比视界更远的地方,那么视界外的宇宙又是什么样子呢?这个已经超越了现阶段物理学的能力,物理学家也只能各说各话了。至少,爱因斯坦的广义相对论可以证明,如果视界以外的宇宙也具有和视界内相似的构成,比如类似的星系,星云,以及看不见的暗物质和暗能量,那么,宇宙的整体拓扑结构不外乎两种可能,一种是正弯曲的,这种情况下,空间自身形成一个闭合的三维面,宇宙的体积是有限的,向任何方向走下去都可以回到原点。这个结构有些像地球的表面,只不过多了一维。另一种可能则是平直或负弯曲。在这种可能下,宇宙是无限大的。注意,无论上面那种可能,宇宙都没有中心。


宇宙大爆炸给人一个很容易产生的误解,就是宇宙有一个中心,似乎大爆炸是从一个中心点开始的。事实上,如果你能够理解上面的描述,就是发现,这种想法不正确。在正弯曲的情况下,宇宙大爆炸起源于一个无穷小的三维闭合面。也就是说,在更高维的视角下确实有一个中心,只不过这个中心不在我们的三维空间内部。这就好比一个吹起的气球,扩张的中心在气球的内部,而不是气球的表面上。宇宙的情况类似,只不过多了一维。我们生存的宇宙不过是一个更高维球体的”表面“。 而至于平直和负弯曲的情况,宇宙本身就是无限大的,所以大爆炸开始后极短的时间内,宇宙就是无限大的,大爆炸以后,原来的空间中,每一个小区域都在膨胀。当然,你可以问,如果我们追溯到宇宙起源以后无穷小的时间,那么宇宙是不是有限的?这个现在的物理学也解释不了,因为这个相当于把一个无穷大和一个无穷小相乘,结果可以是无穷大,也可以是无穷小,当然,也可能是个常数。




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