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“大爆炸之前”的宇宙什么样?

2020-11-17 20:00 根源: 新浪科技 科学资讯

热大爆炸(hot Big Bang)表面是20世纪最伟大的科学成绩之一。这个表面认为,我们本日所观察到并保管于此中的宇宙,是从更热、更致密且更平均的过去演化而来的。

最初提出时,大爆炸假说是举措一种厉正的交换表面,对宇宙膨胀的少许主流标明加以增补;但20世纪60年代中期,跟着“原始火球”盈余——现在所知的宇宙微波配景——的发明,该假说基本被标清楚。

大爆炸的极早期,通通宇宙物质都压缩一个热而致密的“原始火球”中。

“大爆炸之前”的宇宙什么样?仍然一窍欠亨

彭罗斯的共形轮回宇宙学假设我们目前的宇宙根源于一个曾经保管的宇宙,而这个宇宙会给我们本日的宇宙留下印记。这是一种迷人而丰饶念象力的假说,试图替代暴胀表面,但并没有取得数据支撑。

50众年来,大爆炸表面宇宙学中渐渐具有了高高上的位置,被浩繁科学家用来描画宇宙的根源。

该表面还包罗了一段暴胀时代,爆发大爆炸之后的极短时间内。暴胀之后,宇宙继续膨胀,直到本日,但速率低得众。

众年来,宇宙暴胀和宇宙大爆炸也不停受到天文学家和天体物理学家的挑衅,但每一次有新的要害观测结果呈现时,那些交换的看法就都消逝了。

即使是2020年诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯提出的另一种宇宙观——共形轮回宇宙学,也无法与大爆炸表面的胜利相提并论。

与近年来种种新闻题目和彭罗斯的断言相反的是,目前没有证据外明保管某种“大爆炸之前的宇宙”。

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空间苟菪的量子涨落暴胀时代延迟到通通宇宙,惹起了宇宙微波配景中的密度涨落,这反过来又发生了恒星、星系以及本日宇宙中的其他大标准构造。这是目前关于通通宇宙怎样演变的最好的图片,暴胀就爆发宇宙大爆炸后10^-36秒时,继续到10^-33至10^-32秒之间。

大爆炸一般被认为是通通的开端,包罗空间、时间,以及物质和能量的根源。从某种新颖的看法来看,这是很合理的。

假如我们现看到的宇宙正膨胀,密度越来越小,那就意味着它过去更小,密度更大。

假如宇宙中保管某种辐射,比如光子,那么这种辐射的波长就会跟着宇宙的膨胀而延伸,意味着它会跟着时间的推移而冷却。

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宇宙膨胀的历史可视化图像,包罗被称为大爆炸的热而致密的形态,以及随后的构造孕育和变成。全套数据,包罗对轻元素和宇宙微波配景的观测结果,使大爆炸表面成为对目前我们所看到通通的最有用标明。跟着宇宙膨胀,它也渐渐冷却,变成离子和中性原子,并最终形因素子、气体云、恒星和星系。

于是,闹刭时候,假如回溯得足够久远,你就会取得足够大的密度、温度和能量,以致于可以创制出奇点的条件。

当间隔标准足够小,时间标准足够短,或者能量标准足够高的时分,物理定律就不再有原理了。

假如我们能让时钟往回拨138亿年,接近传说中的“0”点,这些物理定律会10^-43秒的时间内失效,这便是普朗克时间,也可以说是时间最早的时候。宇宙历史中最早的时间阶段便被称为普朗克时代(0至10^-43秒)。

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早期的热宇宙中,中性原子变成之前,光子会以十分高的速率从电子(以及少数质子)中散射出去,从而转达动量。中性原子变成后,因为宇宙冷却至某个特定的临界阈值之下,光子就会沿直线运动,只波长上受空间膨胀的影响。

假如这是对宇宙的准确描画——宇宙由此开端变得炙热而浓厚,然后膨胀并冷却——那我们就可以预期过去的宇宙历史中所爆发的大宗改变,如:

·通通可以发生的粒子和反粒子都会大宗发生,当温度太低而无法继续发生它们时,众余的粒子就会湮灭成辐射;

·电弱对称性和希格斯对称性宇宙冷却至低于恢复这些对称性所需的能量时就会破缺,从而发生四种基本力和静止质料不为零的粒子;

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·夸克和胶子凝集成复合粒子,如质子和中子;

·中微子不再与幸存的粒子有用地互相感化;

·质子和中子聚变变成轻原子核:氘、氦-3、氦-4和锂-7;

·引力会导致密渡过高的区域增大,而当密渡过高时,辐射压力会扩展这些区域,创制出一组振荡的、依赖于范围的印记;

·大爆炸后大约38万年时,温度降至足以变成中性、稳定的原子。

当着末一个阶段爆发时,原先与自电子不时互相感化的光子,便开端宇宙中畅行无阻,沿直线行进。跟着宇宙的膨胀,光子的波长变长,分布也变得希罕。

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太阳的实行光(黄色弧线,左)与一个完美黑体(灰色部分)的比照外明,因为光球层的厚度,太阳更像是一系列黑体;右图是宇宙配景探测器(COBE)测量到的宇宙微波配景中的实完美黑体。当心,右边的“偏向条”是惊人的400 sigma。这种表面和观测的同等性具有主要的历史原理,观测到的光谱峰值决议了宇宙微波配景的遗留温度为2.73 K。

大约55年前,这种宇宙微波配景辐射首次被探测到,将大爆炸假说从宇宙根源的若干可行标明之一变成了独一与数据相符的表面。

尽管大大都天文学家和天体物理学家立即承受了大爆炸表面,但当时主流的稳态表面仍有不少强有力的支撑者,如英国天体物理学家弗雷德·霍伊尔。

压服性的数据目下,他们提出了越来越荒谬的论点来捍卫本人的表面。

然而,这些论点尽管引人注目,但最终都以糜烂了结。每一种标明都被数据驳斥:宇宙余辉(宇宙微波配景辐射)的光谱是一个十分完美的黑体,各个偏向上都相同,与宇宙中的物质太不相关了,以致于无法与这些各不相同的标明相符。

跟着科学继续开展,大爆炸表面曾经成为共鸣的一部分,意即成为未来科学的合理动身点时,霍伊尔和他的看法样式盟友们便通过饱吹交换表面来阻遏科学的进步。

但这些表面终究科学上站不住脚。跟着时间的推移,其他这些表面变得越来越无足轻重,霍伊尔等人的研讨方案最终他们死后中止。

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宇宙不光平均地膨胀,而且有微细的密度缺陷,这使恒星、星系和星系团可以跟着时间的推移渐渐变成。平均的配景上叠加密度的不平均性,是了解本日宇宙的动身点。

与此同时,从20世纪60年代到21世纪头10年,天文学和天体物理学——特别是体恤宇宙历史、开展、演化和运气的子范畴宇宙学——取得了惊人地开展:

·我们绘制了宇宙的大标准构造,发清楚一个庞大的宇宙收集;

·我们发清楚星系是怎样孕育和进化的,以及星系内部的恒星数目怎样随时间改造;

·我们了解到,宇宙中通通已知的物质和能量方式都缺乏以标明目前观察到的通通,还需求到场某种方式的暗物质和暗能量。

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另外,我们也可以进一步验证其他与大爆炸相关的预测,比如轻元素的品貌预测;原始中微子群的保管;以及密度缺陷的发明,这种缺陷恰是开展出本日宇宙大标准构造所必需的。

与此同时,也有少许观察结果是准确无疑的,但大爆炸表面还没有方法举行标明。

据该表面,宇宙最初时就抵达了足够的高温和高能量,但我们本日并没有观察到与此相关的奇特遗留:既没有磁单极子,也没有大同一表面预测的粒子,抑或是拓扑缺陷,等等。

从表面上,必定有某种高出我们所知的东西保管着,可以标明目前所看到的宇宙;但假如它们一经保管过,必定也被躲藏了起来。

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宇宙大爆炸的余辉,即宇宙微波被页鲸CMB)并不是平均的,而是保管微细的缺陷和几百微开氏度的温度摆荡。尽管这种实质引力增加之后的宇宙中起到了主要感化,但主要的是要记住,早期的宇宙,以及本日的大标准宇宙,只是小于0.01%的程度上是不平均的。普朗克卫星探测并测量这些摆荡的精度比以往任何时分都要高。

宇宙要以我们所睹的实质保管,就必需以一个十分明晰的膨胀率降生;这个膨胀率需求准确地均衡总能量密度,准确程度抵达50位数以上。大爆炸表面并没有标明为什么会如许。

宇宙空间中差别区域抵达相同温度的独一方法是使它们处于热均衡形态,假如有时间举行互相感化和交换能量的话。

然而,宇宙太大了,而且其膨胀的方法导致了许众互不相连的区域。即使光速下,这些区域的互相感化也不行够爆发。

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无论是对宇宙学照旧一般的科学,这都是一个庞大的挑衅。科学中,当我们看到少许表面无法标明的现象时,一般有两种挑选:

(1)我们可以实验计划一个表面模子来标明这些现象,同时保持通通先前表面的修立,并做出新的、差别于先前表面的预测;

(2)或者我们可以简单地假设没有任何标明,宇宙只是生来就具备了种种必需的属性,使其成为我们所观察到的式样。

只要第一种挑选才有科学代价,于是这是一种必需实验的方法,即使不行取得结果。

扩展大爆炸表面时,最胜利的假说便是宇宙暴胀。

该假说大爆炸后修立了一个阶段,宇宙这个阶段中以指数方法膨胀:先被拉伸成平整状,使宇宙任何地方都具有相同的实质,膨胀率与能量密度相立室,消弭了任何先前的高能量盈余,并对量子涨落做出新的预测,从而导致一种特定的密度和温度涨落叠加本来平均的宇宙之上。

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最上图中,本日的宇宙到处都有相同的实质(包罗温度),因为它们来自一个具有相同实质的区域。中心图中,具有恣意曲率的空间可以暴胀到了我们现无法观察到任何曲率的程度,从而办理了平整性题目。最下图中,原有的高能遗址被暴胀消弭,办理了高能遗址题目。暴胀表面便是如许办理了大爆炸表面本身无法标明的三大艰难。

尽管和之前的大爆炸表面相同,暴胀假说也遭到了许众人的批判,但它其他通通选项都糜烂的地方取得了胜利。

暴胀办理了“斯文退出”的题目,即一个指数膨胀的宇宙能以一种与观测相符的膨胀方法,改变成一个充满物质和辐射的宇宙。于是,我们可以胜利地再现热大爆炸的进程。

暴胀也时ボ量骤降,消弭了任何超高能量的遗址。它创制了一个高度平均的宇宙,使膨胀率和总能量密度完美立室。

暴胀假说对宇宙构造的类型,以及应当呈现的初始温度和密度涨落做出了新的预测,这些预测厥后被观测标明是准确的。

暴胀表面的预测主要20世纪80年代被梳理出来,而标明这些预测的观测证据则是过去30年里呈现出来的。尽管有许众交换表面,但没有一个能像暴胀假说那样胜利。

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尽管暴胀的时空中估量会呈现许众独立的宇宙,但暴胀永久不会同一时间通通地方完毕,而是会差别的独立区域中完毕,这些区域由继续暴胀的空间分开。这便是众元宇宙论的科学泉源,也是为什么两个宇宙不会爆发碰撞的启事。因为单个宇宙中粒子的互相感化,暴胀并不行创制出足够的宇宙来容纳通通可以的量子结果。

关于罗杰·彭罗斯而言,尽管他20世纪60到70年代关于广义相对论、黑洞和奇点的义务绝对配得上诺贝尔奖,但近年来,他举行了大宗的起劲试图推翻暴胀假说。

他推出的交换表面便是“共形轮回宇宙学”,一个科学上保管诸众缺陷的假说。

共形轮回宇宙学与暴胀表面预测上最大的差别是,它基本上请求“大爆炸前的宇宙”宇宙的大标准构造和宇宙微波配景中显示某种印迹。

比较之下,暴胀表面请求无论暴胀哪里完毕,或大爆炸哪里爆发,都不行与任何先前、目今或未来的构造或区域互相感化。我们的宇宙以独立于其他宇宙的属性而保管。

与此相关的观测最初来自宇宙配景探测器(COBE)和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),近年来则来自普朗克卫星;这些观测的结果都明晰地对任何如许的构造举行了极其厉厉的限制(现稀有据的极限)。

我们的宇宙没有印迹;没有重复的方式;没有不规矩摆荡的齐心圆;也没有所谓的“霍金点”(Hawking points,来自“亿万年前超大质料黑洞霍金蒸发”的遗留)。当我们准确地剖析数据时,可以十分分明地看到,暴胀假说与数据是同等的,而共形轮回宇宙学则完备差别等。

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近10年来,罗杰·彭罗斯不停饱吹一种十分令人疑心的主意,称宇宙显示出了种种特征和证据,外明我们的宇宙与大爆炸之前的宇宙爆发碰撞并留下印记。这些证据并不充沛,缺乏以支撑彭罗斯的断言。

尽管云云,但彭罗斯和霍伊尔很像,不停保持他的主意。然而,观测数据压服性地阻挡他的主意,他所做的预测被数据驳斥,而他所声称的那些效应只要以一种科学上不牢靠和过错理的方法剖析数据时才具有可重复性。

数以百计的科学家曾经向彭罗斯指出了这一点,而且是超越10年的时间里重复地标明,但彭罗斯挑选了无视,继续保持本人的论点。

和之前的许众人相同,彭罗斯仿佛曾经深深爱上了本人的论点,以致于不行再以认真任的立场来举行验证。

然而,如许的验证是保管的,要害数据是公然的;彭罗斯不光提出了过失的论点,而且已有的证据可以很容易地外明,他声称的特征只可保管于某个并不保管的宇宙。

尽管霍伊尔恒星核聚变方面做出了有代价的奉献,但他可以因为晚年的非科学立场而被剥夺了诺贝尔奖;彭罗斯方才荣获诺贝尔奖,但他也犯了同样令人缺憾的过失。

当然,我们应当赞誉彭罗斯的创制力,庆贺他具有开创性的、值得诺贝尔奖的义务,但我们也必需警觉本人,不行盲目崇敬任何伟大的科学家,或者他们所做的那些没稀有据支撑的义务。

着末,无论科学家或学说的名气有众大,都要靠宇宙本身来区分哪些是有实依据的,哪些只是未经标明的假说;我们要不时追寻宇宙的线索,无论它将我们带到哪里。

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编辑:辛雯
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