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宇宙大爆炸如何提出,怎么论证,看爱因斯坦,哈勃等天才如何探究宇宙诞生真相

2018-06-26

宇宙出生于“大爆炸”聪明的你肯定知道的对不对,但知道归知道,你有没有想过,是那个哥们提出来这个脑洞的,然后又用证据链证明了这个脑洞的。要知道,科学届就是证明个1+1=2都:(我们可以这样证明'1+1 = 2': 首先,可以推知: αε1 (∑x)(α=) βε2 (∑x)(∑y)(β=.&.~(x=y)) ξε1+1 (∑x)(∑y)(β=∪.&.~(x=y)) 所以对于任意的集合γ,我们有 γε1+1 (∑x)(∑y)(γ=∪.&.~(x=y)) (∑x)(∑y)(γ=.&.~(x=y)) γε2 根据集合论的外延公理(Axiom of Extension),我们得到1+1 = 2)这公式完全看不懂。要是证明大爆炸脑洞,公式是不是要绕地球几圈了。

《大爆炸简史》

言归正传,今天的主题是说书,书名《大爆炸简史》,这本书就能解答这个问题,它会告诉咱们大爆炸理论是如何从一个猜想到被逐渐接受的过程。(作者:西蒙·辛格,剑桥大学粒子物理博士,前 BBC 节目制作人。)如果有说的不对的找他别找我哦。

创世神

在大爆炸理论之前,从各民族的创世神话开始,到哥白尼的“日心说”震惊世界,人们对宇宙的认识不断改进,但某种根本认识从来没有改变,那就是宇宙是静态的、永恒的,在时间上无始无终。这种共识或者叫公认的思维基础,被称为科学的范式。大爆炸理论却认为宇宙是动态的、不断演化的,认为时间和空间都有一个开始的点。大爆炸理论被逐渐证明和接受的过程,称为科学的范式转换。通过了解这个过程,我们可以知道人类对广阔宇宙的认识历史。(了解的人都知道这个过程是多么的血淋淋)

大爆炸

接下来我们就按照科学范式转变的四个阶段,一起探索大爆炸理论被接受的过程。

首先进入第一阶段,说说大爆炸理论的起源。

爱因斯坦我们都很熟,他提出了广义相对论,那大爆炸理论和广义相对论又有什么关系呢?要搞清楚这些弯弯绕,先简单了解一下广义相对论是什么。

1907年,爱因斯坦在广义相对论的研究上取得了突破,他发现时间和空间都是可以弯曲的。牛顿万有引力定律提出的那种物体与物体之间相互吸引的引力现象,实际上都是物体弯曲时空的表现。他打比喻说,时空就好像一张蹦床的表面,假如我们放一颗球在蹦床上,蹦床就会被压出一个小坑,如果这颗球的周围还有一些其他小的物体,它们就会一起滚到这个小坑里面。还记得牛顿的那个故事吧,他说苹果从树上掉下来是因为地球的引力吸引着它,而爱因斯坦告诉我们,苹果掉下来是因为它正在落到地球压出的时空小坑里。

大爆炸

听上去好像有点道理,最重要是怎么证明。

于是爱因斯坦猜测,太阳的质量很大,那么其他恒星发出的光在经过太阳旁边的时候,一定会被太阳巨大的引力弯曲。

怎么观测和验证这个想法呢?

如果一颗恒星躲在太阳的背后,我们从地球上就看不到它,因为它被太阳挡住了。

但如果太阳的引力真的可以弯曲时空,使星光偏转,那我们就应该可以看到躲在太阳背后的恒星,可是,太阳自己的光实在太强了,强到其它的光统统被掩盖,这该咋办呢?

大爆炸

办法总比困难多,有一种情况下我们可以进行这个观测,那就是日全食。

英国科学家爱丁顿把握住了这个机会,他在日全食发生的时候进行了观测,不仅看到了太阳背后的恒星,还算出这些恒星所发出的光的偏转角度,而这个角度和爱因斯坦广义相对论的计算几乎一毛一样,我真他么服气了。(这两个姓爱的配合的真好)

大爆炸

现在我们知道了,广义相对论是描述引力的理论,它可以用来计算宇宙中一切物体的相互作用,还比牛顿的引力方程精确。

有了这个宝贝,爱因斯坦就想算算这宇宙是咋运行的,这一算可不得了,结果表明宇宙不稳定,宇宙中的每一个天体都将最终被拉向其他更大质量的天体,直到它们全部坠入同一个坑内。(就是大鱼吃小鱼,最后最大的那一条把大家都吃了,乖乖啊)

这结果告诉我们,宇宙好像正在自我毁灭。这一定是个玩笑,因为我们并没有观测到宇宙正在自杀的迹象。

宇宙如果没有坍缩,那一定还有什么力量在对抗引力,于是“宇宙正在膨胀”的猜想被提出来,正是这种膨胀的力量在对抗引力、抵消引力。(聪明的脑袋真不是盖的)

大爆炸

有了广义相对论这个基础,比利时有个叫勒迈特家伙指出,要是宇宙真的在膨胀,那么今天的宇宙一定比昨天的大,昨天一定比前天大,如果一直这样倒推回去,就会得出结论,说宇宙一定诞生于一个很小的、致密的点,这个点被形象地称为“宇宙蛋”。也就是说,“宇宙蛋”有一天开始爆炸,一直膨胀,直到变成现在我们看到的宇宙模样。这就是我们所说的大爆炸理论的起源。(我强忍着不笑出声,宇宙竟然是卵生)

大爆炸

第二阶段,哈勃定律证明宇宙在膨胀并算出了宇宙的年龄。

哈勃这名字我们也熟,因为哈勃望远镜。而哈勃定律才是他一生最大的科学成就。这个定律说的是,宇宙中,星系离地球的距离和它相对于地球运动的速度之间的比例关系。一个是离我们有多远,一个是跑得有多快,看看科学家是怎么测量的呢?

大爆炸

先了解一下怎么测量一个星系到地球的距离,要依靠一种特别的恒星:造父变星。这是一种不稳定的恒星,因为它们处于一种周期性的膨胀和收缩状态,亮度也随之变化,看上去像是在有规律地闪烁。

1912年,美国哈佛大学天文台的一位聋哑志愿者莱维特,通过研究麦哲伦星云中25颗造父变星的照片资料,获得了一个宇宙级别的大发现,那就是:造父变星的闪烁周期和它的亮度有紧密的关联性,而亮度又与观测距离有紧密的关联。

你看,问题一下就变得简单了,当我们想知道一个星系离地球有多远时,只需要找到这个星系中的一颗造父变星,观察它的闪烁周期,我们就知道星系离我们的距离了。造父变星因此被称为“宇宙灯塔”。哈勃正是使用这种方法,测出了许多星系离地球的距离。

大爆炸

有意思的是,通过测量出仙女座星系距离地球的距离,哈勃解决了一场在当时闻名世界的大辩论,就是像仙女座星云这样的天体到底是在银河系以内还是在银河系以外,那时的科学家对这个问题争论不休。

这个问题为什么重要呢?因为这将决定人类认识宇宙的大小。而哈勃证明了,这些星云离地球的距离远远大于银河系的直径,所以它们是在银河系以外。

于是,“银河系是唯一星系”的概念被突破,探索宇宙结构新篇章的大幕拉开了。

大爆炸

下面来看怎么测量一个星系的速度。我们知道,大部分星系都离地球数百万光年远,测量它们的速度可不像交通警察查超速那么简单,不过两者的科学原理都是一样的,都用到了“多普勒效应”。

什么是多普勒效应呢?举个有趣的例子:有一只青蛙蹲在荷叶上休息,每过一秒它就用脚拍一下水,这样我们就能看到湖面上出现一圈一圈间隔相同的水波。现在假设这只青蛙一边继续有规律地拍水,一边还往岸边移动,我们就会发现,往岸边的方向,水波之间的间隔变短了,也就是波长变短了,而另一个方向上,一圈圈水波之间的距离变长了。这就是多普勒效应:当物体在向着观察者运动的同时发出一个波,观察者感觉到的波长比实际的缩短了,并且速度越快,波长就越短;反过来,当物体离开观察者运动时,观察者会感觉波长变长了。

大爆炸

因为光也是一种波,测量星系速度的问题也就变得简单了,我们只需要检测遥远星系的光谱,看看它们发出光波的波长,就知道它们的运动状态和速度了。经过大量的观察检验,哈勃发现,几乎所有星系的光波都看上去变长了。因为红色是可见光中波长最长的一边,测量到的星系光谱朝红色光方向偏移的这种现象被称为“星系红移”。这说明这些星系都在远离地球,宇宙确实是越来越大,正是这种膨胀在对抗引力。

大爆炸

哈勃测量出星系离地球的距离和速度之后,经过计算,发现这两个数据之间有非常严格的数学关系:离地球越远,那么它远离地球的速度也越快。也就是说,假如一个星系离地球距离是另一个星系的3倍远,那么它远离的速度也是另一个的3倍那么快。

这就是哈勃定律。它不仅证明了宇宙正在膨胀,还说明了如果我们把时间倒退回去,不管处在任何地方,多远的星系都会在同一时间回到同一个点。这,不就是大爆炸开始的那个点吗?

大爆炸

更进一步的是,通过这个定律,哈勃计算出了宇宙的年龄,原来,我们的宇宙已经18亿岁了—— 等一下!我们现在都知道地球的年龄是45亿岁,所以这个18亿岁的数字肯定不太对是吧?后面会解释的。(孩子咋还比妈年纪大呢?现在就给我个解释)

哈勃的研究成果发布后,越来越多人开始接受大爆炸理论,随着关注度的提升,大爆炸理论越来越多的漏洞也被人们发现。在科学范式转变的过程中,理论的修改完善往往会经历一个漫长的时间。

大爆炸

在科学领域,任何理论模型都不是一开始就完美的,往往表现出与观测和实验不一致或不准确的问题。大爆炸理论的支持者们在20世纪初面临的最紧迫、最重要的两个缺陷就是“时标困难”与“原子丰度”。

接下来我们进入第三阶段,看大爆炸模型中的这两个缺陷是如何被修改完善的。

先说第一点,时标困难。刚我们讲到,哈勃同学说宇宙的年龄是18亿岁,但是古地质科学家通过检测发现,地球的年龄超过了30亿岁,这不是很荒唐吗!

大爆炸

这个问题的是一位叫巴德的德国天文学家解决的。随着观测技术的提升,天文望远镜的精度在不断进步,巴德通过200英寸的望远镜发现了一颗造父变星,叫天琴 RR 型星,从而发现造父变星其实有两类。

他发现更新的一类更热也更加明亮,而当时哈勃并不知道这样的区别,于是错误地将更明亮的一类与本就比较暗的一类造父变星作了比较,计算出的星系距离比实际的距离少了许多。经过巴德的重新校准,星系离地球的距离提高了一倍,于是根据哈勃定律,宇宙的年龄也大了一倍。

再后来,还有其它科学家不断努力修正误差,确定宇宙的年龄应该在100亿岁到200亿岁之间,大爆炸理论的时标困难就这么解决了。

大爆炸

接着说第二个缺陷,原子丰度。原子丰度就是宇宙中各种原子丰富的程度。

我们都知道,世界是由各种各样原子组成的,就拿地球来说吧,地心是由铁组成,包裹地球的大气则主要是氮和氧,而太阳中的原子则是氢和氦占了主导地位。

早期的大爆炸理论说,宇宙所有的物质和能量都曾经压缩在一个点,随着大爆炸的发生,空间和时间诞生了,一个单一的、质量巨大的原子随着爆炸开始分裂成碎片,小的碎片又继续碎成更小的碎片,于是各种各样的小原子诞生了,在这种情况下,各种各样原子的数量应该相对均衡,但实际情况是轻一些的原子和重一些的原子数量极度不均衡。

大爆炸

微观物理学家告诉我们,宇宙中最丰富的元素就是氢,其次是氦,这两种最轻最小的原子占了宇宙中所有原子的99.9% ,而其他像金这样的重原子则是非常稀少的。这就是原子丰度的问题,解决了这个问题,我们就能知道大爆炸的时候究竟发生了什么,我们现在看到的世界又是怎么来的。

这次轮到著名的核物理学家乔治·伽莫夫登场了。既然原子分裂的路走不通,而氢原子又占了宇宙中所有原子的90%,于是伽莫夫大胆地提出了一个完全相反的路子:说大爆炸发生后,宇宙开始于无数最简单、最小的氢原子。

大爆炸

他用了一个形象的比喻,说宇宙开始于一锅致密的、向外膨胀的“氢原子汤”,而其他所有原子都是由氢原子通过核反应产生的。经过计算他发现,大爆炸发生后的1秒钟之内,宇宙急剧膨胀并冷却,温度从几万亿度下降到了几十亿度,基本的氢原子核反应形成了比较轻的氦核,差不多10个氢原子核可以生成一个氦原子核,这和天文学家观测到的氢氦比例几乎一模一样。这样一来我们就知道了,宇宙中99.9%的物质就是这么来的。

大爆炸

那更重一些的原子是怎么生成的呢?要想将氢、氦变成各种各样更重的原子,需要不同温度的致密环境。

这里要提到一个叫“恒星坩锅”的概念,简单说就是一颗恒星,比如太阳,进入晚年后,会因为燃料耗尽而降温压缩,而压缩又会使得恒星再次加热,这种反复的过程会提供不同的致密环境,导致更多的核反应。

各种不同的恒星就像不同的高压锅,为各种各样重原子的生成提供了极端环境。比如碳原子,就是由氦原子通过复杂的反应生成的。发现恒星坩锅这个概念的人,就是给大爆炸理论命名的英国天文学家霍伊尔。(我曾经想拿高温的恒星涮火锅,这哥们是高压锅...)

大爆炸

一个科学理论的修改完善,往往会经过漫长的过程和许多科学家的努力。现在我们知道了,并还原了大爆炸发生时的情况。现在,距离科学范式转变的完成还差最后的临门一脚,只要找到最后一个决定性证据,就能完美证明大爆炸理论。

最后一个阶段,看看大爆炸学说是怎么完成了科学范式转变的最后一步。

前面我们提到,大爆炸发生时温度极高,那时,宇宙中还有一种成分,那就是大量的光,可以说是光的海洋,随着宇宙的膨胀和冷却,大约30万年后,宇宙的温度降到大约3000摄氏度,这时一部分非常微弱的原始光就没有改变地穿过了宇宙。

大爆炸

伽莫夫说,这些穿过宇宙的原始的光波辐射,即使是在100多亿年后的今天也不会完全消失,而是在星空深处无处不在。这些原始光波辐射,正是能够证明大爆炸理论的终极王牌,它是大爆炸留下的残余辐射,被称为“宇宙微波背景辐射”。

以前,科学家们并不知道它的存在,因为它非常微弱,微弱到什么程度呢?相当于零下260多摄氏度的天体散发的热量。

大爆炸

那么宇宙微波背景辐射是怎样被找到的呢?说来也巧,科学的突破往往是无心插柳的结果。

伽莫夫提出理论后的20年,美国的贝尔实验室制作了一台非常精密的射电天线,用来接收一颗名叫“回声”的卫星发射回来的微弱信号。射电天线想要准确地接收到信号,最关键的就是清除噪音。

实验室的两位科学家有轻微的强迫症,他们检测天线的性能,把天线对着天空的各个方向进行测量,结果却发现,不管往哪个方向,射电天线总会接收到一种微波噪音。

他们想尽了一切办法,排除周围所有可能存在的无线电干扰,用一年的时间重新检查、布线,甚至清除了天线上的鸽子窝和鸟粪,但仍然无法消除这个噪音。两位科学家对外公布了他们的观测结果:这个消除不了的微波噪音是天然存在的,它像背景一样无处不在。

很快,科学家就对这个发现给出了正确的解释:这个消除不了的微波噪音,就是是科学家们苦苦寻找的宇宙背景微波辐射!

大爆炸

大爆炸理论的终极证据,就这样在无意之间找到了,两位科学家彭齐亚斯和威尔逊凭借坚忍不拔的毅力和丰富的经验,当然还有一丝运气,找到了这个证据。而两位科学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。

科学范式这个概念是托马斯·库恩在《科学革命的结构》这本书中提出的,简单的说就是科学中公认的理论体系或思维基础。

科学范式的转变,要求科学家们冲破原来的束缚,对很多基本的理论重新定义。有时候,一个偶然的发现,就可能在一夜之间改变科学的面貌。

大爆炸

在大爆炸理论提出之前,人们公认宇宙是静止的、永恒的,时间与空间没有关系,宇宙没有开始也没有结束。现在,大爆炸理论已经被广泛接受,确立了新的科学范式,它告诉我们宇宙是有创生的:在大约150亿年前,宇宙的所有物质和能量都压缩在一个点,随着空间和时间本身的爆炸,空间和时间在那一刻诞生了,经过演化成为我们现在看到的样子。

大爆炸

说到这里,大爆炸理论的发展历史就介绍完了,有什么想说的和奇怪的脑洞,留言吧。

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来自:张君峰2  > 宇宙
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