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大爆炸就是一个巨大炸弹的引爆?对宇宙大爆炸的误解“天雷滚滚”

近几十年来,宇宙学逐渐成为了一门真正的科学,宇宙的演化过程逐渐被人们了解。但在众人的理解中,即使是物理学、宇宙学方面的专业人士,却都难免存在许多的“误解”。

a.大爆炸标准模型不是“无中生有”

这点前面已经述及,这儿再次强调。从广义相对论和哈勃定律,宇宙空间在不停地膨胀,星体间互相逐渐远离的事实,不可避免地会得到宇宙早期高度密集的结论。以宇宙目前膨胀的规律将时间倒推过去,星体间必然曾经靠得很近,并且,离“现在”越久远,宇宙中星球的密度就会越大,亦即同样多的“星体”占据的空间就会越小。

再往前,星体便会不成其为星体,而是因为短距离下强大的引力而“塌缩”在一块儿,成为混沌一团的等离子体。再往前推,物质的形态表为各种基本粒子组成的“混沌汤”:电子、正电子、无质量无电荷幽灵般的中微子和光子。推到最后,给我们的“宇宙最早期”图景,便是一个密度极大且温度极高的太初状态,也就是说,我们现在的宇宙是由这种“太初状态”演化而来。称之为“大爆炸”。

图片来自网络

仅仅从广义相对论这个 “经典引力理论”而言,如上所述的“时间倒推”可以一直推至t=0,它对应于数学上的时间奇点。但是实际上,当空间小到一定尺度,也就是说对应于时间“早”到一定的时刻,就必须考虑量子效应。遗憾的是,广义相对论与量子理论并不相容,迄今为止物理学家们也没有得到一个令人满意的量子引力理论。

因此,我们将大爆炸模型开始的时间定在普朗克时间(10-43秒),或者更后一些,比如说,引力与其它三种作用分离之后(10-35 秒)。这是物理学家们能够自信地应用现有理论的最早时间,任何理论都有其极限。我们的理论目前只能到此为止,至于更早期的量子引力阶段,可以研究,但现在的标准理论尚未能给出满意的答案。如果再进一步,有人要问:“当时间t<0,大爆炸之前是什么?”、或者“什么原因引起了大爆炸?”之类的问题,那就更是暂时无法回答了。

所以,目前来看,标准的大爆炸模型并不是一个无中生有的“创世理论”,而只是一个被观测证实、得到主流认可的宇宙演化模型。宇宙的所有物质原本(从普朗克时间开始)就存在在那儿,“大爆炸理论”只不过描述宇宙如何从太初的高温高压高密度的“一团混沌”演化到了今日所见的模样。

图9-1-1:宇宙不是从大爆炸“无中生有”而“诞生”出来的

宇宙的“演化”进程非常地不均匀。温伯格曾经用一本书的篇幅,来描写宇宙早期(开始三分钟)的进化过程,而直到“大爆炸”发生大约4-10亿年之后,才逐渐形成了星系。

b. 宇宙“爆炸”不同于炸弹的“爆炸”

“大爆炸”不是一个准确的名字,容易使人造成误解,会将宇宙演化的初始时刻理解为通常意义上如同炸弹一样的“爆炸”:火光冲天,碎片乱飞。实际上,炸弹爆炸是物质向空间的扩张,而宇宙爆炸是空间本身的扩张。有趣的是,据说科学家们曾经想要改正这个名字,但终究也没有找到更恰当的名称。

炸弹爆炸发生在三维空间中的某个系统所在的区域,通常是因为系统内外的巨大压力差而发生。发生时系统的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为机械功,通常同时伴随有放热、发光和声响效应,影响到周围空间。

对宇宙大爆炸而言,根本不存在所谓的外部空间,只有三维空间“自身”随时间的“平稳”扩张。有人将宇宙大爆炸比喻为“始于烈焰”、“开始于一场大火”,此类说法欠妥。

图9-1-2:宇宙“大爆炸”不同于炸弹爆炸

c. 空间扩张但星系不扩张

什么是“空间本身的扩张”?

之前曾经介绍过,我们三维空间可能的几何形态有三种:球面、平坦、马鞍型,根据宇宙总质量密度与临界质量密度的比值Ω而定,即取决于Ω是大于、等于、或小于1。如果认为宇宙是平坦而无限(如同1998年之后的观察结果所支持的:Ω = 1.0010 ± 0.0065),二维“空间扩张”可以比喻成一个可以无限伸长扩展的平面橡皮薄膜。

橡皮膜扩展时,上面的所有花纹也将扩展,宇宙空间扩展的情况则有所不同。如图9-1-3所示,空间膨胀时,星系的尺寸并不变大。这是因为“引起宇宙膨胀”和“维持星系形状”是两种不同的作用机制。星系的形状是靠一般的万有引力(吸引力)来维持,宇宙膨胀的机制尚未完全明确,一种说法是用爱因斯坦引进的宇宙常数来解释,这是一种互相排斥的“反引力”效应,由负压强产生(也就是所谓的暗能量),只在大尺度范围起作用。所以,大尺度范围的反引力使得宇宙膨胀,而局部起着主导作用的引力(吸引力)则维持星体聚集在一起,从而形成了图9-1-3下图所示的空间膨胀图景。

图9-1-3:对空间膨胀的理解

如上所述,宇宙膨胀,但星系并不膨胀。星系不膨胀,其中的星体、恒星、行星,我们的太阳、地球、月亮,都不膨胀。也就是说,只有“大尺度”(星系间的距离尺度)的空间才有可观测的膨胀效应,原子中原子核和电子间的距离却是保持不变的,其原因是因为在原子中起作用维持平衡的主要是电磁力,比较起来,引力作用可忽略不计。引力只在大尺度起作用,使得大尺度的、星系之间的空间膨胀,却并不改变更小级别的空间尺度。因而,我们日常所见的一切:树木、高山、房屋、桌椅、以及度量用的“尺”,都保持不变,与宇宙的膨胀无关。

当然,刚才所说的“星系不扩展”,指的是“星系”还存在的前提下,强调的是现在(或将来)的观测结果,并不适用于将宇宙历史向大爆炸的原点倒退过去的情况。

d. 可观测宇宙和“大宇宙”

自从望远镜发明以来,过去几个世纪的天文观测资料不断地调整着人类在宇宙中的地位。这是对我们自信心一次又一次的严重打击,将我们从自认为是宇宙中心的位置上拉下来,一步一步地往下拉!最后,人类不得不承认我们脚下的这片看起来广袤无垠的土地,只不过是茫茫宇宙中毫不起眼的一粒尘埃!与整个宇宙比较起来,人类赖以生存的太阳系显得如此渺小。即使是整个银河系,也让我们大失所望,它在宇宙中不过是数十亿计星系中的普通一个,毫无特殊性可言。

图9-1-4:地球(银河系)的可观测宇宙

根据宇宙学原理,宇宙是均匀和各向同性的,因而,整个宇宙没有中心。但是,很多时候我们所谓的“宇宙”,指的是对地球(银河系)而言的可观测宇宙。可观测宇宙有中心,只是整个“大宇宙”的一部分,观测点则是“可观测宇宙”的中心。

大宇宙有可能是无限的,可观测宇宙则总是有限的。如果大宇宙是有限的话,理论上而言,它可以小于可观测宇宙。但根据迄今为止的天文观察资料,我们的宇宙接近“平坦”。而大宇宙无论有限无限,都应该是大大地大于可观测宇宙。

e. 宇宙大爆炸发生在空间每一点

此外,又该如何理解“大爆炸发生在空间每一点”?

大宇宙只有一个,但对每一个观测点都可以定义一个可观测宇宙。比如说,对银河系而言,目前可观测宇宙的大小是一个以银河系为中心半径为465亿光年的球,如图9-1-4所示。

从大爆炸开始,宇宙在不停地膨胀。所以,离大爆炸的原点越近,可观测宇宙的范围越小。地球年龄不过45亿年左右,银河系的年龄则超过100亿年,因而图9-1-4可以表示以银河系为中心的可观测宇宙。早到宇宙寿命10亿年左右,星系刚形成,从银河系大概只能观察到自己的星系。

银河系。图片来自网络

不妨假设银河系中心所在位置为O0。在接近大爆炸的时刻,可观测宇宙将缩小到弹子球、以至于一个原子的尺度,假设那时仍然以点O0为中心。因此,对银河参照系而言,最开始的大爆炸发生于其中心点O0。但是,银河系只是真实宇宙中一个普通的星系,对其它星系而言,存在另外的以其它点O1、O2、O3、……为中心的可观测宇宙,对这些星系,大爆炸分别发生于点O1、O2、O3、……。也就是说,大爆炸发生于初始空间的每一个点,如图9-1-5所示。

如果真实宇宙是平坦而无限的,初始空间也基本上是平坦而无限的,大爆炸发生在这个无限空间的每一个点。从大爆炸开始,本来就无限的宇宙,经历了暴胀、扩展、冷却、太初核合成、各种粒子不断地产生、湮灭、……等等过程,最后,演化成为我们现在所见的星系世界。

图9-1-5:大爆炸发生在空间的每一点

有读者问:宇宙大爆炸,是什么大爆炸了?答案是时空大爆炸。时间从普朗克时间(5.39121 × 10−44秒)开始,空间从普朗克长度(1.616252×10−35 米)开始演化,有关普朗克尺度,请参考第8章第四节。

大爆炸之前的宇宙何在?这个问题也同样困惑着宇宙学专家。答案没人知道。

解释大爆炸模型的图中经常将“大爆炸”画成(想象成)平坦无限的欧氏空间中的一个点,其实那不是一个点,那是时空开始时(爆炸)的整个世界。想象一下只知道球面的球面生物“阿扁”,我们以为它的“球面”之外还有别的“时空”,其实没有,无论它的球面大或小,哪怕在“三维人类”的眼中缩成了一个点,那都是它的整个世界!我们也一样,除了这个爆炸产生的4维时空,没有别的了。

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