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直径至少920亿光年,为什么大爆炸理论那么优秀

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直径至少920亿光年,为什么大爆炸理论那么优秀

宇宙,因其无垠的时空一直吸引着我们去探索,它的尽头究竟有多远,它的尽头又在何处?在我们用望远镜可以捕捉到的星云和星系之外,还蕴藏着什么我们 所不知晓的奥秘呢?

天文学家将数学模型与观测相结合,以发展宇宙形成的可行理论。大爆炸理论的数学基础包括爱因斯坦的广义相对论以及基本粒子的标准理论。今天,美国航天局的航天器哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜等会继续测量宇宙的膨胀情况。

这些疑问引导这人类开创了一系列伟大的新勘探项目,也孕育出一些惊人的技术,让我们不仅可以窥探到宇宙中最远的距离,还可以了解物质和能量在最小尺度的行为。值得一提的是,随着我们对原子核的深入研究,我们对这个微型世界的了解越来越多,这也使我们现在有能力去探寻一个古老问题的答案:宇宙究竟有多大?

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▲空间度量扩展的时间线,其中空间(包括假设的宇宙不可观测部分)每次都由圆形截面表示。在左边,指数式的膨胀发生在宇宙暴胀时期;在中间的是,宇宙加速膨胀的图形。图:NASA/WMAP Science Team

在古代,人们普遍认为外部的星球组成一层星云包裹着地球,里面居住这各路神明。希腊人是第一把天象当作自然现象的人,他们相信科学探索而不是迷信传说。

1 大爆炸理论

阿那克萨戈拉,一位哲学家也是天文爱好者,他发现流星的组成物质和地球上的物质一模一样,也许就是从地球上来的。这些早期的天文学家奠定了现代科学的基础,如果他们有幸看到他们后辈的成绩,他们一定会感到震惊。那些曾被认为是神的居住的星球,如今只不过是一个存在能量和物质混合体中渺小的一员!

大爆炸理论是从已知的宇宙最早时期到随后的大规模演化到我们现在的可观测宇宙的一种主要宇宙学模型。

探寻宇宙究竟有多大这个问题始于20世纪20年代,在100英寸高的胡克望远镜的帮助下,在美国加利福尼亚州的威尔逊山上,天文学家埃德温-哈勃在其助手米尔特-哈马森的协助下,分析了一些模糊天体的光线,就是我们后来熟知的星云,他们发现那些实际上是一些位于遥远星空中的星系。

该模型描述了宇宙是从一个温度和密度高得不可思议的一种初始状态演化而来,我们观测到的丰富的光元素,宇宙微波背景辐射(CMB, Cosmic microwave background radiation)以及大尺度结构和哈勃定律都可以解释这一点(星系距离地球越远,其远离地球的速度也就越快)。

哈勃和哈马森发现,大多数的星体都向远处移动,距离地球越远,那些星球移动的就越快,这个原理如今被人们称为“哈勃定律”,它表明在很久之前,所有的星系是一个整体。目前天文学家用他们越来越大的望远镜看到的所有东西都可以追溯到同一个剧烈的开始,那就是宇宙大爆炸。

如果使用目前已知的两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理,我们可以将时间往后回溯。那么可以假设最开始的状态,在一个密度高得不可思议的状态的有限时间之前,存在一个奇点,它通常与大爆炸有关。

早在1917年,阿尔伯特-爱因斯坦就推测宇宙是会膨胀的,起初连爱因斯坦本人也不相信这个理论,直到他看到了哈勃和哈马森的研究结果。爱因斯坦的广义相对论表明宇宙空间的膨胀导致了各星系的分散运行,所以说当一个光子在一个远方的恒星被释放出,它穿过的宇宙空间的尺度会变得越来越大,这会增加它到达我们所必需穿越的距离。

目前物理学家们还不确定这是否意味着宇宙是从奇点开始的,也许是当前的知识还不足以描述当时的宇宙状态。天文学家利用哈勃望远镜对宇宙膨胀率的详细测量,我们得出了宇宙大爆炸发生在大约138亿年前,这一数字被规定为宇宙的年龄。(后来,利用地面及哈勃望远镜进行连续观测,发现宇宙膨胀率不是一个定量,而是存在一个特殊的“暗能量”产生加速度膨胀,以此测定宇宙年龄为130亿年至140亿年。)

自从宇宙大爆炸发生以来,宇宙究竟变得有多大了?这取决于它经历的时间长度和膨胀速率。通过哈勃望远镜的精密测量得到的数据和其他工具的测量数据,得出了一致的结果,宇宙的起源可以追溯到137亿年前!

在宇宙最初的膨胀之后,宇宙的温度开始慢慢冷却,直到其温度低到可以形成亚原子粒子,然后形成一些简单的原子。这些原始元素(主要是氢元素,也含有其它的一些氦)组成的巨大云团后来通过引力合并坍缩,并最终形成了早期的恒星和星系,这些恒星和星系的演化结果就是我们今天看到的宇宙。

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除了这些以外,天文学家还观察到了星系周围暗物质导致的引力效应。宇宙中的大部分物质似乎都是以暗物质的形式存在的,大爆炸理论和各种观察似乎表明暗物质并不是由传统的重子物质构成的,它究竟是由什么构成的目前还尚不清楚。

在那个时期,一束光可以穿梭13.7光年,大约130万亿公里。但是以宇宙大爆炸理论为依据,无论从哪个方向探测,哈勃望远镜能看到的最远的星系远在460亿光年之外,两端则相距920亿光年!

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▲艺术家绘制的威尔金森微波各向异性探测器采集数据的景象,图:Tempshill

2 大爆炸理论和稳态理论

自从1927年乔治·勒梅特(Georges Lemaître)第一次注意到一个膨胀的宇宙可以追溯到一个起源的单点以来,科学家们就一直建立在宇宙膨胀的观点之上。

科学界曾经被划分为两种不同理论的支持者,即大爆炸理论和稳态理论,但大量的经验证据都强烈支持大爆炸理论,这一理论现在已被普遍接受。

1929年,根据对星系红移的分析,埃德温哈勃得出了一种结论:星系正在远离地球!这一重要观测证据与宇宙膨胀假说非常一致。

1964年,科学家们发现了宇宙微波背景辐射,这是支持大爆炸理论的关键性证据,因为该理论预测了在大爆炸之前必定会存在充满整个空间的宇宙背景辐射。

最近,对超新星红移的测量表明,宇宙的膨胀正在加速,这一观测让我们意识到暗能量可能存在于宇宙空间的任意角落。

目前已知的自然物理定律可以用来详细计算宇宙的特性,电脑的建模,可以让宇宙回溯到极端密度和温度高得无法想象的太初状态。

(虽然在宇宙学中大爆炸模型已经建立得相当完善,在将来它仍然非常有可能被修正,例如对于宇宙诞生最早期的那一刻人们还几乎一无所知。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。)

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▲哈勃超深空场描绘了远古时代的星系图景,根据大爆炸理论,它们处于一个更年轻、更致密且更炽热的宇宙。图:NASA and the European Space Agency. Edited by Noodle snacks

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