宇宙——廣袤空間和其中存在的各種天體以及瀰漫物質的總稱。
我們生活在地球上,地球又是廣闊宇宙中的一員,但對於宇宙我們瞭解的知之甚少,關於宇宙的起源,至今還沒有誰能準確地解釋,只能説宇宙起源是一個極其複雜的問題,宇宙是一個物質世界,處於不斷的運動和發展中。目前最主流的理論是宇宙來自大爆炸,但為什麼能爆炸出這麼大的宇宙呢?
目前為止,宇宙大爆炸模型是科學界達成共識的關於宇宙起源的理論,是目前最符合邏輯和具有廣泛證據支撐的科學理論。
宇宙大爆炸理論。
從古至今,對於宇宙的起源這個問題困擾了很多科學家,眾所周知,首先牛頓提出了著名的萬有引力定律,但是他依然不明白宇宙究竟是如何誕生的,可以説這個問題困擾了他的整整一生,但是始終沒有一個滿意的答案。
在萬有引力定律的基礎上,牛頓認為宇宙中的任何萬物都在萬有引力的作用下向中心聚攏,最後聚攏成一個點,但是這些天體被誰推動的,他卻無法解釋。
到了二十世紀,隨着愛因斯坦廣義相對論的場方程提出,他發現宇宙是隨着時間的流逝而發生膨脹,具有不穩定性,但是在當時許多的科學家們都認為宇宙是穩態的,而廣義相對論得出的結果明顯和當時的主流科學觀點相矛盾,因此愛因斯坦就給方程加了一個“宇宙學常數”,並且用符號Λ表示。
這個宇宙學常數的存在可以使得方程所描述的宇宙處於靜態,也就滿足了愛因斯坦“永恆宇宙”的觀念,愛因斯坦的行為在當時遭到了許多科學家的反對,其中最具代表性的就是勒梅特。
他指出愛因斯坦這個宇宙學常數不應該是一個定值,並且還説宇宙本身就應該是膨脹的,宇宙開始於一個熾熱的奇點,我們可以利用宇宙學常數Λ來描述膨脹速率,但是勒梅特也僅僅是從理論的基礎上推導出來的,利用的也還是愛因斯坦的廣義相對論場方程。
科學理論的對錯是需要講究證據的,直到在上世紀20年代的時候哈勃突破了這一問題,由於他長期觀測銀河系的天體發現絕大多數的天體都在離我們遠去,而且離我們距離越遠,其速度就越快,這進一步説明了空間在膨脹,以致於這些天體也在遠離我們,這是對於宇宙大爆炸這一問題的第一個觀測證據。
隨後在上世紀60年代宇宙微波背景輻射的發現以及氦元素丰度的確定讓科學家們更加確信宇宙大爆炸的理論。按照宇宙大爆炸理論,宇宙應該是誕生於138億年前的一次大爆炸,在宇宙最初的時候只是一個能量奇點,一般理論認為這個奇點沒有空間,宇宙半徑尺寸趨近於零,但它卻被科學家們認為集合了宇宙中所有的物質和能量,被看作是一個密度無限大,熱量無限大,温度無限高,壓力無限大,時空曲率無限大,體積無限小的一個“點”。
就這樣,宇宙間所有的物質和能量全部都擠壓在這樣一個高壓的環境中,而在奇點發生爆炸的一瞬間,所有的物質和能量被釋放了出來,而現如今宇宙中的物質粒子都是在宇宙大爆炸之後4分鐘內形成的,直到宇宙大爆炸後來的38萬年,宇宙温度才下降到3000度左右,而宇宙也從粒子粥一樣的混沌狀態變得透明,光子開始在宇宙中穿梭,原子結構得以形成。
雖然宇宙大爆炸理論是一個瘋狂的理論,但宇宙大爆炸在很多方面都符合宇宙的發展。實際上,宇宙大爆炸理論早就已經得到了幾個關鍵證據的支持。
宇宙大爆炸的幾個關鍵證據
證據一:哈勃紅移
在20世紀20年代末,美國天文學家哈勃發現,在宇宙中幾乎所有星系都存在着紅移的現象,並且距離越遠的星系,“紅移”現象越嚴重,也就是説紅移值與距離呈現正相關。
證據二:宇宙微波背景輻射
根據宇宙大爆炸理論,138億年前的宇宙是處於極高的温度下,雖然經過了138億年的膨脹冷卻,温度已經變得很低,但大爆炸發生後應該還殘留着輻射,而這個背景輻射已經被科學家們觀測到,大約是2.7K,與大爆炸理論完美契合。
證據三:宇宙元素丰度
根據宇宙大爆炸理論的觀點,宇宙中的元素是由輕元素逐漸聚變為重元素,而通過從宇宙學模型中推測出的元素丰度,與早期天體中的元素丰度進行對比,發現宇宙元素丰度是和大爆炸理論完美吻合的。
其實關於宇宙大爆炸理論,還有宇宙的各向同性、引力波等等觀點,都為大爆炸宇宙論提供了有力的支持,迄今為止,還沒有出現一例反證,來證明這個理論是錯誤的,而宇宙大爆炸理論也成為我們目前解釋宇宙起源的一個主流理論。
宇宙的形成
奇點大爆炸之後,時間和空間的概念隨之出現,後來隨着宇宙大爆炸,宇宙開始發生膨脹,最先出現的物質是光子、電子、中微子、質子和中子。
在38萬年之後,第一批原子產生,隨之而來的是最早的一批恆星——藍巨星,其主要組成物質是氫元素和氦元素,這是宇宙中的第一批元素,由於恆星內部會發生核聚變,因此在恆星的內部又形成氧元素和碳元素,越來越多的元素開始形成,當重元素產生後,第一批行星也隨之而來。
與此同時,在恆星與恆星之間、星系與星系之間發生了碰撞,於是又導致了新的元素和星系的形成……
根據宇宙大爆炸理論,空間是由奇點創造出來並且自身也在不斷膨脹中。
其實宇宙中一開始並沒有天體,當宇宙經過足夠多的膨脹和冷卻之後,天體才在引力的作用下逐漸形成,由於空間結構在持續擴張,在138億年的時間裏,宇宙從奇點膨脹到至少23萬億光年的範圍,半徑465億光年的區域只是目前我們所能觀測到的宇宙。
由此可見,空間膨脹速度遠遠超過光速,但是根據愛因斯坦的狹義相對論來説光速不可超越,大家應該清楚的是空間不是物質也不是能量,因此相對論對比無效,並且自從科學家們發現宇宙在不斷膨脹的現象之後其宇宙膨脹速度也超越了光速。
在1927年,物理學家勒梅特從弗裏德曼方程中推導出了宇宙膨脹觀點,到了1929年,天文學家哈勃的發現有力證實了這一猜測,哈勃通過分析宇宙中星系的光譜,結果發現,河外星系的光譜只有極少表現出藍移,大都表現出紅移,根據多普勒效應,大部分星系正在遠離銀河系運動,提出了哈勃定律。
根據哈勃定律(Vf=HcxD),哈勃常數Hc=67.80±0.77(km/s)/Mpc,通過簡單計算可以發現,宇宙的膨脹導致的退行速度已經超越了光速。