科學現場調查:宇宙大爆炸的三種實踐

  一個國際天文學家小組利用地球上最強大的望遠鏡發現,宇宙大爆炸後瞬間發生的情形和理論預言的一致,消除了二十多年來天體物理學家的困惑。

  在物理學和天文學中最重要的困難是,實際在天文觀測中得到的鋰-6的含量比理論值大2%,而鋰-7的含量比理論值小3%~5%。這個嚴重的困難導致了一些奇怪的物理解釋和毫無收穫的觀測研究。

  劍橋大學的天文學家Karin Lind領導的小組證明,這個持續了數十年的問題是由於觀測數據的質量不高,並且在分析鋰同位素方面過於簡化的原因。他們利用凱克天文台10米口徑的望遠鏡對古老恆星的觀測表明,宇宙大爆炸核合成理論(nucleosynthesis)所預言的鋰-6、鋰-7的含量與實際觀測並沒有衝突之處,維護了現有的宇宙大爆炸理論。

  在上世紀20年代,天文學家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)發現了宇宙膨脹。現代宇宙觀測表明,宇宙始於138億年前的一場“大爆炸”。證實宇宙大爆炸的重要基石是,宇宙中充滿了微波輻射和輕元素(light elements)的含量與大爆炸核合成理論的一致性。

  在古老的恆星中精確測量鋰-6和鋰-7的含量是一個非常大的挑戰,尤其是鋰-6的含量,因為它的丰度非常低,信號特徵非常弱,只有利用像凱克天文台這樣的大型望遠鏡才能獲得想要的觀測數據。

  高質量的天文觀測和精細的理論模型相互印證,最終解決了困擾在粒子物理學和天文學中的困難。

  宇宙大爆炸的三大證據:

  第一個支柱是的廣義相對論。在它出現之前的近300年裏,理論一直是天文學幾乎所有分支的基礎。從地球到星系,不論在什麼尺度下,理論都能準確預言物體的運動狀態。但是,對於無窮大的物質集合,理論就完全不適用了。廣義相對論突破了這個侷限。1916年,公佈了廣義相對論,並且提出了一個包含宇宙學常數的簡單方程,用來描述宇宙。此後不久,荷蘭物理學家威廉·德西特(Willem de Sitter)就求出了方程的一個解。德西特的結果似乎與當時人們公認的宇宙圖景完全一致:宇宙是被廣袤且永恆不變的虛空包圍着的一座宇宙島。

  宇宙學家們很快意識到,這種永恆不變的靜止狀態是一種誤解。事實上,德西特的宇宙會永遠膨脹下去。比利時物理學家喬治·勒邁特(Georges Lema tre)後來證明,的宇宙學方程預言,宇宙要麼膨脹,要麼收縮,無限、均勻、永恆不變的宇宙不可能存在。後來被人稱為“大爆炸”的理論,就是在這個觀點的基礎上產生的。

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