哈勃空間望遠鏡曾經在1995年、1998年和2003年分別對着天空中不同位置、看起來空無一物的區域連續曝光十幾天甚至數十天,最後得到了HDF、HDFS和HUDF三張照片,發現即使在遠達133.5億光年外的宇宙,仍然有難以計數的星系,這使得我們不由得思考一個問題,如此多的物質是從哪裏來的,真的是無中生有?
哈勃常數和宇宙膨脹布魯諾直覺告訴他宇宙是無限的,但他還沒找到理由與證據之前,就因宣傳哥白尼的日心説被教廷燒死在羅馬鮮花廣場。牛頓發現了萬有引力是制約宇宙天體之後,認為宇宙是無限的!因為無限的宇宙在任意點上受到其它方向上引力的牽制而相互抵消,得以停留在原地,儘管牛頓的理由是錯誤的,但結果卻歪打正着。
1826年德國天文學家奧伯斯認為,如果宇宙有限且是永久存在的,那麼無數多的星光到達地球會讓夜空會亮如白晝。因此奧伯斯認為宇宙必定有一個時間開端。
奧伯斯佯謬
1922年蘇聯宇宙學家弗裏德曼通過假設宇宙物質的均勻性,通過廣義相對論推導宇宙模型是膨脹的,1928年勒梅特得到了同樣的結果。
1929年哈勃通過十多年的觀測發現遙遠的星系正在快速離去,並且哈勃已經測算出了這些星系離去的速度大約為550千米/秒·百萬秒差距(現代天文測定速度為67.15千米/秒·百萬秒差距)。儘管哈勃以當時的技術測量有些誤差,但並不影響宇宙正在膨脹這個結論的正確性。但哈勃拒絕就此事做過多的聯想。
二戰後勒梅特提出了宇宙大爆炸論,而喬治·伽莫夫(計算出伽莫夫因子的那個大神)根據這個大爆炸理論提出了太初合成理論,而拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼則從理論上預言了宇宙微波背景輻射的存在,並且測算出大約為5K
1964年美國科學家家彭齊亞斯和威爾遜無意中發現了宇宙微波背景輻射,經過測量為3.5K,1965年又修正為3K,我們熟知的3K背景輻射就是這麼來的!
宇宙大爆炸和奇點勒梅特提出的宇宙大爆炸觀點正在被一個個觀測所證實,無論是宇宙膨脹還是太初合成理論(宇宙物質以氫元素為主)以及宇宙微波背景輻射等,目標都指向宇宙在很久遠的過去曾經發生過一次開闢天地的大爆炸!宇宙中的一切物質都在這個時期誕生!
奇點的來歷
現代宇宙物理學的幾乎所有研究都基於大爆炸理論,因為與它相關的證據實在是太充分了,但宇宙從哪裏開始爆炸,最初的宇宙是一個什麼樣的狀態當時沒有觸及到這一點!
1965年羅傑·彭羅斯提出了黑洞中心的時空奇點論,霍金受到啓發,他將奇點論用到了整個宇宙方向。1968年霍金與喬治·艾利斯認為宇宙背景輻射的存在證實宇宙的確曾經發生過大爆炸,並且認為宇宙有一個初始的奇點,時間和空間以及物質都是從這初始的起點演化而來!
但有一個有趣的事實是在奇點處一切物理定律都失效,這對現在宇宙誕生論是一個不小的挑戰,不過關於宇宙大爆炸的最初始説法,已經有多個不會產生奇點的説法,比如弦理論中的膜彼此碰撞等,有興趣的朋友可以瞭解下!
質能等價方程
前文我們只交代了宇宙的起源,但物質的來源仍然沒有説清楚,畢竟從一個奇點誕生物質這種神奇的事情無法用一句話説清楚,但很幸運,愛因斯坦在發表狹義相對論時有一篇補充論文《物體的慣性和它藴含的能量有關嗎?》中給出了質能等價的方程,愛因斯坦認為質量就是能量,能量就是質量,這只是事物的一體兩面,不同狀態下表現方式而已!
2011年6月,美國布魯克海汶國家實驗室中的相對論重離子對撞機(RHIC)將兩束金原子核加速到接近光速碰撞,在對撞機的STAR探測器上探測到了“夸克膠子等離子體”,也就是物質和能量的之間的相變温度!這個温度大約是2萬億攝氏度!
簡單的理解這就是物質-能量之間臨界點,再往上就是能量的世界了,所以質量與能量只是在不同狀態下表現而已,當宇宙從“奇點”暴脹成宇宙時,緻密的能量隨着膨脹,温度下降,從能量狀態轉變為質量,夸克膠子結合成為質子和中子,繼續冷卻,質子以及質子與中子聚變構成了氫、氦與鋰等原子核,但它們要到宇宙膨脹到38萬年後才會捕獲電子形成原子!