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宇宙大爆炸理论与反对大爆炸理论

2018-10-19 09:41:15 目录:默认 领域:天文学 宇宙 大爆炸 黑洞

大爆炸示意图

       “大爆炸宇宙论”(The Big Bang Theory)是现代宇宙学中最有影响的一种假说。它的主要观点是认为宇宙是由一个致密炽热的奇点大爆炸后膨胀形成的,在渐渐冷却的时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体,气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。

       1927年,比利时天文学家和宇宙学家勒梅特(Georges Lemaître)首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年,美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论,认为宇宙由大约140亿年前发生的一次大爆炸形成。1964年,美国贝尔电话公司工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试天线时,接受到了无线电磁干扰,后经进一步测量和计算,确定为宇宙微波背景辐射,两人为此也获得了1978年的诺贝尔物理学奖。2014年,美国物理学家宣布首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜,观测宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的,计算表明,原初引力波作用到微波背景光子,会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的扰动,都产生不了这种B模式偏振,因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。研究人员在南极发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号,随后经过3年多分析,排除了其他可能的来源,确认它就是原初引力波导致的。2016年年初,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文台(VIRGO)的科学家联合宣布,他们探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞在13亿年前的并合产生的引力波,这一发现被称为“世纪发现”。

宇宙微波背景辐射

       尽管近几年有证明宇宙大爆炸假说的重大证据被发现,但反对大爆炸理论的呼声一直没有停歇。因为大爆炸后最初的几分钟,相关的观测证据严重缺乏,最早期宇宙物质-能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。这让很多科学家觉得学说一点都不科学,没有足够的论据说明观点。

       大爆炸学说的创始人之一,比利时天文学家和宇宙学家勒梅特从哈勃定理倒推,认为大爆炸起源于一个点,时间、空间和全部物质从该点产生。为解释这的推论,又诞生了各种理论,包括远大于光速的暴胀论,这让反对大爆炸理论的声音找到了反对依据。因为能量守恒和质量守恒定律是宇宙中的最基本定律,大爆炸只能使能量和质量改变形态,其数量在爆炸前后应相等,绝不可能从某个时刻开始无中生有。因此,反对者认为,大爆炸不是开始于一个点,而是开始于一个相对目前整个宇宙很小但实际仍然很大的体积,彼时呈收缩态的宇宙,源源而来的物质聚集越来越多,体积内爆炸愈来愈激烈,此时仍是一个收缩状态,最终,量变导致质变,待爆炸非常之剧烈,发散趋势胜过了聚拢趋势,这批物质从聚拢状态转为发散状态,即宇宙的诞生。

       现有的宇宙学还有一个为大家所忽视的缺陷。数据显示,宇宙的年龄(从大爆炸开始到现在)为140亿~150亿年,宇宙空间(有人称之为比当前观测到的宇宙更大的宇宙,即大宇宙Universe)的大小约为871亿光年。大爆炸所产生的我们的宇宙,大小约为150亿光年,现在太空望远镜所能探测到的距离也约为150亿光年,所以认为正好能够看到我们宇宙的边缘,还认为在边缘区所看到的就是大爆炸后最早形成的星系。

       但是,细推之下,这些知识在逻辑上存在严重问题:第一,假如大爆炸是从一点或者相对小的体积开始,假设走得最快的星系向外膨胀的最快速度是光速的四分之一,则我们宇宙的半径不过是40亿光年左右,而不是150亿光年,那么太空望远镜在40亿光年之外所看到的是我们宇宙之外的星系,很可能是和我们宇宙类似,在大爆炸之时产生的其他宇宙(universes)。第二,假如认为向外膨胀的最快速度等于光速(只有静止质量等于零的粒子才有可能),这样我们宇宙的边缘才能在150亿光年,但150亿光年处边缘星系的光信号不能立即传到地球上来,要等到150亿光年之后才能传到,所以太空望远镜所看见的我们宇宙的星系最远不过75亿光年处,超出75亿光年的星系都不是我们宇宙中的星系。若认为膨胀速度可以远大于光速,就另当别论了。

       另外还有一些说法,认为宇宙其实没有持续变大,只是其中的粒子质量在变大而已。另一批专家则认为,宇宙之所以会膨大是因为时间的步伐已经慢慢的停下,不再是有条不紊地“滴答滴答”走,而是会渐渐慢下来直到停止,这个呼声也得到了许多专家的支持!

       2014年9月,美国北卡罗来纳州大学教堂山分校的理论物理学家劳拉·梅尔西尼·霍顿,更是用数学的方法证明了“黑洞是不存在的”。她在物理学在线开放存取知识库ArXiv网站发表文章称,她已经用数学证明了“黑洞是不存在的”。报道指出,劳拉的理论使用了数学方法,将万有引力理论和量子力学理论和谐地融合在了一起,她和霍金都认为当恒星死亡坍塌时,会释放出霍金提出的辐射,在这个过程中,星球自身也将流失一大部分的质量,最终,死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。一旦她的观点被科学界论证是正确,现代物理学对于宇宙的起源学说将可能被全部推翻。亦或是融合万有引力理论和量子力学理论的新理论中设定“黑洞不存在”。

黑洞示意图

       在当前观测手段和理论计算能力有限的条件下,对假说尤其是万物起源、宇宙起源的推论进行验证,是非常困难的,所以各种理论和推断层出不穷,谁也不能说服谁,只有等待新的证据被发现,或许到那时,旧理论被推翻,建立起来的新理论又会开始一轮新的争议的旅程,而科技与宇宙本源的探索正是在这些激烈而有趣的争议中一步步创建和发展起来的。(责任编辑马征,主编李志民)

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    工作单位:中国科技论文在线名誉主编

    所属领域:地球资源与环境 工程与技术

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