宇宙是怎么诞生的?

2021-02-26综合472

图注:这代表了宇宙从大爆炸到现在的时间线。左边是宇宙的“诞生事件”,被称为“大爆炸”。宇宙是怎么诞生的?这是一个科学家和哲学家在历史上一直在思考的问题,因为他们看着天上的繁星。天文学和天体物理学的工作就是提供答案。然而,这不是一个容易解决的问题。

图注:一个艺术家对大爆炸可能是什么样子的概念,如果有人在附近看过的话。1964年,天空中出现了第一个重要的答案。那时天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了一个微波信号,这个信号隐藏在他们用来寻找回声气球卫星反射信号的数据中。他们当时认为这只是不需要的噪音,并试图过滤掉信号。

图注:彭齐亚斯和威尔逊偶然发现来自宇宙背景辐射的信号,预示着宇宙的诞生时使用的天线。然而,事实证明,他们探测到的是宇宙诞生后不久的一段时间产生的信号。尽管他们当时并不知道,但他们已经发现了宇宙微波背景(CMB)。宇宙微波背景辐射是由一种叫做大爆炸的理论预测出来的,该理论认为宇宙最初是空间中一个密集的热点,然后突然向外扩展。这两个人的发现是那个原始事件的第一个证据。

大爆炸

宇宙的诞生是什么开始的?根据物理学,宇宙从一个奇点开始存在,这是物理学家用来描述空间的物理定律的一个术语。他们对奇点知之甚少,但已知这些区域存在于黑洞的核心中。它是一个区域,所有被黑洞吞噬的物质都被挤压到一个微小的点上,无限大,但也非常非常小。想象一下把地球塞进一个针尖那么大的东西里,而奇点会更小。

但这并不是说宇宙是从黑洞开始的。这样的假设会引发大爆炸之前存在的问题,这是非常投机的。根据定义,在开始之前没有任何东西存在,但是这个事实产生的问题多于答案。例如,如果没有出现在大爆炸之前,是什么导致了奇点首先被创造出来?这是一个天体物理学家仍在试图理解的“问题”。

然而,一旦奇点被创造出来(不管它发生了什么),物理学家对接下来发生的事情有了一个很好的了解。宇宙处于一种炽热、稠密的状态,并开始通过一个叫做膨胀的过程膨胀。它从非常小,非常密集,到非常热的状态。然后,它随着膨胀而冷却。这个过程现在被称为“大爆炸”,这个词最早是由弗雷德·霍伊尔爵士在1950年英国广播公司(BBC)的广播节目中创造的。

虽然这个词意味着某种爆炸,但实际上并没有爆发或爆炸。这是时空的快速膨胀,把它想象成吹气球:当有人吹入空气时,气球的外部向外膨胀。

大爆炸后的瞬间

早期的宇宙(在大爆炸开始后的几秒钟内)不受我们今天所知的物理定律的约束。所以,没有人能非常准确地预测当时的宇宙是什么样子的。然而,科学家已经能够构建宇宙演化的近似表示。

首先,婴儿宇宙最初是如此的热和稠密,以至于甚至质子、中子等基本粒子也不可能存在。相反,不同类型的物质(称为物质和反物质)碰撞在一起,产生纯能量。当宇宙在最初几分钟开始冷却时,质子和中子开始形成。慢慢地,质子、中子和电子聚集在一起形成氢和少量氦。在接下来的数十亿年里,恒星、行星和星系形成了当前的宇宙。

大爆炸的证据所以,回到彭齐亚斯、威尔逊和CMB。他们所发现的(并为此获得诺贝尔奖),通常被描述为大爆炸的“回声”。它留下了自己的特征,就像在峡谷中听到的回声代表了原始声音的“特征”。不同的是,大爆炸的线索不是一个可听见的回声,而是贯穿整个空间的一个热信号。宇宙背景探测器(COBE)和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)专门研究了这一特征。他们的数据为宇宙诞生事件提供了最清晰的证据。

图注:由七年的WMAP数据创建的婴儿宇宙的详细全天图像。该图像揭示了137亿岁的温度波动(显示为色差),对应于生长成星系的种子。大爆炸理论的替代品虽然大爆炸理论是解释宇宙起源的最广为接受的模型,并得到了所有观测证据的支持,但也有其他模型使用相同的证据来讲述稍有不同的故事。

图注:爱因斯坦。一些理论家认为,大爆炸理论是建立在一个错误的前提之上的——宇宙是建立在一个不断膨胀的时空之上的。他们提出了一个静态宇宙,这是爱因斯坦广义相对论最初预测的。爱因斯坦的理论后来才被修改以适应宇宙膨胀的方式。膨胀是故事的一个重要部分,特别是它涉及暗能量的存在。最后,重新计算宇宙质量似乎支持大爆炸事件理论。

虽然我们对实际事件的理解还不完全,但CMB数据有助于形成解释宇宙诞生的理论。没有大爆炸,就没有恒星、星系、行星或生命存在。

快速事实大爆炸是宇宙诞生事件的名称。人们认为,宇宙大爆炸是在大约138亿年前,一个微小的奇点开始膨胀时发生的。大爆炸后不久发出的光可以被探测为宇宙微波辐射(CMB)。它代表了大爆炸发生约38万年后新生宇宙点燃时的光。

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