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秦瞳 | 只听“砰”的一声,宇宙就大爆炸了

秦瞳 搜历史


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宇宙大爆炸,英文Big Bang,在某些地方被称为“宇宙大霹雳”,其实怎么译都对,因为英文原意就是“砰!”。

这个名字是英国天文学家弗雷德·霍伊尔给起的,有意思的是,他不相信宇宙大爆炸,他起这个名字本意是挖苦。1949年3月,在BBC的一次广播节目中,他把这个理论戏称为Big Bang理论,特别形象,大家都乐了,连他的对手也喜欢这个说法,从此延用。

那么时空到底是怎么来的?人类有了思考能力之后,就开始开脑洞。

中国人说,“天地混沌如鸡子,盘古生其中,万八千岁,天地开辟,阳清为天,阴浊为地”。

《旧约:创世纪》里的记载是,“起初神创造天地,地是空虚混沌,渊面黑暗,神的灵运行在水面上。”

公元前1200年印度的《梨俱吠陀》说,“那时,既没有‘无’,也没有‘有’,既没有空界,也没有空之外的天界。”

各种文明都认为在万物之初,是一片虚无,什么都没有。这就留下一个的问题,从虚无到万物,是怎么发生的呢?

不妨先来看看宇宙是怎么回事。

古希腊哲学家解释说宇宙是一个天球,以地球为中心排列,这就是托勒密地心体系,虽然在今天的知识体系下,这个解释充满原始性,但是里面的科学精神却让人肃然起敬。

托勒密地心体系

托勒密是公元100年代的希腊天文学家,他写了一本《天文学大成》,一共十三卷,包罗万象:确定一年的持续时间、给出日月蚀的计算方法、甚至还涉及到了光的折射定律,其中孤立性地描述了以地球为中心的宇宙的样子。

自然科学在西方文明中开枝散叶,并非一夕之功,科学、尤其是科学精神的传承其来有自。

这本书从诞生起就是天文学的标准教材,一直持续了1500多年,16世纪的时候,哥白尼表示了不同意见,他认为地球在宇宙之中没有特殊地位,但是宇宙得有个中心啊,出于时代局限性,他把宇宙的中心归于太阳。

哥白尼是个七巧玲珑之人,他一生风风光光,在各个领域都吃得开,虽然他质疑“地心说”,但是教宗和主教们都是他的粉丝,有人劝他把自己的学说公布于众,他担心动摇了宗教神学的理论基础,而迟迟不肯动笔。终于在晚年,写就了《天体运行论》一书,据说哥白尼临死的时候不肯闭眼,家人把书拿到床边,他手按封面安然离世。

哥白尼日心体系

临近17世纪末期的时候,一枚苹果掉了下来,英国物理学家艾萨克·牛顿发现了引力,进一步阐明宇宙之间的普遍性,不管是苹果落地,还是行星之间的运动,都是引力作用的结果。

虽然晚年的时候,牛顿放在上帝那里的时间,远比放在数学和物理上多,但是他依然被认为是人类最伟大的科学家,他的万有引力和三大运动定律,奠定了之后力学和天文学的基础。

2005年的时候英国皇家学会搞了一次“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查,科学家和网民们积极投票,最后牛顿力压爱因斯坦夺冠,因为爱因斯坦的晚年主要用来扯科学的后腿,比牛顿也好不到哪里去。

现在我们知道,引力是宇宙大爆炸产生的四个基本力之一,但是退到17世纪,当有人问引力是怎么出现的时候,牛顿也只能耸一耸肩:可能是上帝他老人家创造的吧。

在牛顿的时代,大家依然认为宇宙是稳定的,是有限的。

真的是这样吗?

转眼到了20世纪20年代,美国的天文学家埃德温·哈勃(1889—1953)在参加完一战之后,决心投身于自己最爱的天文专业。他接受了加州威尔逊山天文台的聘用,在那里操作一台巨型望远镜,他的企图心很浪漫,他要绘制宇宙全景。

埃德温‧哈勃和发现宇宙膨胀所用的100英寸望远镜,1924年

在他的观察过程中,哈勃发现了一个非常奇特的现象:宇宙是不稳定的,宇宙中大多数遥远的天体似乎正在发生红移(red-shifed),也就是说,它们正在离地球远去。

哈勃把对这些天体的运动评估和它们的距离估算结合在一起,发现了一个规律,那就是天体离得越远,红移就越大,换言之,天体似乎在以更快的速度远离我们。

这意味着什么呢?这意味着,宇宙正在扩张,就好像手榴弹爆炸产生的碎片一样。

如果哈勃的观察是正确的,那么宇宙就是有历史的,它有过去,有未来,也就会有消亡的那个时刻,宇宙学也会因此变成一门历史性学科。

哈勃的观察结果第一个震惊到的人是爱因斯坦,因为他刚刚发表了广义相对论没几年。他为了回避不稳定宇宙的可能性,甚至修改了自己的理论,宣称存在一种平衡引力的新类型的力(这种力歪打正着地引向了我们现在说的暗物质)。

牛顿的宇宙是庞大而稳定的,哈勃的宇宙最初很小,之后不断膨胀,直到变得异常巨大。这就让我们的大脑非常辛苦,因为按照哈勃的观察结果,我们无法想象宇宙的形态,千万不要以为宇宙存在一个核心,或者边缘,它根本没有。

哈勃极深场,已知的最深远的宇宙图像,揭示了最遥远最黯淡的星系

对哈勃红移现象的解释,一时之间出现很多理论,宇宙大爆炸只是其中的一个。

1927年的时候,比利时人乔治·勒梅特,在第一次世界大战之后,卸甲归田,成为了一名神父,之后他回到鲁汶大学教授天体物理学,闲着没事的时候,他研究爱因斯坦的广义相对论,发表了场方程的一个重要解,由此指出宇宙是膨胀的,是在距今大约137亿年前,起源于一个密度极大、温度极高的“原始原子”的爆炸。

在差不多的时候,俄国数学家弗里德曼也发表了同样的结果,但是他们彼此之间并不知道对方的工作,可以说不约而同,他们提出了“宇宙大爆炸”理论。

1931年,英国天文学家将勒梅特的论文译成英文发表,很快引起了轰动。

在天文学家看来,这绝对是一个令人震惊的结论,勒梅特和弗里德曼描述的宇宙发端于无法想象的一小束能量。这个结果太疯狂了,好几十年大家都无法接受,难道上帝没事在放炮仗吗?

到了1949年的时候,我们开头提到的霍伊尔先生开玩笑地把勒梅特理论称为“砰理论”,于是我们就有了“宇宙大爆炸”这个术语。

弗雷德·霍伊尔之所以要开这个玩笑,是因为他自己坚持“宇宙稳态”理论,也是当时“宇宙大爆炸”理论的主要对手。

稳态理论宣称,尽管宇宙一直在扩张,不过新物质和新能量不断产生的速度抵消了扩展的速度,最终的结果就是,从宏观来看,现在的宇宙跟过去没什么差别。

两种理论都对哈勃发现的红移现象做出了解释,但是“稳态”理论明显更符合人们对宇宙一贯的认知,于是,一直到20世纪60年代,宇宙起源于一次大爆炸的观念依旧不过是一种假说罢了。

那么,之后发生了什么,让宇宙大爆炸理论成为现在被普遍接受的理论呢?

1964年的时候,答案出现了。

天文学家阿尔诺·彭齐亚斯,和罗伯特·威尔逊,他们在新泽西的贝尔电话实验室工作,两个人的主要工作是为卫星传输建造一种超敏感的接收器。为了改善设计的号角式天线,他们试图消除所有的背景信号。结果他们发现背景里总是有一个非常奇怪的噪音,很微小,但是持续存在,异常均匀,最恐怖的是,根本无法清除它。

彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景的天线

一开始两个人觉得可能自己的设备出现了问题,就爬到天线上去清理鸟粪,但是就算把天线擦得锃亮,神秘的噪音依然存在。

好在不远处就是普林斯顿,爱因斯坦不在了可以找别人,物理学教授罗伯特·迪克(1916-1997)接待了他们,在分析完两位天文学家的观测之后,迪克教授难掩兴奋之情,因为他一直在研究“宇宙大爆炸”理论,根据他的预测,大爆炸产生的时候遗留下来一种能量辐射,可以确定,这个噪音就是宇宙大爆炸产生的古老能量的吉光片羽。

彭齐亚斯和威尔逊发现的这个噪音,极度微弱,它的能量相当于零下270摄氏度,这非常接近迪克教授预测到的能级。更让人激动得是,它呈现背景辐射性,也就是说它来自宇宙四面八方,虽然很微弱,但是它在每一个角落都具有几乎相同的密度,可见它的能量其实是非常庞大的。

根据WMAP对宇宙微波背景辐射的观测所绘制的图像

宇宙背景辐射一经被发现,“宇宙稳态”理论就败下阵来,因为它无法解释这种能量的来源,而“宇宙大爆炸”理论不仅完美地解释了它的来龙去脉,还在其未被发现时,就已经预测到了它的存在。

至此“宇宙大爆炸”被大多数天文学家所接受,它不再是一种假说,而几乎可以被认定为一种确定的理论。

Big Bang 这个名词之父弗雷德·霍伊尔,虽然被打脸,但是在对真理的探索过程中,任何一点点进步都是各种科学理论与科学家绞力而成,其中的质疑、叩问与鞭策都是一种成全。

宇宙起源于一次大爆炸,之后才有了星云、恒星、元素和生命,有过了好久,才有了我们人类。所有这一切复杂的开始却是无比简单清晰,只听“砰”的一声,一切都不同了。


值班主编 | 曲飞   值班编辑 | 小窗   主播 | 水滴

这是第 55 篇文章

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