宇宙诞生时究竟发生了什么?

  新浪科技讯 北京时间4月1日消息,据国外媒体报道,我们的宇宙诞生于大约137亿年前的一次大规模爆炸中,并像一个巨大的气球一样迅速膨胀。简而言之,这就是几乎所有宇宙学家和理论物理学家都认可的大爆炸理论。支持这一观点的证据是广泛而令人信服的。我们知道,即使是现在,宇宙仍在不断加速膨胀。

  科学家还发现了大爆炸理论所预言的热力学印记,一种遍布宇宙的微波背景辐射。此外,我们还没有观察到任何明显年龄超过137亿年的物体,这表明宇宙是在137亿年左右形成的。

  所有这些结果都使大爆炸理论建立在一个极其坚实的基础上。宇宙大爆炸是一个非常成功的理论。那么,这个理论能告诉我们什么呢?我们的在宇宙诞生时究竟发生了什么?它又是如何演变成我们今天所观察到的模样?

  宇宙初开

  传统的大爆炸理论认为,宇宙起源于一个奇点,即一个密度和温度都趋于无限的点——人类的大脑很难理解这一本质。然而,研究人员表示,这可能还无法准确地反映现实,因为我们对奇点的认识都来源于爱因斯坦的广义相对论。

  问题是,对于奇点,没有任何理由相信广义相对论,这将是错误的做法,因为它没有考虑到量子力学。一旦进入宇宙历史的这个阶段,量子力学肯定会变得非常重要。

  因此,宇宙的起源问题依然扑朔迷离。科学家们认为,他们可以在大爆炸后大约10^-36秒开始讲述这个故事。在那个时候,宇宙经历了一个极其短暂而又戏剧性的暴胀时期,膨胀速度超过光速。在极短时间内,宇宙的体积膨胀到原来的100倍甚至更多。

  科学家表示,暴胀似乎违反了狭义相对论,但事实并非如此。狭义相对论认为,在空间的两点之间,任何信息或物质的传播速度都不能超过光速,但暴胀是空间本身的膨胀。膨胀是宇宙大爆炸中的“大爆炸”,在暴胀之前,宇宙只有一点点,很可能也只膨胀了一点点,需要像暴胀这样的过程来让宇宙变大。

  这个快速膨胀的宇宙几乎没有任何物质,但却蕴含着大量的暗能量。暗能量是一种神秘的力量,科学家认为正是它推动着当前宇宙的加速膨胀。在暴胀期间,暗能量使宇宙变得平滑并加速膨胀,但它并没有停留太久。

  这只是暂时的暗能量,通过一个名为“再加热”的过程,转化为普通物质和辐射。在所有这些暗能量消失后,宇宙从暴胀时期的低温状态变成了后来的高温状态。但科学家仍不清楚是什么触发了暴胀,这依然是大爆炸宇宙学的关键问题之一。

  大反弹

  大多数宇宙学家都把暴胀理论作为解释宇宙特征的前沿理论。这里所说的宇宙特征,具体来说,就是为什么宇宙相对平坦而均匀,而且向各个方向有大致相同数量的物质均匀分布,各种证据都表明,暴胀过程是真实发生过的。

  不过,暴胀理论并不是试图解释宇宙结构的唯一观点。理论家们提出了另一种模型——循环模型(cyclic model)。该模型基于一个更早的概念:火宇宙理论。

  这种观点认为,宇宙并不是从一个单一的点或任何类似的点出现的。相反,它是从一个已经存在,但一直在收缩的宇宙反弹回膨胀状态——其速度比暴胀理论预测的要平稳得多。如果这个理论是正确的,那我们的宇宙很可能已经经历过无数次的爆炸和挤压。

  火宇宙理论的提出者之一、美国宾夕法尼亚大学的伯特·奥夫鲁特说:“宇宙的起源可能是很美好的,而且是有限的。”

  循环模型假设我们的宇宙由11个维度组成,只有4个维度我们可以观察到,包括3个空间维度和1个时间维度。宇宙的四维部分被称为“膜”(brane)。该模型还认为,在11维空间中可能潜伏着其他的膜。两个膜之间的碰撞可能使宇宙从收缩到膨胀,产生了我们今天所看到的宇宙大爆炸证据。

  我们所知的宇宙如何成形?

  但首先,我们所处的宇宙是如何从无到有的呢?宇宙学家猜测,支配宇宙的四种力——引力、电磁力和强、弱核力——在宇宙诞生之初由于极端的温度和密度而相互挤压在一起,统一成一种力。

  而随着宇宙的膨胀和冷却,情况发生了变化。在暴胀时期,强核力可能分离了出来。在大爆炸后大约10万亿分之一秒的时候,电磁力和弱核力也各自独立。在暴胀之后,宇宙很可能充满了炽热稠密的等离子体。但研究人员认为,在大爆炸后大约1微秒(百万分之一秒)左右,宇宙已经冷却到足以形成第一批质子和中子。

  在大爆炸后的前三分钟,这些质子和中子开始聚变,形成氘(也被称为重氢)。之后氘原子相互结合,形成氦-4。

  复合:宇宙变得通透

  这些新产生的原子都带正电,因为宇宙仍然太热,不利于捕获电子。但这一切在大爆炸发生38万年后发生了改变。在这段被称为“复合”(recombination)的时期,氢离子和氦离子开始捕获电子,形成电中性原子。光对自由电子和质子的散射很显著,但对中性原子的散射则小得多。于是,此时光子就可以更自由地在宇宙中漫游了。

  复合极大地改变了宇宙的面貌;原来一团不透明的雾,现在变得通透了。我们今天观察到的宇宙微波背景辐射就是从这个时代开始的。不过,在复合时期之后的很长一段时间内,宇宙还是相当黑暗的,只有到大爆炸后大约3亿年时,第一批恒星开始发光,宇宙才真正亮起来。这些恒星在很大程度上抵消了复合所取得的效果。早期恒星——或许还有其他一些神秘的来源——释放出足够的辐射,将宇宙中的大部分氢分裂成组成质子和电子。

  这个过程被称为“再电离”,似乎在大爆炸后10亿年时就结束了。今天的宇宙已经膨胀得如此之大,不会再像复合之前那么不透明。科学家认为,宇宙的物质非常稀薄,因此光子的散射相互作用相对罕见。

  随着时间的推移,恒星聚集在一起形成星系,导致宇宙中形成越来越大的结构。行星聚集在一些新形成的恒星周围,就像我们的太阳系。38亿年前,生命在地球上萌芽。

  大爆炸之前?

  目前,关于宇宙最初若干时刻的许多问题仍然只停留于推测,而另一个更加神秘且难以解决的问题是:大爆炸之前发生了什么?

  首先,这个问题本身可能毫无意义。如果像一些理论家认为的那样,宇宙是从无到有,那么大爆炸就标志着时间本身开始的那一刻。卡罗尔指出,在这种情况下,就不会有“以前”这回事了。

  关于宇宙诞生的另一些概念或许可以提供答案。例如,循环模型表明,收缩的宇宙先于膨胀的宇宙,它可能只是在大爆炸发生之前存在的虚空,然后由一些量子涨落产生了像我们所处的这种宇宙,你可以想象成一个空间小气泡通过波动被压缩,并充满了非常小的能量块,然后这些能量块可以长成经过暴胀所形成的宇宙,宇宙的时间是从大爆炸开始的,但同时也属于一个前身,一个母宇宙开始的波动。

  我们会知道答案吗?

  欧洲空间局的普朗克(Planck)卫星任务从2009年到2013年环绕地球运行,帮助宇宙学家更准确理解了宇宙的本质及其起源。伦敦帝国理工学院的天体物理学家戴夫·克莱门茨表示,该任务生成的宇宙微波背景详细地图显示,我们的宇宙,即使有可能从一个前身发展而来,也不太可能在未来再次收缩。

  普朗克任务不能完全排除宇宙大反弹的概念,但考虑到目前的宇宙学参数值,我们的宇宙不会再次收缩,目前正在加速宇宙膨胀的暗能量成分必须改变,才能逆转这种膨胀并引发大收缩。

  利用普朗克空间望远镜的数据,科学家们得以微调他们对宇宙年龄的估计,以及宇宙中可见物质、暗物质和暗能量的比例。克莱门茨表示,这次任务其实并没有带来任何惊喜,而且基本上证实了现有的理论。普朗克任务的研究结果也提出了一些新的问题。例如,对于描述宇宙膨胀速率的哈勃常数,普朗克卫星在遥远宇宙中测量到的值与哈勃太空望远镜在近宇宙中测量到的值略有不同。

  所有这些信息都有助于宇宙学家更好地模拟宇宙的演化,并更接近于回答有关万物起源的重大问题。欧洲空间局即将进行的欧几里得(Euclid)卫星任务预计将于2023年发射,将在这一方向上迈出重要的一步。

  接下来是什么?

  欧几里得任务将观察星系团和星系如何在大尺度上分散于宇宙中,从而帮助天文学家更好地理解暗能量的影响。它还将研究天文学家所谓的弱引力透镜效应,即由超大质量物体的引力牵拉引起的光扭曲现象。由于宇宙中超过80%的物质是不可见的,引力透镜效应的强度可以给天文学家提供暗物质分布的线索。欧几里得卫星能够做的就是在更大的尺度上展开测量,可能包括银河系外近一半或更多的天空。

  破解这个宇宙谜题的更多线索可能来自对引力波的研究。引力波是超大质量物体(如黑洞和中子星)碰撞时产生的时空涟漪。

  暴胀时期一定会产生引力波,这是宇宙存在之初一段快速膨胀的时期。因此,探测这些早期的引力波并破译它们的特征,可能会为我们了解宇宙的诞生提供前所未有的洞见。

  这将告诉我们一些推动宇宙早期快速膨胀的物理过程,我们也能回到宇宙最早期的阶段。如果我们能更好地理解暴胀,就有希望了解大爆炸是否的确是一个单独的事件,抑或宇宙反弹的观点才是正确的。(任天)

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