每次读到“宇宙诞生于138亿年前”,总有人会问:那在这之前呢?139亿年前的宇宙又是什么样子?难道时间是从某个“开关”被按下之后 ,才开始流动的吗?这个看似简单的问题,却直接捅到了现代物理学的天花板,因为我们熟悉的“过去、现在、未来”,或许根本不存在于所谓的“宇宙诞生之前”。
举个例子,假如我问你“中国的北边是什么?”,你应该会回答蒙古或者俄罗斯。但如果我问“地球的北边是什么”,问题就失效了,因为地球的表面是一个闭合球体,北极点之外再无北。同样的,时间可能并非是一条无限延伸的直线。根据大爆炸理论,宇宙的膨胀不仅是空间的扩张,更是时间本身的诞生。
既然如此,宇宙的年龄又是怎么算出来的?这其实是根据大爆炸理论所推算出的结果。1929年,天文学家哈勃通过观察宇宙,首次发现了星系的红移现象:那些距离我们遥远的星系,正在远离我们,而且距离我们越远,远离的速度也越快。
于是得出一个结论:星系的退行速度和距离成正比,这就是哈勃定律。这一发现表明宇宙是不断膨胀的,而哈勃常数就是反映了宇宙膨胀速率的一个参数,从理论上说,把哈勃常数精确的算出来,就能得到宇宙的年龄。
于是,科学家们利用造父变星、la型超新星这类本身亮度稳定并且已知的天体,通过测量它们的亮度测算出距离,再结合这些天体的退行速度最终得到宇宙的年龄大约是138亿年。
既然宇宙在不断膨胀,那么时间一直往前倒退,宇宙就应该诞生于一个点,一个温度极高、密度极大的奇点,然后因为某种原因突然开始膨胀,并在膨胀的过程中慢慢降温,同时物质、星系、恒星渐渐出现,这就是目前关于宇宙起源,最主流的假说:大爆炸理论。
我们知道,像物理化学生物这些学科,它们的理论靠不靠谱,做个实验就能轻松验证,那么天文学的理论又该怎么去验证?提出这套理论的科学家们,其实给出了两个非常充分的证据,一个是宇宙微波背景辐射,另一个则是氦元素丰度,具体内容这里就不再赘述,之后再慢慢讲。
除此之外,还可能计算古老恒星的年龄来验证,毕竟宇宙的年龄一定是会大于任何恒星的年龄的,最终发现那些恒星的年龄也都在110-130亿年,也算是间接验证了大爆炸理论,正是有了这些符合实际观测的证据,才使得宇宙大爆炸模型成为了主流理论。
至于138亿年前到底发生了什么,虽然目前没有明确的答案,但存在几种主流观点。
- 量子涨落
根据量子力学这一理论,量子世界中存在不确定性。量子涨落通俗来说就是,真空中可以随机产生虚粒子对,它们也能在非常短的时间内湮灭。很多科学家据此大胆猜测了宇宙的起源。
他们认为,在宇宙诞生前,量子涨落可能使能量和物质从无到有,比如在暴胀理论中,早期的宇宙经历了快速暴涨的阶段,量子涨落为暴涨提供了种子,在暴涨的过程中,这些种子不断被放大,直到最后演化出恒星、星系等天体结构。
- 循环宇宙模型
这个观点认为,宇宙一直在不断地膨胀、收缩,反复重复这个过程。当宇宙在某一天停止膨胀的时候,由于引力是一种长程力,在引力的作用下宇宙开始慢慢收缩,直到收缩到”奇点“状态,宇宙大爆炸就会再次发生。根据这个观点,在139亿年前,就是上个刚收缩完的宇宙。
- 多元宇宙假说
这个观点认为,我们的宇宙只是众多宇宙中的一个,就像地球只是太阳系中的一个星球一样。泡沫宇宙假说就曾提出,宇宙就像一个又一个的泡泡,不同的泡泡宇宙各不相同,如果它们发生撞击,就会产生一次”宇宙大爆炸“,从而产生一个新的宇宙。但是,这种说法目前也只停留在理论猜想阶段,毕竟我们也没看到过有其它宇宙的存在。
回顾天文学发展这几百年,其实非常艰难,因为仅仅在地球上仰望星空,能获取到的信息量非常少,天文学家只能基于现有的观测,去构建一个模型框架,然后在不断检验和预测中,对模型进行迭代完善,因此即使是大爆炸理论也有它无法解释的东西,期待科学家未来继续完善它。
热门跟贴