一直以来宇宙大爆炸理论都被广泛的认同,而近几个月来有科学家提出宇宙源自大反弹。这就好像在原本平静的水面上投下一个大石头。一时间两种学说的争论开始爆发了。对于这样的争论,外星探索的小编我更倾向于宇宙大爆炸理论,因为所有以前的文章和研究就是以宇宙大爆炸作为理论基础来写的,包括白矮星、中子星、黑洞的形成。
反弹宇宙学图像宇宙源自138亿年前的一次爆炸,而后立即经历了一场极度快速的膨胀——暴胀过程,随后逐渐膨胀至今。这一直是用来解释宇宙形成的主流科学理论。
然而今年上半年,《科学美国人》杂志搞了点事情。来自普林斯顿大学和哈佛大学的科学家撰文表示,宇宙源自一次大反弹而非大爆炸,暴胀理论无法令人满意。此举无疑在学界扔下了一枚重型炸弹。包括4位诺贝尔奖得主在内的33位科学家立即联合签署了一封公开信,对其进行驳斥。
宇宙到底源自大反弹还是大爆炸?这场争论的双方都是知名科学家。对于看热闹的公众来说,选择“站队”之前,不妨先了解两种宇宙形成理论都讨论了什么。
窥视婴儿期的宇宙
宇宙微波背景辐射的发现,为热大爆炸宇宙学提供了关键的证据。而在微波背景辐射谱上极为微小的起伏,让人们有机会了解宇宙婴儿时期的样貌。
在现代宇宙学的发展历程中,宇宙微波背景辐射(CMB)的故事绝对是场重头戏。早在20世纪40年代,天文学家伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙学说。该学说预言:宇宙存在一个背景温度,它便是由CMB——来自宇宙婴儿期的光线带来的。
到了20世纪60年代,美国贝尔实验室的两位工程师利用无线电波天线探测到了这个稳定而又均匀的微波背景信号。这一发现在天文学史上留下了浓重的一笔,因为它为热大爆炸宇宙学说提供了最关键的证据。不过当时,人们认为CMB在各个位置、各个方向上都是完全相同的,婴儿期的宇宙均匀得毫无特征。
第一次真正揭开CMB神秘面纱的,当数美国宇航局于1989年发射的宇宙背景探测者(COBE)卫星。这枚卫星不仅精确测量了CMB黑体辐射谱从而验证了热大爆炸学说,而且在背景温度为2.73开氏度的黑体谱上发现了涨落幅度大约为10-5开氏度的温度涨落,进一步扩展了人类认知宇宙的视野。
如果说原初核合成与2.73开氏度的CMB黑体谱一并证实了宇宙在童年时期的成长历程,那么CMB谱上这些微小的各向异性温度涨落则为认知宇宙在原初婴儿时代的样貌提供了一扇窗口。
在之后的二十多年间,美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星和欧洲空间局的普朗克(Planck)卫星相继发射升空。它们不仅使得CMB天图的分辨率有了巨大提高,还让人类能够接近大爆炸奇点这个物理理论的“禁区”。
在顺利通过诸多高精度天文实验的检验后,热大爆炸学说晋级为现代宇宙学的标准理论模型。它描述的基本图像为:大约138亿年前,我们的宇宙创生于一个时空奇点的大爆炸。在漫长岁月的洗礼下,它从极高温的混沌状态开始演变,逐渐形成基本粒子、核子,然后经过原初核合成产生氢和氦的原子核。之后约38万年,宇宙中形成稳定的中性氢原子与早期CMB。接着在原初密度涨落的影响下,又逐渐形成由宏观物质构建起来的大尺度结构雏形。到了宇宙4亿岁时,第一代恒星终于形成,而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。从那以后,由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成。最终,我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。
宇宙需要一个奇点吗
在包含暴胀过程的热大爆炸宇宙学中,密度极大、温度极高的奇点不可避免。而反弹宇宙图像中,宇宙先是收缩,然后反弹进入热大爆炸膨胀阶段,避免了让科学家头皮发麻的奇点问题。
宇宙的故事并非看起来这么简洁明了,当反演宇宙演化到刚刚呱呱坠地的婴儿时期,热大爆炸学说本身就面临着初始条件选取的困难。比如说,是什么导致了今天的宇宙在大尺度上均匀各向同性,而又具有各种星系、星系团等结构?故事的开端——大爆炸奇点真的存在吗?那一刻宇宙发生了什么?人类在与热大爆炸学说如此匹配的CMB黑体谱上发现了微小的各向异性温度涨落,又意味着什么?
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