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你一定误解了大爆炸,这是5个常见误区

时间: 2021年04月19日 | 作者: Elise Kjørstad | 来源: Science Nordic
许多有关大爆炸理论的描述都描绘了一幅有误导性的图像。

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图片来源:Pixabay


来源 Science Nordic

撰文 Elise Kjørstad

翻译 武大可

编辑 戚译引


“整个宇宙被‘打包’成一个无限小的点,然后发生了爆炸,将组成如今宇宙的物质散播到空间中。”——天体物理学家会告诉你,这条陈述中的所有内容都错了。


“这完全不是我们认识大爆炸的正确方式,”挪威奥斯陆大学(University of Oslo,UiO)教授、宇宙学和天体粒子物理学者Torsten Bringmann说。UiO 的理论物理教授 Are Raklev 也注意到,许多有关大爆炸理论的描述都描绘了一幅有误导性的图像,与大爆炸理论所描述的不同。他们向我们澄清了一些最普遍的误解。


真实的大爆炸:热而致密


首先,“大爆炸”真正所指的是什么?


“大爆炸理论认为,大约在 140 亿年前,宇宙处于一个远比今天热且致密的状态,然后发生了大幅膨胀。这就是大爆炸理论,仅此而已。”Raklev 说。从那以后,空间继续膨胀,变得越来越冷。


基于大爆炸理论,科学家们更清晰地了解了宇宙历史,例如基本粒子何时形成,原子、恒星和星系何时形成。他们已经很好地了解了宇宙年龄约 10-32 秒时所发生的事情。也就是 0.0000000000000000000000000000000001 秒,天体物理学家 Jostein Riiser Kristansen 在一篇文章中写道。


现在来看误区。


误区 1: “这是场爆炸”


Are Raklev 表示,“大爆炸”这个说法让它听起来像是一场爆炸,但这并不是一个准确的描述。你会很快明白原因。


20 世纪 20 年代初,数学家 Alexander Friedmann 发现爱因斯坦的广义相对论提供了一个不断膨胀的宇宙。比利时神父 Georges Lemaître 也得到了相同的结论。


很快,Edwin Hubble 发现星系的确正在远离彼此。星系正在离我们而去。来自星系的光是红移的,这意味着波长变长,朝着光谱的红色端移动。不仅如此,星系的退行越来越快。


终有一天,几乎所有我们现在能通过望远镜观察到的星系都会离开我们的视野,最终所有的恒星都在夜空中“熄灭”,观察者将望向永恒黑暗的孤寂天空。幸运的是,这离我们还很远很远。


我们也可以反向来看这个故事。星系正在远离,意味着它们曾经靠得很近。“如果你把整个可观测宇宙倒放回去,一切都将出现在一个非常非常小的区域内,”Raklev 说。


那么我们就到了大爆炸的时间点。这时发生了什么?


很容易将大爆炸想像成一场爆炸,其中物质被抛出,如同一颗手雷爆炸后飞射的木块。“但在大爆炸中,扩散出去的并不是物质,”Raklev 说,“是宇宙本身在膨胀,时空本身在膨胀。”


一场物质向各个方向飞出的爆炸,并不是描述大爆炸的准确图景。


误区 2:“宇宙在更大的某物内膨胀”


其实并不是星系在互相远离,而是空间本身在膨胀。我们可以想象一个带有葡萄干的生面团,其中面代表空间,而葡萄干代表星系。随着面团膨胀,葡萄干自然会彼此离得更远,但它们并未在面团中移动。Bringmann 用气球的表面举例。在未充气的气球表面画上点,这些点之间的距离也会随着气球的膨胀而增大。


“与此同时,星系也在受万有引力的作用而发生移动——这是另一个效应,”Rakelv 说。


少数一些星系是蓝移的,这意味着它们正在向我们靠近。但只有我们附近的少数星系是如此。在较大的距离上,这种效应完全被哈勃定律所覆盖——星系离我们远去的速度与距离成正比。事实上,在相距极远的点之间,距离增长的速度甚至超过了光速。


面团只能在烤箱内的有限空间中膨胀。但宇宙呢?宇宙的“外面”是什么?


宇宙不是在什么东西内部膨胀。科学家不认同宇宙存在边界。我们所称为可观测宇宙的,像是一个直径 930 亿光年的气泡。其中看起来离我们越远的地方,我们所观测到的实际时间越早。而我们所能观测或测量的范围,不超过光从大爆炸时起向我们传播的距离。


也正是因为膨胀,可观测宇宙的大小才反直觉地超过了 140 亿光年(宇宙年龄约 140 亿年)。但科学家计算出这个范围以外的宇宙甚至更大,或许是无限的。


看起来宇宙应该是“平坦的。这意味着两条平行的光束会保持平行,永不相交。如果尝试去往宇宙的尽头,你永远也无法到达。宇宙是无穷的。


如果宇宙具有正曲率,则理论上可以是有限的。但这一情况类似于三维中的二维球面。如果试图到达球面的“边界”,无论从哪里出发,你都会最终回到起点。就像环游世界后回到了出发点。


无论哪种情况,宇宙都在膨胀,并且它不是在什么东西内部膨胀。不断变大的无限宇宙也仍然是无限的。一个“球形”的宇宙并没有边界。


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图片来源:Pixabay


误区 3:“大爆炸有一个中心”


如果我们把大爆炸想象成一场爆炸,很容易认为爆炸是由一个中心出发、向外发生的。这确实是一场爆炸的特征。


但大爆炸并非如此。几乎所有方向的全部星系都在远离我们,令人以为地球就是宇宙开始的中心。但这并不是事实。其他星系的观测者也会看到同样的现象,Bringmann 解释道。


宇宙中的所有部分都在同步膨胀。大爆炸并非在某个特定区域发生。“它发生在所有的地方。”Rakelv 说。


误区 4:“起初,整个宇宙都聚集在一个小小的点上”


在大爆炸开始时,整个可观测的宇宙的确是被聚集在很小的一块空间中的。但整个宇宙怎么可能既是无限的,同时又具有极小的确定尺度呢?


你可能会读到,宇宙最初小于一个原子大大小,后来小于一个足球的大小云云。但这样的类比给出了时空起初存在边界的错误暗示。


Raklev 说:“并没有什么能表明宇宙在大爆炸发生时不是无限的。当时的宇宙更小这一描述的意义是,当时一米的尺度通过宇宙膨胀,对应的是如今的数十亿光年。”


而当我们在特定场合下讨论宇宙的确切大小时,指的实际上是我们可观测的宇宙。“整个可观测的宇宙是来自于一个很小的区域,可以称其为一点。但是这一点旁边的点也同样在膨胀,再旁边的点也是如此。只是它们离得太远了,我们无法观测到。”Raklev 说。


误区 5:“宇宙无限小,高热而致密”


你或许听说过宇宙是从一个奇点开始的。或者说它是无穷小而高热的。这或许是对的,但很多物理学家不认为这是正确的理解方式。


根据宇宙学家 Steen H. Hanse 所说,奇点是一种对数学形式破坏的表达,不能够被一般的物理学所描述。


Bringmann 总结了大爆炸的意义:“今天的宇宙比昨天的要大一些,也比一百万年前的要大一些。大爆炸理论正是将这一过程沿着时间向回推演。而进行这样的推演需要的理论工具正是广义相对论。”


“如果沿着时间向回如此推演,宇宙会越来愈小,越来越致密,温度越来越高。最终达到一个极端小、极端热、极端致密的状态。这就是大爆炸理论:整个宇宙开始于这样的状态。而这一推演也只能到此为止。”Bringmann 说。


一直使用广义相对论向回推演,当体积变为零,理论上密度和温度都会到达无穷。“这只是纯粹的数学上的推论,超出了物理理论实际允许的范围,”Bringmann 说,“当到达能量密度和温度都如此之高的地步,我们所拥有的物理理论已经无法描述了。”


他说,物理学家需要不同的理论来描述这样的状态,也有一些人正从事这方面的研究。“我们需要什么来描述这样的极端条件呢?我们需要进入一个结合了引力和量子理论的领域。暂时没有人能整合这两种理论。量子引力理论恰恰被预期是无法给出所有东西回到同一点的结论的。”


所以至少到目前为止,宇宙历史的最早一点,仍对我们隐藏。


参考来源:

https://sciencenorway.no/astronomy-astrophysics-physics/five-myths-about-the-big-bang/1831951