讓我們更好地理解宇宙大爆炸_風聞

原創：牧夫天文

作者：Don Lincoln

翻譯：毛明遠

校對：牧夫天文校對組

後期：庫特莉亞芙卡，李子琦

責任編輯：毛明遠

幾十年來，科學界已普遍接受了宇宙大爆炸理論，但是仍然有很多未知、爭論、未經證實的細節。近期一篇論文有助於探討解決大爆炸理論中一直困擾我們的問題。

Credit: Getty

一直以來，人們不懈地努力去探索宇宙的起源，這可以追溯到我們祖先關於創世的各種猜測。近幾十年，科學家研究出“宇宙大爆炸”這一模型，它描述了約140億年前宇宙的起源和演化。在這一理論下，宇宙起初是無法置信的緻密和熾熱狀態，它持續膨脹、膨脹…科學界已普遍接受這一理論，我們可以看到各種版本的科普書籍關於宇宙大爆炸的描述，但其實仍然有很多未解之謎和困擾科學家的問題。著名的美國物理學家和科普作家唐·林肯(Don Lincoln)認為近期發表的一篇論文有助於我們解決一些困擾我們的問題。

宇宙演化史

Credit: NICOLE RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

引言

其實，“宇宙大爆炸”對於尋常百姓來説很難理解，它不同於我們生活經驗中的常規物體膨脹，即使對於天文愛好者來説，也會是個挑戰。比如，宇宙大爆炸並不是確切的“宇宙伊始”；目前的宇宙大爆炸理論並不能描述大爆炸前是怎樣的？是什麼導致了宇宙大爆炸。即使是學識豐富的宇宙學家也不能精確描述大爆炸時發生了什麼。“宇宙大爆炸”理論更多地是在描述“之後的事情”。

緣起

“宇宙大爆炸”理論可以追溯到1931年比利時牧師和宇宙學家喬治·勒梅特(Georges

Lemaître)，他提出了宇宙在膨脹，但無法解釋宇宙的均一性，科學界也並不把這一膨脹理論當回事。他的理論預測了我們可見宇宙的另一邊會是完全不同的，但觀測結果顯示了“均一性”。問題是宇宙膨脹下，很多地方的光線已無法到達我們，它們到底是什麼樣的我們已不得而知。

宇宙大爆炸有不同階段，科學家已推測出接近“伊始”的情況。

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直到1981年，物理學家阿蘭·古斯(Alan Guth)認為在瞬間宇宙暴脹的速度超過光速，這可以解釋均一性。古斯的膨脹理論被稱為“宇宙暴脹理論”。

在宇宙暴脹理論中，大爆炸的10^-36到10^-32秒內，一種特殊的能量場主導着宇宙，它被稱為“暴脹場”。它和引力場相反，導致了宇宙的加速膨脹，在這一時間內增大10^26倍，也就是我們的可見宇宙從不到一個原子大小增大到葡萄大小。

在這之後，這種加速膨脹作用停止了，宇宙雖然在繼續膨脹，但在引力作用下速率減慢，這就是“宇宙大爆炸理論”的初期。科學家將它分為三個時期，分別是：創造形成 、暴脹期和最終的宇宙大爆炸。

宇宙微波背景輻射可以幫助科學家驗證暴脹理論。

Credit: ESA AND PLANCK COLLABORATION

未解之謎

 目前已普遍接受了40年前提出的三階段理論，但疑問一直存在。比如，在暴脹時是低温狀態，也不存在粒子。而後的大爆炸中宇宙處於熾熱並充滿粒子的狀態，這些粒子又生成原子並構成常規物質。因此，需要解答如何從低温到熾熱，從空無到緻密。

近期發表的一篇論文提出一個很巧妙的觀點可能解決這一疑問。它提出：暴脹期間推動宇宙加速膨脹的能量轉化為熱能，雖然暴脹逐步停止，但孕育了後續熾熱的大爆炸物質生成階段。

雖然這僅僅是一個假説，但它確實巧妙地解釋了困惑人們多年的問題。論文同時強調了宇宙起源的複雜性，最終整個機制會遠超出我們想象的精巧！這就是宇宙的魅力！

『天文時刻』 牧夫出品

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歐空局火星快車號拍攝的火星地表

Credit: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)