為什么相信?這個世界有許多事,不管你相不相信,它都在那里。
大爆炸宇宙模型已經(jīng)早就成為了科學界公認的標準宇宙模型,物理學家、天文學家們都相信,但有些人就是不相信,不相信還不要緊,還要貶損一番。
是不是這些人有新鮮的理論替代它呢?還是發(fā)現(xiàn)了這個理論的重大bug,有反證能夠證偽它呢?
no,沒有。
這些大仙們就是憑著自己吃飯拉屎的一些生活常識,既不看理論本身,也不看證據(jù),甚至看到了理論和證據(jù)還是一概反對貶損,好像不大言不慚的顯示一下無知就不舒服。
時空通訊并不敢保證大爆炸宇宙論就是百分之百的正確,也不敢保證這個理論很完美,而且今后不被推翻,我只是相信科學發(fā)現(xiàn)和研究,相信觀測事實,現(xiàn)階段就說現(xiàn)階段的話。
大爆炸宇宙模型是迄今為止唯一與各種觀測發(fā)現(xiàn)相吻合,最符合邏輯判斷的宇宙誕生演化學說,而且得到越來越多的證據(jù)支撐。
現(xiàn)在的天文學家們對宇宙觀測研究,每一個新發(fā)現(xiàn),幾乎都能夠從大爆炸宇宙模型中得到解釋,符合宇宙演化預期,沒有第二個宇宙成因理論能夠與之相提并論。
愛因斯坦的廣義相對論可以說是大爆炸宇宙論的理論基礎,特別是愛因斯坦場論,科學的解釋了宇宙中的許多現(xiàn)象和演化過程,根據(jù)場論得到的許多解都一一得到了證實。
如黑洞、引力波、引力透鏡、微波背景輻射、星系恒星的演化規(guī)律等等,都已經(jīng)被觀測所證實,既印證了愛因斯坦相對論的正確,也符合大爆炸宇宙論的的預期。
按照基本的邏輯判斷,不相信這個理論還能相信什么呢?這難道不是一個稍有科學素養(yǎng)的正常人最基本的認知嗎?
大爆炸宇宙論的興起。從上世紀初,美國著名天文學家愛德文·鮑威爾·哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹規(guī)律以來,愛因斯坦等現(xiàn)代物理學家、天文學家們就拋棄了靜態(tài)宇宙模型,認識到宇宙是動態(tài)的、有始有終的。
因為物理學家、天文學家是講科學講證據(jù)的,如果也罔顧事實睜開眼睛說瞎話,研究就無法進行下去,就會鉆入死胡同。
愛因斯坦的廣義相對論最開始的引力場方程就很難自圓其說,因為他開始崇信的是靜態(tài)宇宙論,這種認識統(tǒng)治了科學界幾百年,認為宇宙從來就如此,無邊無際,無始無終。
愛因斯坦也脫不了這個窠臼。
可他的引力場方程無論如何也得不出宇宙是一個靜態(tài)的結果,根據(jù)他的引力場公式Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv,必然推導出一個從未停止變化的動態(tài)宇宙。
為了能夠讓這個公式與靜態(tài)宇宙自洽,他不得不在這個公式中加一個“宇宙常數(shù)”,以維持靜態(tài)宇宙的結果,這個公式就變成:∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv,其中的“∧”為宇宙常數(shù)。
聽說哈勃發(fā)現(xiàn)了星系紅移,愛因斯坦立刻趕到哈勃工作的威爾遜天文臺驗證,親自觀測了紅移現(xiàn)象,證實后立刻公開承認自己的錯誤,去掉了場方程中畫蛇添足的宇宙常數(shù),確定了今天大家熟知的愛因斯坦場方程:
Gμv=Rμv-(1/2)Rgμv=(8πG/c^4)Tμv
在這里,我們簡單了解一下何謂“紅移”。所謂“紅移”是光的一種多普勒效應,多普勒效應開始是用在聲音傳播上。
發(fā)現(xiàn)這個效應的是一位叫克里斯琴·多普勒·約翰的奧地利數(shù)學家、物理學家。
其實這種效應在我們的生活中都能感受到,當一輛救護車從遠處向你開來時,我們聽到的警笛聲會高昂激越,當經(jīng)過你身邊遠去時,警笛聲就會變得低沉舒緩。
但平常人聽到看到的東西并不會深入思考,科學家就不一樣。1942年某一天,多普勒經(jīng)過鐵路交叉處,恰逢一列火車從他身旁駛過,感受到了這種音調(diào)的變化,敏感的認識到其中一定有某種奧秘,從而開始了這項研究。
他發(fā)現(xiàn)這種變化與觀測者和聲源移動速度、聲速比值有關,比值越大,改變就越顯著。這種改變是聲源靠近時,波長會縮短,頻率會提高;聲源遠離時,聲波會加長,頻率會減慢。
后來人們把它稱為“多普勒效應”。
計算多普勒效應的公式為:
f=(u+v)/λ(聲源靠近)或f=(u-v)/λ(聲源遠離)
式中,f為接收到的頻率(Hz),u為波速(m),v為觀察者或波源移動速度(m),λ為原有波源波長。
后來人們發(fā)現(xiàn)各種波都具有多普勒效應,電磁波也不例外。
電磁波有波長和頻率,波長越長頻率越低,能量就越低;反之,波長越短,頻率越高,能量越高。
可見光也是一種電磁波,是電磁波譜里面處于0.38~0.76um波長的電磁波,因此也有多普勒效應。
光的多普勒效應就是藍移和紅移??梢姽獠⒉皇俏覀兛吹降陌最伾?,是由七種顏色光譜組成,即紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。這七種顏色,紅光波長最長,為0.64~0.76um,紫光波長最短,為0.38~0.44um。
當這些顏色的光組合在一起時,我們看到的就是白光,成為復色光。而不同物體對不同波長的光吸收率不一樣,這樣我們就看到了一個五彩繽紛的世界。
復色光通過三棱鏡就會發(fā)生色散,解析出各種顏色的光譜。
人們發(fā)現(xiàn),當光源快速靠近觀測者時,光波會變短,頻率變高,表現(xiàn)光譜向藍端移動;反之,光源遠離觀測者時,光波變長,頻率變低,表現(xiàn)光譜向紅端移動。
這就是光譜藍移、光譜紅移的來源。
哈勃觀測到的現(xiàn)象是,不管從那個方向看,星光都呈現(xiàn)出紅移現(xiàn)象,說明我們四面八方遠處的星系都在急速遠離我們而去。
而且這種遠離的現(xiàn)象具有各向同性,速率呈現(xiàn)越遠越快,與距離成正比例關系。
這就說明宇宙一直在而且依然不停的膨脹,除此之外還有一個蘊含的意義,就是在早先的時刻,宇宙星系天體相互就更靠近一些,在更久遠的最早時期,宇宙天體就必定在同一個地方。
所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示了宇宙有一個大爆炸時刻,這個時刻起源于一個密度無限大,體積無限小的奇點。
也許有人會說,宇宙起源會不會是一個較大的球或者一個小宇宙呢?根據(jù)愛因斯坦場論,這是不可能的。因為當物體一旦縮小到自己的史瓦西半徑以內(nèi)時,就必然會塌縮成一個奇點。
這個問題時空通訊有過很多文章介紹,這里就不討論了。
整個宇宙都在膨脹,大爆炸宇宙論開始形成。哈勃的發(fā)現(xiàn)公布后,宇宙膨脹理論和大爆炸理論開始形成,漸漸成為了天文學的主流理論,大爆炸宇宙論成為科學界公認的主流標準理論。
哈勃通過對星系紅移現(xiàn)象的研究,發(fā)現(xiàn)河外星系視向退行速度約距離成正比,由此創(chuàng)建了哈勃定律。
哈勃定律又叫哈勃效應,其表達式為:v=Hd
式中,v為退行速度,單位:千米/秒(km/s);H為哈勃常數(shù),單位:千米/秒·百萬秒差距(km/s·Mpc);d為與觀測者距離,單位:百萬秒差距(Mpc)。
1個秒差距(pc)約3.26光年(ly),Mpc就是326萬ly。
所謂哈勃常數(shù)就是在距離我們326萬光年的地方,星系離開我們的速度。有了這個數(shù)據(jù),根據(jù)哈勃定律就可以計算出宇宙膨脹的速率。
十幾年來,科學家們一直想測得一個準確的哈勃常數(shù)。
國際上比較知名的探測數(shù)據(jù)有:
2006年馬歇爾太空飛行中心利用NASA錢德拉射線天文臺測算的數(shù)值為77 (km/s)/Mpc,±約15%;
2009年NASA根據(jù)遙遠星系la超新星測算的數(shù)值為74.2±3.6(km/s)/Mpc;
2013年歐洲航天局用普朗克衛(wèi)星測算的數(shù)值為67.80±0.77(km/s)/Mpc;
2019年德國科學家利用引力透鏡測算的數(shù)值為82.4(km/s)/Mpc。
這些探測計算數(shù)據(jù)各有千秋,但并不完全一致,甚至相差甚遠,說明一些理論或者觀測方法還有待商榷。
我們不厚此薄彼,取一個平均值,宇宙常數(shù)為75.1km/s/Mpc。
根據(jù)哈勃定律和得到的哈勃常數(shù),以及一些綜合的觀測數(shù)據(jù)測算,科學家認為宇宙誕生于130~140億年前,比較多認同的說法為138.2億年前,現(xiàn)在理論上可觀測宇宙半徑為465億光年。
根據(jù)哈勃定律,我們代入數(shù)據(jù),我們可以得出宇宙膨脹的速度為:
v=Hd=75.1x(46500000000ly/3260000ly)=75.1x13281=1072491km/s
也就是說,在可觀測宇宙最遠的邊際,星系離開我們的速度為107萬km/s,是光速的三倍多。
隨著探索發(fā)現(xiàn)的繼續(xù),大爆炸宇宙模型的證據(jù)越來越豐富。這些證據(jù)包括:
宇宙元素豐度符合預期。大爆炸宇宙模型,把138億年前大爆炸開始那一刻,從普朗克時間(10-^44s)開始,描述了宇宙演化的整個過程。
宇宙時空從大爆炸的純能量中出現(xiàn),然后出現(xiàn)了四種基本力,在極高溫度密度下,漸漸冷卻,一直到38萬年后才出現(xiàn)了中性原子,光才能夠脫耦而出。
宇宙最早只有氫元素和氦元素,還有極少的鋰元素等最輕的元素。隨著恒星生成,核聚變反應以及超新星大爆發(fā),重元素才逐漸出現(xiàn)并增多。
現(xiàn)在宇宙中的元素依然是以氫和氦元素為主,其他元素只占1%左右。這些元素豐度基本符合大爆炸宇宙模型預期。
宇宙微波背景輻射發(fā)現(xiàn)。1948年,大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫提出了宇宙熱大爆炸說,他認為我們現(xiàn)在還沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中,其溫度為6K。
1964年,兩位年輕工程師彭齊亞斯和威爾遜,在調(diào)試他們那怪異的大喇叭天線時,發(fā)現(xiàn)一種無法解釋的噪音,各向同性強度一樣。在他們鍥而不舍孜孜以求下,終于發(fā)現(xiàn)這就是伽莫夫預言的宇宙微波背景輻射,宇宙大爆炸時的余燼,進一步測量和計算,這種輻射溫度為2.7K。
這就是著名的3K宇宙微波背景輻射,是20世紀60年代天文學四大發(fā)現(xiàn)之一,是繼哈勃紅移發(fā)現(xiàn)后的又一大天文發(fā)現(xiàn),是大爆炸宇宙理論的又一個重大直接證據(jù)!
基于這個發(fā)現(xiàn),彭齊亞斯和威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學獎。給他們的頒獎詞指出:這一發(fā)現(xiàn),使我們能夠獲得很久以前宇宙創(chuàng)生時期所發(fā)生的宇宙過程的信息。
發(fā)現(xiàn)了原初引力波。原初引力波是愛因斯坦在1916年發(fā)表的廣義相對論中的一個預言,他認為宇宙誕生之初大爆炸會產(chǎn)生時空波動,隨著宇宙膨脹演化,這種波動會削弱,但這種創(chuàng)世紀大爆炸的余響今天依然存在。
100年來,科學家們一直力圖找到這種引力波,數(shù)十年過去了,都未能如愿。
宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)后,美國科學家們利用架在南極的BICEP2望遠鏡,觀測宇宙大爆炸這種余燼彌漫在宇宙空間的光子,計算表明原初引力波作用到這種光子會產(chǎn)生一種特殊偏振B模式,這種B模式將是原初引力波的“獨特印記”。
觀測到這種“印記”就意味著發(fā)現(xiàn)了原初引力波。
有了明確目標,研究人員終于在南極觀測到了這種引力波~比預想還要強烈的B模式偏振信號,經(jīng)過三年多的研究,排除了其他可能的干擾,于2014年3月17日宣布,首次發(fā)現(xiàn)了原初引力波存在的證據(jù)。
這個發(fā)現(xiàn)比2016年發(fā)現(xiàn)距離13億光年黑洞相撞形成的引力波要早好幾年。
原初引力波的發(fā)現(xiàn),是大爆炸宇宙論的有一個重量級證據(jù)。
可以說,大爆炸宇宙模型的證據(jù)越來越充分。自從哈勃發(fā)現(xiàn)了星系紅移,大爆炸宇宙論作為一個科學猜想提出,100年過去了。
證據(jù)越來越多的涌現(xiàn),幾乎沒有一個反證能夠證偽這個理論。
由此,時空通訊有什么理論不相信這個理論呢?
盡管這個理論還有許多需要彌補的證據(jù),還不算很完美,但已經(jīng)是天文學界唯一的最具有說服力的宇宙模型理論了,沒有之二。
那么,那些不相信這個理論的人們又是憑什么不相信呢?有沒有更好的宇宙誕生演化理論拿出來曬一曬呢?或者說,有沒有能夠證偽大爆炸宇宙論的證據(jù)和數(shù)理邏輯呢?
我是個只相信科學和證據(jù)的科普作者,從來不頑固的堅持某一個觀點,只要能夠拿出正當理由,我當然樂意改變觀點,學習和接受新的知識和理論。我把它當做人生一大樂事。
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