宇宙真的從一個“奇點”開始?科學家:宇宙暴脹在先,沒有奇點!
138億年前,我們的宇宙出現在一個“
奇點
”——
一個無限密集、熾熱且極其微小的點
。在一聲巨響後,宇宙開始了。
這就是“宇宙大爆炸”理論,大部分宇宙學家和理論物理學家都贊同這一理論,因此也成了宇宙起源和演化的最被接受的宇宙學模型。而且有充分的證據表明,宇宙確實經歷了早期的快速膨脹——在萬億分之一秒內,宇宙膨脹了10^78倍。即使是現在,宇宙仍在以不斷加速的速度膨脹。
然而,
宇宙真的是從一個奇點開始的嗎?
當科學家逆向推理時,發現我們有一個不同的狀態:宇宙膨脹先於並建立了大爆炸的早期、熾熱而密集的狀態。簡單來說,大爆炸不再是宇宙的開始。
宇宙大爆炸理論的一些證據!
大爆炸理論成為解釋宇宙起源和演化的主流理論,有很多證據。
首先是哈勃–勒梅特定律,大爆炸本質上是空間本身的膨脹,它確實釋放了大量的物質和輻射,接著產生了亞原子粒子和原子。最後引力最終將它們拉在一起,形成了數百萬年的恆星和星系。同時定律指出,星系正以與其距離成正比的速度遠離地球。而一個星系越遠,它的光越
紅移
,它的移動速度就越快。
其次就是
宇宙微波背景輻射(CMBR)
。在1965年,貝爾電話實驗室的兩名科學家阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)建造無線電接收器時發現存在一些他們無法消除的訊號。無論他們將接收器指向哪裡,它都會出現,似乎訊號從四面八方傳來。最終,他們意識到這個訊號是宇宙的背景輻射,因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。
其他證據是,宇宙中氦、氫、氘、氚、鋰和其他微量元素的含量正是理論上認為的:如果發生大爆炸,宇宙中的氦含量約為25%。事實上,氦佔太空中原子的25%。
根據模擬,星系的形成和演化也可以被認為是大爆炸理論的證據,主要是因為它們將自己組織成大型結構的方式,例如星團和超星系團。還有其他證據,但對空間紅移、CMBR、大量輕元素和星系演化的觀察被科學家稱為“大爆炸的四大支柱”。
大爆炸的時間表!
使用大爆炸理論,宇宙可以分為幾個發展階段。
首先,有一個初始奇點,宇宙的所有能量和時空都被“困”在一個極其密集、熾熱的斑點中。此時,理論上宇宙僅跨越10^-35米,溫度超過10^32°C(普朗克溫度)。量子漲落導致了一段超熱的宇宙膨脹,被認為是宇宙超快速指數膨脹的開始。
宇宙膨脹也建立了宇宙的初始屬性。正是在這些階段,夸克結合形成強子、電子和質子碰撞形成中子和中微子,中子和中微子重新形成新的質子-電子對等。
隨著宇宙進一步冷卻,質子和中子被束縛在氫、氦和鋰等元素的輕原子核中。這被稱為大爆炸核合成(BBN),它發生在大爆炸後大約10秒到20分鐘之間。CMBR的中性原子和光子起源較晚,在一個名為“重組”的時期。
大約20分鐘後,宇宙的溫度和密度已經下降到核聚變無法繼續的地步。
隨著宇宙的溫度和密度繼續下降,電離的氫和氦原子捕獲電子形成中性原子。隨著電子與原子結合,宇宙最終變得對光透明。同時,光子從與電子和質子的相互作用中釋放出來,可以自由移動。我們可以在CMBR中檢測到的正是這些光子。
接著到了一個通常被稱為“黑暗時代”的時期,因為此時第一個原子已經形成,但它們還沒有合併成恆星。儘管存在光子,但沒有恆星可以發出可見光。直到大爆炸後大約4億年,第一顆恆星形成為止,它一直保持這種狀態,這一時期也稱為再電離。
此時,較稠密的氣體區域在自身引力的作用下坍塌,變得稠密和熱到足以引發氫原子之間的核聚變反應,形成恆星和星系。
這種恆星形成發出的紫外線使周圍的中性氫氣重新電離,使宇宙對紫外線變
得透明。
較大的恆星是短暫的,隨著時間的推移,較小的恆星會形成,而更大體積的物質會坍縮形成星系、星團和超星系團。
然後到了現在,宇宙加速膨脹,這是一個宇宙加速期 ,更遠的星系正在以更快的速度後退。
根據一些計算,我們在大約50億年前就進入了這個時期。
宇宙暴脹在先,大爆炸在後?
我們當下“可觀測的宇宙”是冷的、擴散的和膨脹的,而在數十億年前,可觀察到的宇宙更年輕、更密集、更熱。如果我們可以將大爆炸追溯到大約 138 億年前,一直追溯到宇宙不到 1 秒的時候,我們會發現什麼呢?
這時我們會發現一個問題,如果宇宙是從一個奇點開始的,那麼它一定是在其中的“物質”,物質和能量的結合精確到平衡膨脹率的情況下出現。假如物質再多一點點,初始膨脹的宇宙現在已經重新坍縮;而假如物質稍微少一點,膨脹速度太快,以至於宇宙會變得更大。但科學家觀察到的是,
宇宙的初始膨脹率以及其中的物質和能量總量達到了“完美平衡”。
如果大爆炸是從一個奇點開始的,並且宇宙在過去達到了任意高溫,那麼我們今天可以觀察到許多明確的跡象。
大爆炸的餘輝中會有溫度波動,其幅度會非常大,我們看到的波動會受到光速的限制。
同樣,一個達到
任意高溫的宇宙預計會擁有剩餘的高能遺蹟,如
磁單極子
,但我們沒有觀察到任何遺蹟。
因此有人提出了“
暴脹理論
”。
根據
暴
脹理論,宇宙是在一種不穩定的能量狀態下產生的,這迫使宇宙在其早期迅速膨脹。
在大爆炸初期,
宇宙經歷了一次非常迅速的膨脹,約從10^33秒開始,宇宙膨脹了10^26倍,相當於從一個原子狀態膨脹到一個星系的規模
。
相比大爆炸理論,暴脹理論解釋了天文觀測中發現的一些令人費解的特徵,其中包括宇宙在大尺度上奇特的幾何平坦度、宇宙遙遠角落之間的明顯聯絡以及絕對缺乏奇異的單極子等問題。換句話來說,大爆炸理論能解釋和不能解釋的問題,暴脹理論都能解釋。
這樣就會出現一個有意思的事情,如果根據暴脹理論往回推理,空間也只會接近無限小的尺寸和無限的溫度和密度;它永遠不會到達它。這意味著,暴脹不是不可避免地導致奇點,而是絕對不能達到奇點。
結語:
事實上,宇宙在暴脹之前是什麼樣,這是科學家無力解釋的謎。而
宇宙在暴脹之後才是一切的開始,才是我們所謂的“大爆炸”
。但如果從那一刻再往前推理,就只能透過廣義相對論,從數學上推出一個“奇點”——源於使用愛因斯坦的引力方程,沒有任何物理意義。我們只需知道一點,宇宙是不斷膨脹的。