宇宙起源于哪里?宇宙是怎么构成的

2019-05-15 16:00:52 来源:www.tansuoyuzhou.cn 作者:

   宇宙的起源一直是热门话题,那么宇宙的起源究竟是哪里呢?下面跟随小编一起来看科学家们的观点↓↓

 
  宇宙学原理
 
  如果我们从地球上望向宇宙的深处,我们常常会看到物质分布都是成团结构,卫星绕着行星转,行星绕着恒星转,星团和星系绕着质心在转。
 
  如果我们从更大尺度(10万光年)来看,比如:银河系大概有1500亿~4000亿颗恒星组成,它就是一个盘状结构的。
 
  如果,我们再拉到更大尺度(1亿光年以上,10^8光年)来看,物质分布不是成团的,众多的星系团均匀各向同性地分布在宇宙空间中。而且随着尺度越大,各向同性越明显。
 
  这么说,你可能没啥感觉,我们可以举一个树林的例子,你就明白了。如果你在森林里单独看一棵树或者几棵树,也就是在很小的范围里去看,他们都不太一样。
 
  但如果你把镜头拉得足够高,再去拍,你会发现,你根本无法区分这些树之间的区别。这是因为在更大的尺度上,整片森林都是均匀并且各向同性的,不那么精准的通俗理解就是:每个部分看起来都是一样的,像是均匀地分布着。
 
  所以,爱因斯坦根据观测事实,总结出了一条宇宙学原理:
 
  在宇宙观测尺度上,1亿光年以上(10^8光年以上),宇宙中地物质始终均匀各向同性的分布着,这就被称为宇宙学原理。
 
  如果非要用一句话来帮助我们理解这个原理的话,那就是地球其实在宇宙中一点都不特殊,只是普普通通的存在,适用于地球地定律也适用于宇宙,因为我们深处于整个宇宙当中。
 
  爱因斯坦的”有限无边静态宇宙“模型
 
  爱因斯坦在提出宇宙学原理时,他受到当时主流的科学观点的影响,认为宇宙是恒定不变的,不应该随着时间变化而变化,也就是说是静态的。翻译成人话就是,爱因斯坦相信宇宙是永恒不变。
 
  所以他希望能够从他的广义相对论场方程,求出一个静态宇宙模型。
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  可是,他发现他的广义相对论场方程得出的结果并非是静态的。为了得到他想要地结果,他在他的广义相对论场方程中添加了一个宇宙常数。
 
  有了这个宇宙常数,使得爱因斯坦最终得到了他想要的结果:有限无边的静态宇宙模型。
 
  宇宙大爆炸的来源
 
  话说爱因斯坦的相对论场方程是十个偏微分方程组成的方程,它其实特别复杂,很难进行求解,想得到结果就得先进行必要简化。
 
  当时有两个人都做出了类似得简化,他们做的简化就是假设:空间是各向同性得流体。这种简化也被称为度规。
 
  当时有个苏联科学家弗里德曼采用不含宇宙常数的爱因斯坦相对论场方程推导出了动态的膨胀的宇宙模型。
 
  后来,比利时有个叫勒梅特的神父得到了类似的膨胀或者脉动(像心脏一胀一缩)的宇宙模型。
 
  然后罗伯逊和沃尔克给出了度规的证明,于是这四人贡献的度规合称:FLRW度规。
 
  多说一句,其实这个FLRW度规告诉我们,宇宙在什么情况下是无限大的,什么情况下是有限大的,这个我们在之后会专门详细讲解。
 
  这里多说一句,所谓的“度规”可以理解成时空的形状以及度量这个形状所用的坐标系。
 
  举个例子,我们初中学的平面其实,可以理解成假设空间是二维平面,而坐标系可以是直角坐标。有了坐标系就可以量化计算。而空间的问题也是运用这个办法来解答的,这种方法也就叫做度规。
 
  我们说回到勒梅特,他其实是第一个提出宇宙爆炸和演化思想的人,他认为:
 
  宇宙最初处于有序性极高,也就是熵(混乱度)极小的状态。他管这个叫做“宇宙蛋”,然后“宇宙蛋”爆炸并不断膨胀,混乱度不断上增加,演化成我们今天的宇宙。
 
  我们在来仔细理解一下勒梅特的意思,爱因斯坦认为宇宙不会随着时间而发生变化,是静态的。而勒梅特认为,宇宙是随着时间在膨胀的,所以随着时间反推,最初的宇宙应该是一个很小的点。
 
  哈伯定律
 
  但是到目前为止,你会发现,这就只有理论,连个证据都没有,那谁会信呢?
 
  就在这时出现了一位喜欢仰望星空的小伙叫做哈勃。
 
  哈勃这位小伙子用大型望远镜夜观星象,他发现,
 
  星系的宇宙学红移与星系与地球的距离成正比。
 
  这也被称为:哈伯定律。
 
  翻译成人话就是:离地球远的天体,在正在远离地球,而且是越来越远。这正好和勒梅特的理论是相吻合的。
 
  更深入的研究发现,现在天体离我们越来越远不是他们自己跑路了,而是空间在变大,也就是说,无论你在哪里,在大尺度上,星系都在离你越来越远。
 
  我们日常生活中感觉不到膨胀,是因为尺度太小了,而且有引力作用。这种膨胀的效应要达到1亿光年以上的尺度才能够感受到。而哈勃的观测也成为了勒梅特等人的理论的第一个证据。
 
  火球模型
 
  而这些都是在1920s做的研究,当时的主流观点还是静态的宇宙模型。所以没人把他们的研究当回事。
 
  后来,弗里德曼有个学生叫做伽莫夫,他其实是很认可老师的观点。他通过研究核物理和量子力学的,提出了宇宙演化的火球模型。
 
  伽莫夫的火球模型大概是这样的:
 
  宇宙最初是一个原始核火球,在爆炸中膨胀开来,逐渐降温。核子和电子逐渐形成原子,分子。最初的元素以氢为主,在原始的高温中合成了一部分氦。
 
  以氢、氦为主体的气体物质在万有引力的作用下,逐渐凝聚成团,形成原始恒星。原始恒星的气态物质不断收缩,它们的万有引力势能转化为热能,使得恒星温度越来越高,从而点燃氢聚合成氦的热核聚变反应,形成发光的恒星,我们的太阳其实就这样一颗恒星。
 
  后来,有个叫做霍伊尔的科学家,他其实是支持静态的宇宙模型的。
 
  他在BBC电台做科普节目时,被问到当时科学界对于宇宙起源的说法,他使用了“big bang“这个词汇来形容,翻译过来也就是大爆炸。没想到大爆炸这个词汇一下子就成了家喻户晓的名词。所以,火球模型被更名为了大爆炸模型。
 
  稳恒态宇宙模型的破产
 
  曾经有个叫做史蒂芬霍金的小伙子,他特别崇拜霍伊尔,一直想要做霍伊尔的徒弟,可人家霍伊尔是当时科学界的大咖,根本没空理会史蒂芬霍金。这里多说一句,霍伊尔被认为是当时的天才科学家,他的成就有很多,尤其关于恒星内部的研究。
 
  只是霍伊尔没想到,史蒂芬霍金属于有仇必报的那种人。他花了很多时间去研究霍伊尔的稳恒态宇宙模型,结果他发现了其中有个很关键的计算错误。在一次霍伊尔的演讲当中,史蒂芬霍金当众指出了稳恒态宇宙的问题,并且还把这些研究写到自己的论文里。
 
  自此,稳恒态宇宙模型宣告破产。史蒂芬霍金真正诠释了什么叫做“今天你对我爱答不理,明天我让你高攀不起。”
 
  宇宙大爆炸“的两大预言
 
  但是,稳恒态宇宙模型的破产并不代表着大爆炸宇宙模型就会成功,想要成为主流,还是需要更多的依据和证据的。
 
  不过科学家开始关注起了伽莫夫的宇宙大爆炸模型,他们发现如果要证明宇宙大爆炸模型,至少需要找到两个证据:
 
  1,宇宙中的氦丰度
 
  2,宇宙微波背景辐射
 
  我先来具体说说氦丰度,说的其实就是宇宙中氦元素的含量。
 
  之前我们也提到过伽莫夫提出的模型,而这个模型当中有提到宇宙诞生之初,会产生氦元素,伽莫夫经过计算,预言了宇宙中的氦丰度,
 
  现在的宇宙中的元素应该有大概25%是氦元素。
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  通过科学家的观测和验证,发现实际和伽莫夫的预言是什么吻合的。
 
  说完宇宙中的氦丰度,我们再说说宇宙微波背景辐射,说白了就是宇宙诞生之初的“余热”,整个过程是这样的,伽莫夫提出,
 
  在宇宙大爆炸的之后,不断地膨胀会使得温度降低,但是在有限的时间内,温度不会降低为绝对零度。所以,他认为宇宙大爆炸的“余热”的温度应该约为5K。
 
  1964年,两位工程师彭齐亚斯和威尔逊为了研究如何更好地接收来自于宇宙的信号,意外发现在接收到的信号当中,有一些无论如何都无法消除地噪声,经过反复地检查和确认,最终在科学家们的帮助下,他们确认了这就是宇宙大爆炸的“余热”,它充斥着整个宇宙,实测温度是2.7K,这也被科学家们称为:宇宙微波背景辐射。
 
  而彭齐亚斯和威尔逊也因此拿到了1978年的诺贝尔物理学奖。
 
  宇宙大爆炸模型的未来
 
  宇宙中的氦丰度和宇宙微波背景辐射,以及哈勃定律成为了宇宙大爆炸模型的坚实证据。自此许多科学家纷纷投身于相关的研究。在科学史上,首次出现了粒子物理和广义相对论携手并进的局面。
 
  不过它也存在一些问题,比如,大爆炸后远小于1秒的极早期宇宙到底是咋回事,视界疑难,平坦性问题,重子不对称性问题,暗物质和暗能量问题等等。
 
  不过话说回来。宇宙大爆炸其实和进化论很像,它们都在随着科学家的观测一次次的“进化”和微调。比如,阿兰·古斯提出的大暴胀理论就很好地填补了宇宙大爆炸模型的不足。