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宇宙是如何开始的?

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发表于 2020-9-5 15:31:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

根据大爆炸理论,宇宙始于一个皱巴巴的单点。

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在20世纪20年代之前,“宇宙起源”不存在于在我们对宇宙理解的字典中。那时候天文学家认为宇宙是永恒不变的,我们只知道一个星系和几百万颗可见的恒星,而这也是我们可观测宇宙的范围。

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后来,天文学家埃德温·哈勃观察到,由于红移,遥远的星系彼此加速远离,并制定了哈勃定律来解释宇宙的均匀膨胀。红移只是指一个遥远的天体在多普勒效应的作用下,向更长的、或更红的波长移动。

与此同时,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦刚刚提出广义相对论,该理论提供了一个由引力塑造的有限且同质的宇宙模型。这些努力为未来几十年的一系列新发现和新理论奠定了基础。

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我们对宇宙的现代科学理解是一副贯穿时间的路线图。这幅地图以哈勃和爱因斯坦为开端,并得到了诸如大量的轻元素和宇宙微波背景辐射等发现的证实,它指向137亿年前大爆炸事件。

在宇宙形成初期,没有时间和空间。只有一个单一的热的、凝聚的点——一个奇点——包含了宇宙中所有的物质。此外,四种基本力(万有引力、电磁力、强力和弱力)被统一为一种力。这个统一的周期,称为普朗克期,持续10-43秒。然后宇宙以比光速还快的速度膨胀,从亚原子到高尔夫球的大小几乎是一瞬间的事情。科学家称这为宇宙膨胀时期。

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宇宙在超热的亚原子粒子的洪流中向外膨胀。大爆炸三秒后,空间冷却到足以让这些粒子形成元素。大约3亿年后,恒星和星系也形成了。(有关这些开始步骤的更详细信息,请阅读《生活大爆炸》。

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大爆炸理论为宇宙的起源提供了最好的模型,但它不是唯一的理论。例如,稳态理论模拟了一个密度一致的宇宙,由于不断产生新物质,这个密度似乎在膨胀。然而,1965年宇宙微波背景的发现则进一步削弱了后者的正确性,因为本质上宇宙微波背景辐射是早期宇宙膨胀的辐射特征。

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图解:以角尺度展现的宇宙微波背景辐射温度各向异性的能谱(多极矩)。显示的数据来自WMAP(2006)、Acbar(2004)Boomerang(2005)、CBI(2004),和VSA(2004)仪器。另显示理论模型(实线)。

火成模型表明,宇宙的形成是由于两个独立的宇宙在第四维度的碰撞。大反弹理论表明,我们的宇宙陷入了一个由大爆炸和大爆炸组成的永恒循环。

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图解:本图并列了研究本现象不同时期的设备与成果。由上往下依序是彭齐亚斯和威尔逊时期,COBE时期、WMAP时期和COBRAS/SAMBA时期。

你可以把这些理论和模型看作是对宇宙未知秘密的猜测。我们可以确定我们在宇宙中的确切位置和地位,所以它们当中的部分理论可提供足够充分的观测方向来观察宇宙。

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图解:由FIRAS仪器对COBE观测的宇宙微波背景辐射光谱,为最精确测量的黑体辐射光谱性质,即使将图像放大,误差范围也极小,无法由理论曲线中分辨观测数据。

宇宙微波背景(CMB, CMBR),在大爆炸宇宙学中,是宇宙早期残余的电磁辐射,也称为“残留辐射”。背景辐射是微弱的宇宙背景辐射,充满了宇宙空间。因为它是宇宙中最古老的电磁辐射,可以追溯到宇宙重组时代,所以它是早期宇宙的重要数据来源。使用传统的光学望远镜,恒星和星系之间的空间(背景)是完全黑暗的。

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图解:根据WMAP对宇宙微波背景辐射的观测所绘制的图像。

然而,一个足够灵敏的射电望远镜会显示出一种微弱的背景噪声,或几乎各向同性的辉光,它与任何恒星、星系或其他物体都没有关系。这种辉光在无线电频谱的微波区域最强。1964年,美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,这一意外发现是20世纪40年代开始的工作的顶峰,并为这两位发现者赢得了1978年的诺贝尔物理学奖。

作者: ROBERT LAMB

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