奇蹟!大爆炸宇宙的追溯

“大爆炸宇宙論”(The Big Bang Theory)是現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裡,宇宙體系在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,如同一次規模巨大的爆炸。

奇蹟!大爆炸宇宙的追溯

現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裡,宇宙體系在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,如同一次規模巨大的爆炸。該理論的創始人之一是伽莫夫。1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論,認為宇宙由大約140億年前發生的一次大爆炸形成。上世紀末,對Ia超新星的觀測顯示,宇宙正在加速膨脹,因為宇宙可能大部分由暗能量組成。

1948年前後,伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是習見於地球上發生在一個確定的點,然後向四周的空氣傳播開去的那種爆炸,而是一種在各處同時發生,從一開始就充滿整個空間的那種爆炸,爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙,或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。

根據大爆炸宇宙論,早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體,溫度極高,密度極大,且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標誌,因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低,使得原子核、原子乃至恆星系統得以相繼出現。

奇蹟!大爆炸宇宙的追溯

膨脹空間的基本概念可通過一項簡單的模擬來加以理解。想象在一條鬆緊帶上縫有一排紐扣。假定從鬆緊帶的兩端把它拉長,結果所有的紐扣都彼此遠離。不論我們選擇從哪個紐扣來看,它鄰側的紐扣似乎都在遠離,而且這種膨脹是處處相同的,不存在特殊的中心。當然,我們在畫這排紐扣時,它有一箇中心紐扣,但這與系統的膨脹方式毫不相干。只要把這條帶紐扣的鬆緊帶無限加長,或環成一個圓圈,這個中心便不再存在了。

從任意一個紐扣來看,離它最近的[url紐扣以某種速度退行,再下一個紐扣則以兩倍數度退行,依此類推。在你看來,紐扣離得越遠,它退行得越快。因此這種膨脹意味著退行速度與距離成正比-這是一個極為重要的關係。藉助這個圖像,我們就可想象出光波是,難怪哈勃發現,紅移量與距離成正比,同這個簡單的圖像模擬結果完全一致。

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大爆炸時空的一個重要特點就是視界的存在:由於宇宙具有有限的年齡,並且光具有有限的速度,從而可能存在某些過去的事件無法通過光向我們傳遞信息。從這一分析可知,存在這樣一個極限或稱為過去視界,只有在這個極限距離以內的事件才有可能被觀測到。另一方面,由於空間在不斷膨脹,並且越遙遠的物體退行速度越大,從而導致從我們這裡發出的光有可能永遠也無法到達那裡。從這一分析可知,存在這樣一個極限或稱為未來視界,只有在這個極限距離以內的事件才有可能被我們所影響。以上兩種視界的存在與否取決於描述我們宇宙的FLRW模型的具體形式:我們現有對極早期宇宙的認知意味著宇宙應當存在一個過去視界,不過在實驗中我們的觀測仍然被早期宇宙對電磁波的不透明性所限制,這導致我們在過去視界因空間膨脹而退行的情形下依然無法通過電磁波觀測到更久遠的事件。另一方面,假如宇宙的膨脹一直加速下去,宇宙也會存在一個未來視界。


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