探秘宇宙诞生那一刻,出现的那一道神秘光来自何处?

2018-05-03 10:50  来源:www.lieqie001.com  编辑:覃主编  已有()人围观
导读: 我们举头所见夜空中的繁星,一直都存在那里。孩提时所见到的星空,即使长大了再看,仍然没变。在人的一生中,所能看到的星星都没有改变。也就是因为这样,人们认为宇宙从远古时代便已存在,不管时间如何流逝,它都不会改变。 而科学家也同样抱持着这样的认知...

 探秘宇宙诞生那一刻,出现的那一道神秘光来自何处?

我们举头所见夜空中的繁星,一直都存在那里。孩提时所见到的星空,即使长大了再看,仍然没变。在人的一生中,所能看到的星星都没有改变。也就是因为这样,人们认为宇宙从远古时代便已存在,不管时间如何流逝,它都不会改变。  

而科学家也同样抱持着这样的认知。一直到公元1900年,科学家也认为“宇宙从亘古以前便已存在,而且不见丝毫改变”。他们认为即使星座位置有些微变化,但整个宇宙并不会有很大的变化。此外,当时的科学家还认为“宇宙是由我们所居住的银河系,及其周围广大没有边际、且空无一物的空间所构成”。银河系中的恒星也就是整个宇宙的恒星。  

1924年,哈勃经由观测得知:在银河系之外也有类似银河系的庞大恒星集团――星系存在。再者,哈勃也观测到:几乎所有星系都在朝逐渐远离银河系的方向运动。同时,星系远离的速率与星系到银河系的距离成正比,越远的星系退离的速率越快。这样的现象究竟意味着什么呢?  

倘若我们假设星系在远离银河系,也就是我们认为银河系位在宇宙的中心。但是因为也有人认为“宇宙中没有特别的场所”(这个观念称为“宇宙论原理”(cosmologicalprinciple),所以并不认为银河系是宇宙的中心。  

那么,如果假设不只是银河系,“不管从任何星系来看,其他的星系都是以与观测者的距离成正比的速率在远离中”的话,状况又是如何的呢?  

若要让这样的假设成立,那么整个宇宙的空间必须是膨胀的。就像是搀有葡萄干的面包膨胀时一样,不管从哪一颗葡萄干来看,其他的葡萄干看起来都好像远离了一般。此外,如果整体成相同比例膨胀的话,越是位在远处的葡萄干,在相同时间内所能移动的距离越远。也就是说,以与观测者的距离成正比的速率远离。我们可以想象宇宙也发生与此相同的事。  

1940年代后半,出生于俄罗斯的物理学家盖模(GeorgeGamow,1904~1968年)倡议新的宇宙图像,他认为“宇宙曾经是超高温、超高密度的”。盖模会这么推断,主要是根据存在于宇宙中的氢和氦的丰度。  

自然界从氢到铀共有92种元素,其明细(原子个数)为约有92.4%是氢(原子序1),约7.5%是氦(原子序2)。其他元素全部加总大约占0.1%。盖模认为“氢和氦太多了”。氦是在太阳等恒星中,因为氢发生“核融合反应”所产生的。但是,举例来说,若想要说明太阳中所含的氦量,光是核融合反应并不足够,必须考虑到在太阳形成以前,宇宙中便已存在大量的氦。这便是盖模所指出,也是他所认定的想法。  

“远古以前,整个宇宙充满了超高温、超高密度的状态的氢。在此时所发生的核融合反应合成出大量的氦”。如果不这么推论,便无法说明宇宙中大量的氢和氦是怎么来的。支持盖模这种想法的就是哈勃的观测结果。如果宇宙膨胀的话,就不难想像过去的宇宙远比现在的宇宙小很多,而且处于超高温、超高密度的状态了。盖模所设想的超高温、超高密度宇宙称为“大爆炸宇宙”。  

许多科学家接受了这样的想法。亦即,“宇宙随着时间的经过,会逐渐膨胀变大”的宇宙观成为科学家认定的主流。  

如果宇宙诚如盖模所说的,曾经是超高温的灼热状态,那么当时的宇宙应该是充满了“短波长的光”。这是因为物体所发射的光(电磁波)之波长与该物体的温度有关:高温物体多辐射出短波长的光;低温物体则多辐射出长波长的光。超高温宇宙中所充满的短波长光,其波长随着宇宙的膨胀而变长了。如果我们可以发现现在的宇宙中充满这些波长变长的光,那么就等于是找到了盖模假说的证据。  

1964年,美国的电波天文学家彭齐亚斯(ArnoAllanPenzias,1933年~)和威尔森(RobertWoodrowWilson,1936年~)发现随时都有来自宇宙各个方向的无线电波(波长远比可见光还要长很多的光)。这二人将该无线电波视为干扰天体观测的杂讯,想尽办法想要将之去除。  

辨识出杂讯之真正身分的是美国的宇宙论研究者狄基(RobertHenryDicke,1916~1997年)和皮布斯(PhilipJamesEdwinPeebles,1935年~)。1965年,狄基等人得到下列结论:“假设经过大爆炸之宇宙的光波波长变长的话,那么目前观测到的波长,将会与彭齐亚斯等人所观测到的杂讯波长差不多一致”。彭齐亚斯等人观测到的杂讯,意外地成为改写宇宙论的大发现。于是,盖模所倡议的大爆炸假说,也因为这项观测而取得强而有力的证据。  

彭齐亚斯等人的观测成为盖模预言之大爆炸强而有力的证据。但是,假设真有大爆炸的话,那么便会浮现一个疑问:“大爆炸以前,在该处是否发生什么事了?”如果将膨胀的宇宙往回追溯的话,我们可以想像它曾经是个所有物质都聚集在一处,像原子一般的东西。科学家中有人认为就好像植物是从种子发育成长一般,宇宙也是从这个像原子的东西发育而成的。  

然而,这个“宇宙种子”是从何诞生的呢?真的有宇宙种子吗?那宇宙种子的种子呢?结果,只要认为宇宙之始有个“种子”,那么问题就没完没了,只能围着这点打转,不能有所进展。  

那么,有关宇宙之始的探讨应该如何进行较好呢?这方面,我们只能将情况想象成“在一无所有的状态中,宇宙诞生了”。实际上,在1980年代,已经有科学家根据理论上的思考,构想出宇宙从无中诞生的过程。  

“宇宙从无中诞生”是关于宇宙起源的一个有力理论。但是,若以现在的标准物理学,则无法得知诞生瞬间的情形。这是因为物理学家理论上所能设想、处理的空间大小范围是有极限的,这个极限值大约是10的负33次方(10-33)公分。10-33是小数点以下有32个零,差不多是接近零的值。以原子的平均大小(约10-8公分)来看,这个数值还小了二十五位数。  

就像空间大小有极限一般,时间段落的长短也有极限,这个值大约是10-43秒。相当于光在真空中通过先前提过之10-33公分距离所花的时间(光速约每秒30万公里)。从宇宙诞生到10-43秒间,是科学家想尽办法都无法超越的障碍,也正是最后依然成谜的部分。虽然目前全世界的科学家都还在竭尽心力想要突破,不过现在仍然未能找到答案。这个10-43秒间便称为“普朗克时期”(Planckepoch)。  

想要了解“普朗克时期”中发生的过程,需要新的理论,其中最有力的候补便是“超弦理论”(superstringtheory)。现在的研究目标便是早日确立理论体系。  

1980年代,日本的佐藤胜彦博士(1945年~)和美国的谷史博士(AlanHarveyGuth,1947年~)分别倡议“宇宙在一诞生之后,便以惊人之势急速地巨大化”。谷史博士将这样剧烈的膨胀命名为“暴胀”(inflation)。  

倡议暴涨的理由在于大爆炸假说和观测事实有矛盾点。举例来说,现在的宇宙温度从宏观的角度来看,不管在任何场所看起来都没有差异。但是,即使像地球这样大小的区域,其中各位置上的温度就不是都相同,因此这样的观测结果非常不易理解,如果仅用大爆炸是无法说明的。为了说明这样的观测事实,就必须想象在大爆炸之前,微宇宙曾经出现急速的膨胀,这就是谷史博士和佐藤博士的想法。急速膨胀的比率十分惊人,勉强譬喻的话,就像是病毒在瞬间变得比银河还要巨大。  

根据暴胀理论的某个模型,微宇宙在诞生后10-36秒到10-34秒之间的极短时间段落里,膨胀了1030倍※,这是1兆×1兆×100万倍。总之,不管怎么说,在暴胀之前的宇宙极为微小,只有10-26公分,所以暴胀结束后的宇宙也不过是100公尺左右的大小。  

虽然目前我们还不太清楚暴胀的机制,但是可以想像是由当时充满整个宇宙的能量(特别称之为“暴胀子”(inflaton))所引发的。在发生暴胀之后,宇宙的情况出现很大变化。形成物质的基本粒子诞生,充斥整个宇宙。此时,宇宙变成超高温的灼热状态,这就是盖模所倡议的“大爆炸宇宙”。这是在宇宙诞生10-27秒后左右的事,科学家认为此时的宇宙大小约为1000公里。  

我们可以想像大爆炸的发生也跟引发暴胀的能量(暴胀子)有关。科学家认为该能量转变成为形成物质的各式各样基本粒子。此外,该能量不仅生成基本粒子,也转化成该等粒子运动的动能。因此,宇宙的温度高达摄氏1023度,这样的高温比太阳内部温度(约摄氏107度)高了十几位数,也是人工绝对不可能制造出来的超高温度。  

在宇宙诞生10-10秒后的某处,基本粒子发生一件大事。这是宇宙史上最神秘的事件。电子带有负电荷,但是事实上在实验室等特殊环境中,也存在“带正电荷的电子”。指出这件事的是英国的理论物理学家狄拉克(PaulAdrienMauriceDirac,1902~1984年)。狄拉克发现:不仅是电子,所有的基本粒子皆有电荷相反的对应粒子存在。像这样的一对称为“粒子(particle)与反粒子(antiparticle)”。  

粒子与反粒子一定成对产生(paircreation),而后一旦碰撞就会成对消灭(pairannihilation)。科学家认为在大爆炸宇宙中,基本粒子也是这样成对产生、成对消灭的。不过在该理论中出现一个大问题。在现在的宇宙中,除了特殊环境以外,我们完全看不到反粒子。反粒子究竟到哪里去了呢?  

理论物理学家所想象的情节如下:“在宇宙诞生10-10秒后的阶段,与10亿个反粒子相比,粒子恰好多了1个。最后粒子与反粒子成对消灭,反粒子全部消失了,但是粒子还剩下1个。”  

粒子的种类不同,消灭的时机也不一样,科学家认为在宇宙诞生4秒后,所有的反粒子都消失不见了。为了解开这个神秘事件,我们必须了解造成粒子与反粒子之数目差异的机制。  

在此之前我们已经看过几个“事件”了。那么在宇宙诞生1秒钟以后,整个宇宙的状况变成什么样子呢?科学家认为在宇宙诞生100万分之1秒后,宇宙处于摄氏数兆度的超高温状态。此时,电子和称为“夸克”(Quark)的基本粒子以及它们的反粒子成分散四处的状态,并且高速飞行穿梭。大约在宇宙诞生10万分之1秒后,宇宙的温度下降到摄氏1兆度左右,此时宇宙的样态出现极大的转变。在这样的温度下,基本粒子的动作变得迟钝,结果每3个夸克便结合在一起,形成“质子”和“中子”。  

质子和中子是“原子核”的材料,原子是由原子核和电子所组成。换句话说,在宇宙诞生10万分之1秒后,形成原子的材料便齐全了。  

在宇宙诞生1秒后,夸克的反粒子消失,不过电子的反粒子──正子,还是存在的。这是电子、质子、中子、正子穿梭飞舞的宇宙,也是宇宙诞生1秒后的宇宙样貌。正子消失是在宇宙诞生4秒后的事。  

随着膨胀,宇宙的温度逐渐下降,先前四处飞行穿梭的粒子动作开始变钝,最后因为电引力(Electricalattraction)结合在一起。在宇宙诞生三分钟后,四处穿梭的质子和中子结合,形成氦的原子核。  

当温度下降得更低,电子终于被原子核捕获,于是电中性的原子诞生了。氢原子的诞生约在宇宙诞生38万年后,宇宙温度大约是摄氏2700度,科学家认为氦原子也约在同一时期诞生。  

原子的诞生让存在于宇宙的光产生剧烈的变化,光具有易与带电荷的电子、质子等粒子碰撞的特性,因此在温度高的时代,简直就像在雾中不断地与水滴碰撞一般,光不断的与电子碰撞,完全无法笔直前进。  

但是当形成电中性的原子之后,因为电子和质子不再裸露于外,与光碰撞的对象消失,光便可以笔直前进。这种情形就像是浓雾散去,天空放晴一般,因此称之为“宇宙放晴”。


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