張曉辰聽到那聲音繼續說道——“宇宙並非永恆存在,而是從虛無創生”的思想在西方文化中可以說是根深蒂固。雖然希臘哲學家曾經考慮過永恆宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直堅持認為宇宙是上帝在過去某個特定時刻創造的。
大爆炸理論的建立基於了兩個基本假設:物理定律的普適性和宇宙學原理。宇宙學原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。
這些觀點起初是作為先驗的公理被引入的,現今已有相關研究工作試圖對它們進行驗證。例如對第一個假設而言,已有實驗證實在宇宙誕生以來的絕大多數時間內,精細結構常數的相對誤差值不會超過105)。
此外,透過對太陽系和雙星系統的觀測,廣義相對論已經得到了非常精確的實驗驗證;而在更廣闊的宇宙學尺度上,大爆炸理論在多個方面經驗性取得的成功也是對廣義相對論的有力支援。
假設從地球上看大尺度宇宙是各向同性的,宇宙學原理可以從一個更簡單的哥白尼原理中匯出。哥白尼原理是指不存在一個受偏好的或者說特別的)觀測者或觀測位置。根據對微波背景輻射的觀測,宇宙學原理已經被證實在105)的量級上成立,而宇宙在大尺度上觀測到的均勻性則在10的量級。
在初始階段,許多人不知道的是,與大爆炸理論已經成為常識的今天相比,在該理論剛剛提出之後的很長一段時間,世界科學界對其的態度是“嗤之以鼻”的。
這種奇怪的現象,是因為當時的科學界受進化論推翻“上帝創造論”的哲學思潮影響,盲目地反對傳統理論,不承認如《聖經》所言,宇宙是有一個起點的。
這一時期的西方科學界普遍堅持宇宙和物質是恆定不變、無始無終的。因此對於所有涉及說宇宙和萬物都“有一個起點”的理論一概不予承認。包括像愛因斯坦這樣的大科學家也受其影響。愛因斯坦在總結引力場方程,發現這個rμv(12)rgμv=ktμv的公式將推匯出宇宙其實是一個有著從未停止的物質變化的動態宇宙,於是在該公式中又強加了一個“宇宙常數”,以維持靜態宇宙的計算結果。
也就是說,最初的場方程其實是這樣的:∧gμv+rμv(12)rgμv=ktμv,其中常數“∧”為宇宙常數。
但是自從1922年美國天文學家埃德溫·哈勃開始觀測到到“紅移現象”開始,有關“宇宙膨脹”的觀點開始形成。
1929年,埃德溫·哈勃總結出了一個具有里程碑意義的發現,即:不管你往哪個方向看,遠處的星系正急速地遠離我們而去,而近處的星系正在向我們靠近。換言之,宇宙正在不斷膨脹。這意味著,在早先星體相互之間更加靠近。事實上,似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻,它們剛好在同一地方,所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻,當時宇宙處於一個密度無限的奇點。
聽聞此事的愛因斯坦很快來到哈勃工作的威爾遜天文臺,在哈勃的帶領下親自進行了紅移現象的觀測。訪問結束後,愛因斯坦公開承認了自己主觀意識影響科學結論的錯誤,並去掉了場方程中的宇宙常數,於是就有了我們今天所熟知的愛因斯坦場方程einsteinfiedeation)。
再到成熟階段——
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。
大爆炸開始時:約150億年前,體積無限小,密度無限大,溫度無限高,時空曲率無限大的點,稱為奇點。空間和時間誕生於某種超時空——部分宇宙學家稱之為量子真空假真空),其充滿著與海森堡不確定性原理相符的量子能量擾動。
大爆炸後1043秒普朗克時間):約1032度,宇宙從量子漲落背景出現,這個階段稱為普朗克時間。在此之前,宇宙的密度可能超過每立方厘米1094克,超過質子密度1078倍,物理學上所有的力都是一種。超對稱)在這個階段,宇宙已經冷卻到引力可以分離出來,開始獨立存在,存在傳遞引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力強、弱相互作用和電磁相互作用)仍為一體。
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大爆炸後1035秒:約1027度,暴漲期第一推動),引力已分離,夸克、玻色子、輕子形成。此階段宇宙已經冷卻到強相互作用可以分離出來,而弱相互作用及電磁相互作用仍然統一於所謂電弱相互作用。宇宙也發生了暴漲,暴漲僅持續了1033秒,在此瞬間,宇宙經歷了100次加倍2100),得到的尺度是先前尺度的1030倍暴漲的是宇宙本身,即空間與時間本身,並不違反光速藩籬)。
暴漲前宇宙還在光子的相互聯絡範圍內,可以平滑掉所有粗糙的點,暴漲停止時,今天所探測的東西已經在各自小區域穩定下來,而這被稱為暴漲理論。
大爆炸後1012秒:約1015度,粒子期,質子和中子及其反粒子形成,玻色子、中微子、電子、夸克以及膠子穩定下來。宇宙變得足夠冷,電弱相互作用分解為電磁相互作用和弱相互作用。輕子家族電子、中微子以及相應的反粒子)需要等宇宙繼續冷卻104秒才能從與其他粒子的平衡相中分離出來。其中中微子一旦從物質中退耦,將自由穿越空間,原則上可以探測到這些原初中微子。
大爆炸後0.01秒:約1000億度,光子、電子、中微子為主,質子中子僅佔10億分之一,熱平衡態,體系急劇膨脹,溫度和密度不斷下降。
大爆炸後0.1秒後:約300億度,中子質子比從1.0下降到0.61。
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