宇宙真的是大爆炸产生的吗?有没有可能是被设计好的?

在当今科学界,关于宇宙的起源一直激起无尽的讨论与思考:宇宙大爆炸理论是否真实发生过?谁又设计了这一切?

让我们首先揭开相对论的神秘面纱。

在20世纪初叶,爱因斯坦带来了广义相对论,其理念远超固有认知:他宣称牛顿的万有引力,实则乃是星球扭曲时空之所致。

爱因斯坦的比喻妙趣横生:想象一下,时空宛如一张巨大的蹦床,当质量庞大的物体置于其上,蹦床表面便会随之下陷;旁边的小物体则无一例外,皆被引力吸引,向着凹陷处滚去。

基于上述理论,爱因斯坦进一步推测,太阳的巨大质量必将弯曲周边恒星所散发的光线。

英国科学家爱丁顿随后证实了这一推测,他不仅发现了隐藏在太阳背后的恒星,而且计算出的光线偏折角度,与广义相对论的预测惊人地一致。

可见,一个理论只有能够用数学公式表达,并得到实际观测的证实,方可冠以“科学”之名。

而广义相对论与宇宙大爆炸理论的联系究竟何在?

一旦广义相对论的科学性得到确立,爱因斯坦随即运用此理论计算宇宙的演化,而得出的结果却出人意料。

结果显示,宇宙处于一种极端不稳定的状态,每个星体都被质量更大的星体所吸引,最终一切星体都会坠入同一“坑洞”之中。

难道,宇宙注定走向自我毁灭?

当时,主流观点认为宇宙是静态且稳定的,爱因斯坦对此计算持有疑虑,因而引入了宇宙常数,以确保宇宙的稳定性。

然而,随着时间的推移,他之前的计算被证实为正确,宇宙并非静止不动。

与星体间引力抗衡的,正是宇宙的膨胀。

比利时科学家勒迈特提出,如果宇宙确实处于膨胀状态,那么今天的宇宙必定比昨天更加宽广,而昨天则又比前天更宽广;若逆向推算,则最终将收缩为一个极小且高密度的点,亦称为“宇宙蛋”。

此即大爆炸理论的开端。

二、测宇宙膨胀的“灯塔”

如前所述,任何未经观测或实证检验的理论,都称不上科学。

事实证明,的确有科学家观测到了宇宙的膨胀。

这位科学家名叫哈勃。

哈勃发现了著名的哈勃定律,简单来说,就是距离地球越远的天体,逃离地球的速度越快。这“退行速度”,便是哈勃的重大发现。

哈勃定律常被用于估算遥远星系的距离。

例如,许多人曾误以为仙女座星云位于银河系之内,哈勃则通过哈勃定律的计算,发现仙女座到地球的距离超出了银河系直径,从而得出结论:仙女座是独立的星系。

科学家对宇宙尺度的认识,由此大幅扩展。

那么,如何测量如此遥远的宇宙尺度?

科学家们需要一种标记物,一盏在黑夜中闪耀的“明灯”——造父变星。

这类星体亮度变化无常,科学家们发现了其闪烁周期的规律,通过这一规律,便可计算出星系与地球之间的距离。

三、火车汽笛与宇宙之声

想象一列火车从你身边驶过,起初的汽笛声尖锐而高昂,随后逐渐低沉。

你所感知的这一现象,初中物理便有所涉及,这被称为“多普勒”效应。

当火车朝你逼近时,声波的波长缩短,进而频率上升,声音变得尖锐;反之,当火车远离你时,声波波长增加,频率下降,声音也就变得低沉。

光亦是如此。科学家们能够检测遥远星系的光谱,计算光波的波长,进而确定它们的运动状态与速度。

正是依赖此种方法,科学家们发现了红移现象。

红色光波长最长,当星系的光谱向红端偏移时,正表明它们正在远离地球,证明了宇宙正不断膨胀,正是这一膨胀抗衡着引力。

随后,科学家们又揭示了星系与地球距离、离地速度之间的关系,即越远的星系,远离地球的速度越快。

在遥远的宇宙边缘,退行速度甚至能超越光速。

这就如同一个被逐渐吹大的气球,球面上的每个点都相互远离。

于是,你可以设想,如果时间逆转,宇宙将以相同的速度收缩,星系以迅雷不及掩耳之势汇聚在一起。

由于远离的速度快,靠近的速度慢,天体最终会在同一时刻回到原点,也就是所谓的奇点。

四、宇宙大爆炸理论的挑战

尽管宇宙大爆炸理论拥有数学基础和观测支撑,但其本身并非完美无缺。一开始,它就面临两大缺陷。

一是“时标问题”。根据哈勃的计算,宇宙年龄大约为18亿年,但地质学家却发现地球年龄超过30亿年。

这如何可能?

后来,德国天文学家巴德使用高精度望远镜发现,造父变星分为两类,一类较为明亮,一类相对黯淡,哈勃的误判源于未区分这两者。

校准之后,星系离地球的距离增加了一倍,宇宙的年龄也随之翻倍。

后来的科学家不断调整,估计宇宙年龄应在100亿至200亿年之间。

虽然误差巨大,但至少解决了这一理论缺陷。

第二个缺陷是“原子丰度”。

实际上,“原子丰度”即宇宙中各类原子的丰饶程度。

例如,地心主要由铁原子构成,地球大气主要由氮原子和氧原子构成,而太阳则主要由氢原子和氦原子构成。

如果宇宙大爆炸产生时空,那么各类原子的数量应相当均衡。

但实际情况却截然不同。

氢和氦两种原子占宇宙中所有原子的99.9%。

这似乎非常不公。

有疑问,就会有科学家解答。

美国核物理学家乔治•伽莫夫提出了一种理论:宇宙初生之时是一锅“氢原子汤”,其他原子皆由氢原子通过核反应产生。

这听起来简单,实践起来却颇为不易。

伽莫夫用数学作为工具,推算出从大爆炸至今宇宙的温度和密度。

五、宇宙微波背景辐射

这一证据名声显赫,刘慈欣的《三体》中亦有提及:宇宙微波背景辐射。

大爆炸之初,宇宙充满光。30万年后,宇宙温度下降,部分光穿越宇宙向外辐射。

科学家们认为,即使经过100多亿年,这些光波辐射也不会完全消失,即“宇宙微波背景辐射”,这是大爆炸理论的重要证据。

然而,这种辐射极为微弱,仅相当于零下260摄氏度的天体发出的热量。

按常理,找到这一辐射颇为不易,但机缘巧合之下,科学家们竟意外发现了它。

贝尔实验室有一台高精密射电天线,主要用于接收卫星信号。在检查天线性能时,科学家们发现,无论朝哪个方向,都能接收到一种微波噪声。

他们尝试排除干扰,如检查线路、清洁天线等,但始终无法消除这一噪声,因此得出结论:这种噪声如同背景音,天然存在。

不久,宇宙研究领域的科学家们解释道,这种无法消除的微波噪声,正是科学家们苦苦寻觅的宇宙微波背景辐射!

六、霍金的宇宙模型

霍金支持宇宙大爆炸理论,并与数学家罗杰•彭罗斯一同提出了“彭罗斯-霍金奇点定理”。

他们运用严谨的数学方法证明,若广义相对论正确,且宇宙中确实存在如观测到的众多恒星、星系等物质,那么宇宙必定于遥远的过去,诞生于一个奇点。

然而,霍金又引入量子理论,提出了一个与众不同的无边界宇宙模型。

众所周知,现代物理学两大基础理论分别为宏观的相对论和微观的量子力学。

然而,两者似乎不共戴天,用相对论研究粒子、用量子力学研究天体均不可行。

霍金却认为,研究奇点时必须将相对论和量子力学结合。

根据广义相对论,宇宙要么无限久远,要么以奇点为始。但如果引入量子力学,则可能出现新的情况:一个“有限无界”的宇宙。

即,时空有限,但无边界。

就像地球,体积固定,但无论我们朝哪个方向行走,始终位于地球上。

在无边界宇宙模型中,宇宙是一个四维时空交织的宇宙。

这个宇宙的时空范围有限,却无边界、无奇点。

这样的宇宙完全自给自足,不受外物影响,无始无终,它即存在本身。

尽管这种想法充满想象力,但至今为止,科学家们普遍接受的仍是宇宙大爆炸理论。

七、几点体会

对于像我这样的非科学家而言,不管是相对论,还是黑洞理论,我们对物理学的洞察往往充满了感性色彩,往往从哲学的角度去理解它们;

真正的科学理论必须能够用数学公式来描述,并敢于接受实证检验;

科学的精神并不认为自己已经到达了真理的尽头,也不妄言能够解释宇宙的全部奥秘,它只是在知识的道路上不断前进;

我们推崇科学,并不是盲目崇拜每一个科学公式,而是保持一种谦逊和好奇的态度,不断质疑和探索,时刻保持对宇宙的敬畏之心。

因此,相信我们身处一个真实的世界,也许更加令人心安。

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