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元初宇宙(都说背景辐射是原初宇宙的体温计,为什么最早只能测到38万岁?)

2023-04-21 15:24:09 财经资讯 阅读 0

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人类对自己所处世界的认识随着科学发现一点点拓展,很多以前我们身处其中而不自知的事物,都是在科学这台超强的探测器下显露出来的,比如宇宙微波背景辐射这种现象。它的发现和意义也证明了人类这个种族探索宇宙奥秘的好奇心和想象力。

都说背景辐射是原初宇宙的体温计,为什么最早只能测到38万岁?

首先让我们看看由于宇宙背景辐射这个发现最为受益的物理学理论——宇宙大爆炸模型。人类并不能直接获取宇宙玄妙的真相,只能通过自己的科学系统来模拟宇宙,通过提出可经实验或观测验证的理论,一点点逼近宇宙的真相。大爆炸理论,对宇宙的理解就是,我们所处和所观察到宇宙,起源于一个奇点状态的大膨胀,之后星系、恒星和行星等天体就逐渐在凝聚的星云中诞生,我们人类这个后来的观测者也得以有幸去探究这个奇迹。

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这个理论本来颇为形象,然而由于爆炸的现象在人类日常经验相当常见的,所以反倒给非专业人士造成一种理解上的妨碍,以为这次爆炸好像是从空间中某个点开始的。其实根据理论,这次大“爆炸”准确的理解应该是时空的大“膨胀”,或者说爆炸同时发生在当时所有的地方。在大爆炸理论看来,奇点也不是一个物理空间的点,而是温度、密度无限大的一种物理状态。在这里不提空间时间的概念,是因为只有等到大爆炸事件发生后,空间才产生,时间才诞生,所以这个理论是需要我们放下日常生活常识才方便理解的。

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大爆炸理论的雏形最早由比利时物理学家天文学家勒梅特提出,在他的宇宙膨胀模型基础上,美籍俄国物理学家伽莫夫正式建立了热大爆炸理论模型。要知道宇宙大爆炸的假设刚诞生的时候,是很不受当时科学界待见的,主要是当时科学界受到达尔文进化论的影响,反对上帝创造生命和世界被科学家群体视作某种“思想正确”,所以一切涉及宇宙来源于一个创始点的想法都被不与理睬地拒绝,甚至连“大爆炸BIG BANG”这个略带有戏谑的名字也是其反对者赠送的。

大爆炸模型最早得到支持的证据是天文学家哈勃发现的宇宙学红移现象,证明宇宙正在膨胀,然后就是贝尔实验室的两位天文学家彭齐亚斯和威尔逊无意中发现的宇宙微波背景辐射,这个有力证据使得大部分天文学家不得不接受这个理论。宇宙背景辐射不但直接证明了这个理论模型,而且也含有大量宝贵的宇宙诞生初期的信息。

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宇宙背景辐射是一种宇宙空间中各个方向高度均匀的热辐射,热辐射是电磁辐射的一种。说是热,其实只有绝对温标2.7开左右,换算成摄氏度是零下270度左右,是接近绝对零度的超低温。背景辐射是如何产生的呢?这来自大爆炸一段时间后发生的光子退耦事件。

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大爆炸开始后,经过一系列复杂演化终于得到今天构成我们日常世界的质子、中子和电子的成份,但是由于温度依然很高,这个初生宇宙仍处于电离状态,质子带正电,自由电子带负电,它们与大量的光子发生吸收、散射等作用,使得自由自在的光子寸步难行,于是光芒被好像被“捂”在一片雾气之中,人类也就无法直接探查其中到底在发生什么。

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直到大爆炸大约38万年后,宇宙温度降到了约3000度,质子与自由电子终于结合成氢原子,形成电中性的原子,而光子基本不再与物质相互作用,从束缚中解脱,开始在宇宙各处漫游,好比上帝说要有光,人类终于可以观测到创世的这第一缕光,这就是光子退耦或者脱耦。由于这些光子均匀地充满了宇宙,就构成宇宙的一个有温度的背景,就像一片无限的光子海洋。随着宇宙继续膨胀,光子继续降温,一直降到如今人类测定的2.7K左右,以后还要降下去。

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背景辐射在超大尺度上或者说在整个可观测宇宙尺度上,显示是均匀分布的,除了展示宇宙早期形成的细节外,也证明了宇宙学的基础原理——宇宙中任何一点及其各方向都是平等的。当然背景辐射的温度也是有微小的起伏波动的,而这个细微的不均匀性有更令人激动的信息,比如可以揭示我们所处宇宙的早期结构。

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因为按照理论,如果宇宙一开始是完全平均的平衡态的话,那是不能演化出今天我们所见的星系团、星系、恒星和行星的,由于原初宇宙存在量子真空涨落等不均匀性,引力的作用才使得物质聚集抱团,形成今天太空中如此瑰丽多姿的壮景,而这些当初的信息都被背景辐射像照相机一般记录下来。可惜的是,背景辐射帮我了解宇宙最早到38万年时的信息,更早的信息需要物理学家用理论来推测,需要天文学家设计新的观测手段。

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有趣的一件事是,以前电视节目少,电视没信号时会看到满屏的雪花点,这里面就有宇宙背景辐射的那些光子。因为如果人工的电视信号出现问题没有接受到,电视的天线就会接收背景辐射,由于不能破译就显示雪花和噪音。可见人类生活中有很多我们习以为常的东西,也许里面隐含的却是惊人的创世秘密。所以人类科学进步就要从质疑创新中实现。

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参考文献:

《大爆炸宇宙论》——百度百科

《微波背景辐射的各向异性、偏振及宇宙电离的历史》——范祖辉

《2006年诺贝尔物理学奖——宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性》——楼宇庆

《宇宙背景辐射告诉我们什么》——俞允强

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