宇宙大爆炸真的發生過嗎?哈勃是如何通過觀測得出結論的?


自21世紀後,大部分人就已經相信宇宙由一場大爆炸誕生。雖然也有明確的觀測證據證明最初的那場大爆炸真的發生過,但這問題的核心在於,如此強烈的事件,是怎麼通過觀測得出結論的?

哈勃的發現

遙遠的星係正在遠離地球,反過來,星系在某個時間一定是聚集在一起的。

我們最終對宇宙大爆炸的起源充滿信心,還是來自天文學家哈勃。那是1929年,哈勃在一次觀測中,發現遙遠的星係正在慢慢遠離我們,退去的速度大約與它到我們的距離成正比。雖然那時這個退去的速率還沒有被計算出來,但如果真的像看到的那樣將時間倒退,就會得出所有星系會在某個時候聚在一起的結論。

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通過紅移,最終確定宇宙是均勻膨脹的,並且有一個固定的數值。

當然哈勃的思路也很特別,他觀測了遙遠星系發出光譜線的紅移(注釋1)。星系距我們越遠,紅移越大,通過紅移和視線距離的關係,又恰好證明了宇宙在這個大空間裡均勻膨脹的圖像。接下來的時間裡,觀測工具變得更加精良,哈勃的觀點不僅被證實了,還發現了宇宙膨脹速率是如何隨時間變化的,這是一個固定的數值。

通過計算,我們甚至確定了一個關於宇宙物質都壓縮在最初起點的時刻,也就是宇宙大爆炸的時間——138億年前。

宇宙起點爆炸的區域

宇宙在最初的那場大爆炸,不是發生在某個區域,而是發生在整個宇宙空間。

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問題總是接踵而至,大爆炸發生在哪個區域又成了頑固的科學家爭論的話題。根據愛因斯坦的廣義相對論,大爆炸發生時包括現如今的整個宇宙空間範圍,也就是整個物理意義空間的全部。

為了解釋這個意思,我們不如把整個宇宙看作一隻氣球,在宇宙還是初始狀態時,這個氣球還很小。隨著氣球體積的膨脹,空間也在膨脹。但別忘了,雖然這個氣球變得這麼大,但曾經它也只是一個點,那個點並不是氣球表面的一部分,而是整個宇宙空間。

暴漲和平穩

宇宙早期經歷過一段暴漲期,時間很短卻擴張了相當大的空間。

很多科學家都認為,宇宙膨脹是經歷過一個指數型暴漲時間的。只不過這個時間間隔非常小,大概在1乘10的負36次方秒到1乘10的負32次方秒之間。在這短暫的時間內,宇宙的線性尺度卻增加了很多,大約在10的100個平方那麼多倍。

不管怎麼說,宇宙才曾經確實出現了一個暴漲狀態。隨後的宇宙就進入了一個比較平穩的時期,膨脹的速率也慢慢穩定下來,即使現在不能保證膨脹速率的穩定,卻再也不會出現那種「瘋狂」的情況。

現在看來,宇宙大爆炸漸漸成為科學界的主流說法。至於接下來會不會有新的理論將人們根深蒂固的思想改變,這就是一件說不準的事情了。

注釋1:紅移指遙遠星系的不同原子發射的頻譜,在地球上看來會略微向紅端移動,是一種均勻的頻率減小和波長變長。紅移的類別分為都卜勒紅移、引力紅移和宇宙學紅移,本文中運用的是都卜勒紅移。

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