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深度长文:138亿年前的大爆炸,到底发生了什么?

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首先,宇宙大爆炸真不是科学家拍脑袋瞎编的!



有人肯定会提出质疑:又在这里吹,一个无限小的奇点炸出整个宇宙,这么离谱的事,不是瞎编是什么?我们这辈子见过的爆炸哪有这样的?鞭炮炸完是碎纸屑,炸弹炸完是坑,怎么可能炸出几百亿个星系,还炸出时间和空间?

确实,拿我们日常生活里那点吃喝拉撒的常识去看,大爆炸理论简直离谱到姥姥家了,也难怪网上一提到大爆炸,就有一堆人追着骂。

但说实话,骂的人里十有八九,连大爆炸理论到底说了什么都没搞懂,连最基础的证据都没听说过,纯凭着自己几十年的生活经验,就敢否定几代科学家上百年的研究。

作为一个写了不少科普的人,我觉得还是有必要把这事掰碎了唠唠。

先从所有人都懂的多普勒效应说起。

多普勒效应这词听着挺高大上,说白了就是波源一动,波长频率就会变。



咱们生活里最常见的就是救护车的警笛:车朝你冲过来的时候,警笛声特别尖、特别刺耳;等车开过你身边往远处走,声音立马就低沉下来。不是司机故意调音量,也不是你耳朵出问题了,就是声波的多普勒效应。

波源靠近你的时候,它每发出一个波峰,自己都往前挪了一点,相当于波被挤短了,波长变短,频率变高,声音听着就尖;波源远离的时候,每发一个波峰都往后退,波被拉长了,波长变长,频率变低,声音就发闷。而且速度越快,这个变化就越明显,完全是成正比的。

不光声波是这样,光波也一样。

光本质上也是一种波,只不过频率比声波高得多,速度也快得多。我们能看到的可见光,其实是不同波长的电磁波混在一起的,通过棱镜就能拆成红橙黄绿青蓝紫七色。

这其中红光波长最长,大概760纳米,紫光最短,只有380纳米。

那光波的多普勒效应是什么样的?



说白了就是:如果一个光源在飞快地远离我们,它发出的光波长就会被拉长,整个光谱往红光那边偏,这就叫红移;反过来,如果光源朝着我们冲过来,波长被挤短,往紫光那边偏,就叫蓝移。

远离的速度越快,红移的幅度就越大,这个对应关系精准得很。

看到这你可能会问:光那么快,每秒30万公里,我们怎么能测出它红移了多少?这就得说到光谱了。

每种元素发光的时候,都会有自己专属的“条形码”,几条固定波长的谱线,比如氢元素有固定的吸收线位置,就像它的身份证一样。

天文学家只要把远方星系的光拆成光谱,对比地球上氢元素的谱线位置,就能精准看出红移了多少,进而算出星系远离我们的速度。

早在一百多年前,天文学家就开始观测星系的光谱了,但真正发现宇宙级规律的,是美国天文学家埃德温·哈勃。

上世纪20年代,哈勃在威尔逊山天文台,用当时世界最大的2.5米胡克望远镜,对着天上的星系拍了无数张光谱照片。

他本来是想研究星系的运动规律,结果发现了一个让所有人震惊的现象:几乎所有远方的星系,光谱都在红移。



换句话说,它们都在远离我们。

更诡异的是,这种红移还不是随机的:星系离我们越远,红移得就越厉害,也就是远离的速度越快。而且不管往哪个方向看,结果都差不多,各向同性,不存在哪边星系靠近、哪边远离的情况。

1929年,哈勃把自己的观测结果整理成了一个定律,这就是大名鼎鼎的哈勃定律。



简单说就是:星系远离我们的速度,和它到我们的距离成正比。

公式写出来很简单:V = H × D。

V是星系远离的速度,单位是公里每秒; D是星系到我们的距离,单位是百万秒差距(1秒差距大概等于3.26光年,百万秒差距就是326万光年); H就是哈勃常数,代表宇宙膨胀的速率。

这么说可能没概念,举个例子就懂了。

现在多国观测测出来的哈勃常数平均值大概是75公里每秒每百万秒差距。

意思就是,距离我们326万光年的星系,正在以每秒75公里的速度远离我们;那距离我们3260万光年的星系,远离速度就是每秒750公里;距离翻十倍,速度就翻十倍。



按这个比例算下去,到了可观测宇宙的边缘,也就是大概465亿光年的地方,星系远离我们的速度,其实已经超过光速的3倍了。

看到这你肯定要跳起来:不对啊,爱因斯坦不是说光速是宇宙最快速度吗?怎么能超光速?这不是自己打自己脸吗?

别急,这里还真不矛盾。

因为我们说的“星系远离的速度”,本质上并不是星系本身在空间里飞行的速度,而是空间本身在膨胀。

打个比方,就像你在一根松紧带上画两个点,你拉松紧带,两个点之间的距离变大,并不是这两个点自己在松紧带上跑,而是松紧带本身被拉长了。

星系就是空间这个“松紧带”上的点,空间膨胀带着它们往外走,这个膨胀速度不受光速限制。相对论说的光速上限,是物体在空间里运动的速度,不是空间本身膨胀的速度,完全是两码事。

好了,现在我们有了一个确定的观测事实:宇宙正在膨胀,所有远方的星系都在互相远离,越远越快。

那接下来我们反过来想:如果把时间倒着往回拨,会发生什么?

现在星系之间离得很远,那昨天的它们肯定比今天近一点,去年的比今年近一点,一百年前、一万年前、一亿年前,只会更近。一直倒回去,倒到某个时刻,宇宙里所有的物质、所有的能量,是不是都会挤到同一个点上?

就好比你看一场散场的电影,所有人都往出口走,越走越散,你倒放录像的话,所有人都会从四面八方退回来,最后挤回到电影院里。宇宙膨胀也是这个道理,倒放回去,所有物质都会收缩到一起,体积越来越小,密度越来越大,温度越来越高,最后缩成一个点。



这个点,就是我们说的奇点;这个开始膨胀的时刻,就是宇宙大爆炸的起点。根据哈勃常数反过来推算,这个时刻大概在138亿年前,这就是我们常说的“宇宙年龄138亿岁”的由来。

这时候肯定有人不服:凭什么一定是个无限小的奇点?就不能是一个密度很大的球,然后爆炸散开吗?

还真不能。这就得说到爱因斯坦的广义相对论,以及一个叫史瓦西的物理学家。

1915年爱因斯坦发表广义相对论,核心就是说质量会弯曲时空,引力本质上就是时空弯曲的效应。论文发表没多久,德国物理学家卡尔·史瓦西就在一战的战壕里,算出了这个理论的第一个精确解。

他算出了一个结论:任何有质量的物体,都有一个临界半径。如果把这个物体的所有质量都压缩到这个半径以内,它的引力就会强到没有任何东西能逃出来,连光都不行,而且它自身会在引力作用下无限坍缩,缩成一个体积无限小、密度无限大的奇点。

这个临界半径,就叫史瓦西半径。



公式也很简单:R = 2GM/c²。 G是引力常数,M是物体质量,c是光速。

举个例子:地球的史瓦西半径大概是0.9厘米,也就是说,要是把整个地球的质量都塞进一个不到2厘米的小球里,地球就会变成一个黑洞,中心坍缩成奇点。太阳的史瓦西半径大概是3公里,把太阳压成直径6公里的球,也会变成黑洞。

后来人类发现的所有黑洞,全都符合这个计算,史瓦西半径的理论早就被观测反复验证了。

那回到宇宙的问题。我们现在可观测宇宙里的所有物质,加起来质量大概是10的53次方千克。按史瓦西公式算的话,这么多质量对应的史瓦西半径,大概是157亿光年。

意思就是,如果把整个可观测宇宙的物质都压缩到157亿光年半径的球里,它就会不可避免地坍缩成奇点。

而我们现在的可观测宇宙半径是465亿光年,比157亿光年大得多。那你倒推回去,当宇宙收缩到157亿光年半径的时候,就已经达到史瓦西半径了,接下来必然会继续坍缩,一直缩到奇点为止,不可能停在某个“大球”的状态。

所以,宇宙的开端只能是奇点,这是广义相对论推导出来的必然结果,不是谁凭空想象的。

还有很多人问:既然所有星系都在远离我们,那是不是说明地球就是宇宙的中心?人类又回到宇宙中心了?

当然不是。宇宙根本就没有中心。

这个事用一个烤面包的例子就能说清楚。

你做一块葡萄干面包,把葡萄干均匀地揉在面团里,然后放进烤箱烤。面包发酵膨胀的时候,每一颗葡萄干都会发现,周围所有的葡萄干都在离自己远去,而且离得越远的葡萄干,远离的速度越快。

站在任何一颗葡萄干上看,自己好像都是中心,所有东西都在远离自己。但实际上,面包没有中心,膨胀是整个面团均匀发生的,每一颗葡萄干的地位都一样。

宇宙膨胀也是这个道理。

空间就是那个面团,星系就是葡萄干。

空间在均匀膨胀,所以无论你站在银河系里,还是站在仙女座星系,或者站在宇宙边缘的某个星系里,往四周看,都会看到所有星系都在远离你,越远越快。

谁都不是特殊的,宇宙没有中心。

很多人容易把大爆炸想象成炸弹爆炸,碎片从中心点往四周飞,那是因为我们生活里的爆炸都是有中心的,是物质在空间里扩散。

但宇宙大爆炸不是这样,它是空间本身的膨胀,爆炸发生在每一个地方,是整个空间一起炸,所以没有中心点。

讲完了奇点,肯定有人要问那个经典问题:大爆炸之前是什么样子?奇点之前有什么?



说实话,这个问题本身就是个伪问题。

因为时间和空间,都是大爆炸的产物。在奇点那个时刻,时间和空间都还没诞生,没有空间,也没有时间。“之前”是个时间概念,连时间都没有,哪来的“之前”呢?

这就好比你问“北极点的北边是什么地方”一样。北极点是地球上最北的点,站在北极点上,往任何方向走都是向南,没有更北的地方了。奇点就是时间的“北极点”,往过去走,走到奇点就是尽头了,没有“奇点之前”这个说法。

当然,这么说很多人肯定不满意,就想知道那奇点是怎么来的,总不能凭空冒出来吧?

这就得说到量子力学了。

在量子世界里,“空”并不是真的什么都没有。真空里其实蕴含着巨大的能量,叫真空零点能。



这些能量会随机涨落,凭空产生一对一对的虚粒子,一个正粒子,一个反粒子,它们瞬间产生,又瞬间碰撞湮灭,整体上能量守恒,就像什么都没发生过一样。

这就是量子涨落。



正常情况下,这些虚粒子对都会湮灭,不会留下什么。

但1956年杨振宁和李政道提出的宇称不守恒定律告诉我们,在弱相互作用下,这种对称并不是绝对的,有时候会出现对称性破缺,一对虚粒子里,有一个没来得及湮灭,留存了下来。



就是这种极其微小的、概率极低的对称性破缺,打破了真空的平衡,留存下来的粒子和能量不断膨胀,最终演化成了我们今天的宇宙。

按照这个理论,我们的宇宙并不是唯一的。

真空里的量子涨落随时随地都在发生,每一次偶然的对称性破缺,都可能诞生一个新的宇宙。

在我们的宇宙之外,可能还有无数个平行宇宙,它们有的可能和我们很像,有的可能物理规则都完全不一样。

当然,这部分目前还只是理论推测,没有办法直接观测验证。

但宇称不守恒本身是已经被实验反复证明的,是量子力学的基础理论之一,后来的黑洞蒸发、宇宙暴胀等理论,都用到了这个原理。

说到这,可能有人会说:不就一个红移吗?就凭一个现象就断定宇宙大爆炸?会不会太草率了?

当然不会。大爆炸理论能成为标准模型,靠的可不是一个证据,而是好几套互相印证的观测结果,红移只是其中最基础的一个。

第二个核心证据,就是宇宙微波背景辐射。



按照大爆炸理论,宇宙早期温度极高,是一团炽热的等离子体,光在里面根本跑不出去。直到宇宙膨胀了大概38万年,温度降到几千度,电子和原子核结合成原子,光才终于能自由传播,在宇宙里穿行。

这束最早的光,随着宇宙膨胀,波长不断被拉长,能量越来越低,到今天,就变成了温度只有2.725开尔文(也就是零下270多摄氏度)的微波,均匀地分布在整个天空,就像宇宙的背景噪音一样。

这个背景辐射,其实早在1948年就有科学家根据大爆炸理论预言了。但真正发现它,却是在1964年,而且完全是个意外。

当时贝尔实验室的两个工程师彭齐亚斯和威尔逊,在调试一台射电望远镜,用来做卫星通信实验。结果他们发现,不管天线指向哪个方向,都能收到一个消除不掉的背景噪声,白天晚上都一样,一年四季都不变。他们以为是望远镜里进了鸽子粪,拆开来清理了半天,噪声还是存在。

后来他们才知道,这个怎么都消不掉的噪声,就是大爆炸留下的余烬,宇宙微波背景辐射。他们俩也因为这个意外发现,拿了诺贝尔物理学奖。

后来的COBE卫星、WMAP卫星,还有普朗克卫星,都精确测量了这个背景辐射,它的温度分布、光谱特征,和大爆炸理论的预测几乎完全吻合,这是大爆炸理论最硬核的观测证据之一。

第三个证据,是宇宙元素丰度。

按照大爆炸理论,宇宙早期只有氢、氦还有极少量的锂这些轻元素,重元素都是后来恒星内部核聚变、超新星爆发造出来的。根据理论计算,大爆炸之后宇宙里氢和氦的质量比例大概是3:1,也就是75%的氢,25%的氦。

而现在我们观测宇宙里的元素丰度,原始星云里的氢氦比例,刚好就是大概75%和25%,和理论计算的结果一模一样。如果宇宙不是大爆炸来的,很难解释为什么全宇宙的元素比例会这么统一。

除此之外,还有很多证据:比如我们观测到的最遥远的星系,都是130多亿光年外的“婴儿星系”,它们的形态、结构都很原始,符合宇宙早期的样子;比如恒星、星系的形成演化,黑洞、中子星的发现,都符合广义相对论的预言;甚至现在的暗物质、暗能量理论,也都是在大爆炸模型的框架里发展出来的。

可以说,到目前为止,所有的天文观测结果,都和大爆炸理论对得上,没有找到任何能推翻它的实锤反证。而其他的宇宙起源理论,要么解释不了这么多观测现象,要么逻辑上自相矛盾,没有一个能撼动大爆炸的地位。

说了这么多,最后再回到开头的问题:为什么那么多人质疑大爆炸?

本质上还是因为,我们的常识,都来自于我们生活的宏观低速世界。我们见过的爆炸都是物质在空间里炸,我们习惯了时间空间是固定的,我们觉得无限小的奇点不可能装下整个宇宙。

但宇宙本身,就不是按照我们的常识运行的。微观世界有量子力学,高速世界有相对论,极端环境下的物理规则,和我们吃喝拉撒的日常规则,本来就不一样。

你不能用菜市场买菜的经验去算天体物理,就像你不能用牛顿力学去算电子轨道一样。

当然,我不是说大爆炸理论就是绝对真理,就不能质疑。

恰恰相反,科学的本质就是可证伪,科学就是在不断质疑、不断修正中往前走的。

但质疑得讲方法,讲证据。

你要是能拿出实打实的观测数据,能提出一个比大爆炸更符合所有现象的理论,那科学界肯定举双手欢迎你。

但如果只是凭着“我觉得不对”“不符合我的常识”就张口否定,那不是质疑科学,那是抬杠。

大爆炸理论从提出到现在,快一百年了,无数科学家想推翻它,结果反而不断找到新的证据证明它。

它可能不完美,可能还有很多解释不了的问题,比如奇点里面是什么,暗能量到底是什么,暴胀是怎么回事。但它是目前为止,最符合所有观测证据、最能自洽的宇宙起源模型。

说白了,科学从来不会说自己是对的,只会说“目前这个最符合观测”。如果你有更好的解释,尽管拿出来;如果没有,仅仅因为离谱就不信,那其实没什么意义。

毕竟,宇宙本来就没必要符合人类的常识,对吧?

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