让我们更好地理解宇宙大爆炸_风闻

原创：牧夫天文

作者：Don Lincoln

翻译：毛明远

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡，李子琦

责任编辑：毛明远

几十年来，科学界已普遍接受了宇宙大爆炸理论，但是仍然有很多未知、争论、未经证实的细节。近期一篇论文有助于探讨解决大爆炸理论中一直困扰我们的问题。

Credit: Getty

一直以来，人们不懈地努力去探索宇宙的起源，这可以追溯到我们祖先关于创世的各种猜测。近几十年，科学家研究出“宇宙大爆炸”这一模型，它描述了约140亿年前宇宙的起源和演化。在这一理论下，宇宙起初是无法置信的致密和炽热状态，它持续膨胀、膨胀…科学界已普遍接受这一理论，我们可以看到各种版本的科普书籍关于宇宙大爆炸的描述，但其实仍然有很多未解之谜和困扰科学家的问题。著名的美国物理学家和科普作家唐·林肯(Don Lincoln)认为近期发表的一篇论文有助于我们解决一些困扰我们的问题。

宇宙演化史

Credit: NICOLE RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

引言

其实，“宇宙大爆炸”对于寻常百姓来说很难理解，它不同于我们生活经验中的常规物体膨胀，即使对于天文爱好者来说，也会是个挑战。比如，宇宙大爆炸并不是确切的“宇宙伊始”；目前的宇宙大爆炸理论并不能描述大爆炸前是怎样的？是什么导致了宇宙大爆炸。即使是学识丰富的宇宙学家也不能精确描述大爆炸时发生了什么。“宇宙大爆炸”理论更多地是在描述“之后的事情”。

缘起

“宇宙大爆炸”理论可以追溯到1931年比利时牧师和宇宙学家乔治·勒梅特(Georges

Lemaître)，他提出了宇宙在膨胀，但无法解释宇宙的均一性，科学界也并不把这一膨胀理论当回事。他的理论预测了我们可见宇宙的另一边会是完全不同的，但观测结果显示了“均一性”。问题是宇宙膨胀下，很多地方的光线已无法到达我们，它们到底是什么样的我们已不得而知。

宇宙大爆炸有不同阶段，科学家已推测出接近“伊始”的情况。

Credit: Getty

直到1981年，物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)认为在瞬间宇宙暴胀的速度超过光速，这可以解释均一性。古斯的膨胀理论被称为“宇宙暴胀理论”。

在宇宙暴胀理论中，大爆炸的10^-36到10^-32秒内，一种特殊的能量场主导着宇宙，它被称为“暴胀场”。它和引力场相反，导致了宇宙的加速膨胀，在这一时间内增大10^26倍，也就是我们的可见宇宙从不到一个原子大小增大到葡萄大小。

在这之后，这种加速膨胀作用停止了，宇宙虽然在继续膨胀，但在引力作用下速率减慢，这就是“宇宙大爆炸理论”的初期。科学家将它分为三个时期，分别是：创造形成 、暴胀期和最终的宇宙大爆炸。

宇宙微波背景辐射可以帮助科学家验证暴胀理论。

Credit: ESA AND PLANCK COLLABORATION

未解之谜

 目前已普遍接受了40年前提出的三阶段理论，但疑问一直存在。比如，在暴胀时是低温状态，也不存在粒子。而后的大爆炸中宇宙处于炽热并充满粒子的状态，这些粒子又生成原子并构成常规物质。因此，需要解答如何从低温到炽热，从空无到致密。

近期发表的一篇论文提出一个很巧妙的观点可能解决这一疑问。它提出：暴胀期间推动宇宙加速膨胀的能量转化为热能，虽然暴胀逐步停止，但孕育了后续炽热的大爆炸物质生成阶段。

虽然这仅仅是一个假说，但它确实巧妙地解释了困惑人们多年的问题。论文同时强调了宇宙起源的复杂性，最终整个机制会远超出我们想象的精巧！这就是宇宙的魅力！

『天文时刻』 牧夫出品

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欧空局火星快车号拍摄的火星地表

Credit: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)