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现代自然科学重要概念连载六

来源:中国教育信息化网
作者:李志民

  大爆炸宇宙论(The Big Bang Theory

  现代科学产生于四百年前,在发展的过程中,不断有新的假说、新的学科产生,并不断更新、淘汰原有的理论。但其基本假设一直未变,就是认为物质世界是客观的、无意识的,自然规律不受人的主观意志影响。大爆炸宇宙论是理论天体物理学努力去建造的宇宙理论模型,企图使天体物理观测结果能够自洽,与其说是科学理论,不如说是哲学思想。

  宇宙是时间、空间、物质的总和。宇宙指人类所存在的一个时空连续系统,包括其间的所有物质、能量和时间。对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。按照自然科学的解释,20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型。1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言。从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型。

  作为现在宇宙学中最有影响的一种学说,大爆炸宇宙论(The Big Bang Theory)认为:宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成。其主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。

  大爆炸理论的建立基于两个基本假说:物理定律的普适性和宇宙学原理。爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成了原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝结成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成如今的宇宙。

  与很多宇宙、物理理论类似,在今天已成为常识的大爆炸理论,其研究历程从不被科学界接受到被验证、再到成熟也经历了诸多波折。甚至在该理论刚提出后的很长一段时间,世界科学界对其的态度是“嗤之以鼻”的,这是因为当时的科学界受进化论推翻“上帝创造论”哲学思潮的影响,盲目地反对传统理论,不承认如《圣经》所言,宇宙是有一个起点的。这一时期的西方科学界坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的,对所有涉及宇宙和万物都“有一个起点”的理论一概不予承认,包括像爱因斯坦这样的大科学家也受其影响。但从1922年美国天文学家埃德温·哈勃开始观测到“红移现象”开始,有关“宇宙膨胀”的观点开始形成。

  1927年,比利时天文学家和物理学家勒梅特(Georges Lemaître)首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年,埃德温·哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。爱因斯坦在哈勃的带领下也亲自进行了红移现象的观测,并公开承认自己主观意识影响科学结论的错误,去掉了场方程中的宇宙常数,于是就有了我们今天所熟知的爱因斯坦场方程(Einstein Field Equation)。

  1948年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念,他认为我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,其温度约为6K。1964年,美国贝尔电话公司的工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试他们巨大的喇叭形天线时观测到并进一步测量和计算得出了3K宇宙微波背景辐射,他们的观测与理论预言温度如此接近,有力地支持了宇宙大爆炸论。宇宙微波背景辐射成为20世纪60年代天文学四大发现之一,彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。

  另外,实际测量到的各种轻元素丰度与大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度基本符合,这也是对大爆炸理论的强有力支持。

  美国人索尔·珀尔马特和亚当·里斯及持有美国、澳大利亚双重国籍的布莱恩·施密特通过研究几十颗处于爆炸状态的恒星即“超新星”,发现宇宙正在扩张过程中,扩张速率不断加速,这一“震动了宇宙学的基础”的发现改变了人类对宇宙的认识,这三位科学家也因此获得2011年诺贝尔物理学奖。

  2014年3月17日,美国物理学家宣布首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。科学家认为原初引力波如同大爆炸的“余响”,可帮助人们追溯到宇宙诞生之初一段极其短暂的急剧膨胀时期。

  2016年初,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文台(VIRGO)的科学家联合宣布,他们于2015年9月14日国际标准时间9:51(北京时间17:51),由两座分别设置在华盛顿州和路易斯安那州的LIGO观测台探测到了来自一个双黑洞系统13亿年前产生的引力波信号,该信号来自两个黑洞的合并,两个黑洞质量分别为29个和36个太阳质量,合并过程中有相当于3倍太阳质量的能量被以引力波形式释放出去,该发现被称为“世纪发现”,该探测计划中的三位重要科学家莱纳·魏斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C. Barish)和基普·索恩(Kip S. Thorne)因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。

  尽管大爆炸理论在现代物理学上具有如此重要的地位,但也存在一定的问题及争论。如对于大爆炸后最初的几分钟,由于相关的观测严重缺乏,最早期宇宙物质——能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。物质对反物质的绝对优势尚未得到透彻说明,以及与暗物质和暗能量的产生和本质有关的一些问题。爱因斯坦也承认相对论本身并不完美,它无法处理极端情况。2014年9月28日,美国理论物理学家劳拉·梅尔西尼·霍顿在在线物理学知识库arXiv发表文章称她运用数学方法证明了“黑洞是不存在的”,一旦该观点被科学界论证是正确的话,大爆炸理论可能会因此而被推翻,甚至现代物理学对于宇宙的起源学说可能将被全部推翻,然而,科学的魅力应该也源自这无止境地更新与完善,人类的文明也将在这不断地探索与发现中越走越远。

  人类有探索宇宙起源的愿望,但我更推崇中国古人的哲学思想。在中国古代就有“上下四方曰宇,往古来今曰宙。”的说法,“宇”代表上下四方,即所有的空间,“宙”代表古往今来,即所有的时间。所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的意思。把“宇宙”的概念与时间和空间联系在一起,认为无古无今,无始无终,体现了我国古代人民的独特智慧。

  我们要正确认识科学,科学不代表正确或高尚,科学新知识必须经过实验或观察并经得起重复检验。科学是不断证伪的过程,当我们获取了新的知识,就必须改变或者抛弃原本错误的认知。例如,今天我们认为地心说是一种错误的结论,但是在当时,它是通过科学方法构建起来的,只是受限于人的观察能力。地心说被日心说证伪了,同样大爆炸宇宙论也有被证伪的一天。

  (2017-11-17)

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