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宇宙起源
極其復雜的問題
基本信息
| 中文名 | 宇宙起源 |
| 外文名 | The origin of the universe |
| 形成 | 137億年前發(fā)生的一次大爆炸 |
| 爆炸特點 | 溫度極高，密度極大 |
| 模型2 | 穩(wěn)態(tài)理論 |
| 爆炸反應原理 | 量子物理 |
| 模型1 | 大爆炸理論 |
收起
研究經(jīng)歷
空間和時間的本質是什么？這是從2000多年前的古代哲學家到現(xiàn)代天文學家一直都在苦苦思索的問題。經(jīng)過了哥白尼、赫歇爾、哈勃的從太陽系、銀河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙學已經(jīng)不再是幽深玄奧的抽象哲學思辨，而是建立在天文觀測和物理實驗基礎上的一門現(xiàn)代科學。
直到20世紀，出現(xiàn)了兩種“宇宙模型”比較有影響。一是穩(wěn)態(tài)理論，一是大爆炸理論。20世紀20年代后期，愛德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，說明宇宙正在膨脹。20世紀60年代中期，阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”。這兩個發(fā)現(xiàn)給大爆炸理論以有力的支持。
相關理論
爆炸
現(xiàn)代宇宙系當中最有影響的
一種學說，又稱大爆炸宇宙學。與其它宇宙模型相比，它能說明較多的觀測事實。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化歷程。在這個時期里，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。根據(jù)大爆炸宇宙學的觀點，大爆炸的整個過程是：在宇宙的早期，溫度極高，在100億度以上。物質密度也相當大，整個宇宙體系達到平衡。宇宙間只有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質。但是因為整個體系在不斷膨脹，結果溫度很快下降。當溫度降到10億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質子結合成重氫、氦等元素；化學元素就是從這一時期開始形成的。溫度進一步下降到100萬度后，早期形成化學元素的過程結束（見元素合成理論）。宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質，氣體逐漸凝聚成氣云，再進一步形成各種各樣的恒星體系，成為今天看到的宇宙。大爆炸模型能統(tǒng)一地說明以下幾個觀測事實：
宇宙起源
（1）大爆炸理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應比自溫度下降至今天這一段時間為短，即應小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。
（3）在各種不同天體上，氦豐度相當大，而且大都是30%。用恒星核反應機制不足以說明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高
，則可以說明這一事實。
宇宙起源
（4）根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。大爆炸理論的創(chuàng)始人之一伽莫夫曾預言，今天的宇宙已經(jīng)很冷，只有絕對溫度幾度。1965年，果然在微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射，溫度約為3K。
大爆炸理論認為，宇宙起源于一個單獨的無維度的點，即一個在空間和時間上都無尺度但卻包含了宇宙全部物質的奇點。至少是在120～150億年以前，宇宙及空間本身由這個點爆炸形成。
在一次無與倫比的大爆炸中分裂成無數(shù)碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理學家伽莫夫等人，又詳細勾畫出宇宙由一個致密熾熱的奇點于150億年前一次大爆炸后，經(jīng)一系列元素演化到最后形成星球、星系的整個膨脹演化過程的圖像，該理論存在許多使人迷惑之處。
宏觀宇宙是相對無限延伸的。“大爆炸宇宙論”關于宇宙當初僅僅是一個點，而它周圍卻是一片空白，即將人類至今還不能確定范圍也無法計算質量的宇宙壓縮在一個極小空間內(nèi)的假設只是一種臆測。況且從能量與質量的正比關系考慮，一個小點無緣無故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量從何而來呢？
人類把地球繞太陽轉一圈確定為衡量時間的標準——年。宇宙中所有天體的運動速度都是不同的，在宇宙范圍，時間沒有衡量標準。譬如地球上東西南北的方向概念在宇宙范圍就沒有任何意義。既然年的概念對宇宙而言并不存在，大爆炸宇宙論又如何用年的概念去推算宇宙的確切年齡呢？
1929年，美國天文學家哈勃提出了星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導出星系都
在互相遠離的宇宙膨脹說。哈勃定律只是說明了距離地球越遠的星系運動速度越快--星系紅移量與星系距離呈正比關系。但他沒能發(fā)現(xiàn)很重要的另一點--星系紅移量與星系質量也呈正比關系。
宇宙起源
宇宙中星系間距離非常非常遙遠，光線傳播因空間物質的吸收、阻擋會逐漸減弱，那些運動速度越快的星系就是質量越大的星系。質量大，能量輻射就強，因此觀察到的紅移量極大的星系，當然是質量極大的星系。這就是被稱作“類星體”的遙遠星系因質量巨大而紅移量巨大的原因。另外那些質量小、能量輻射弱的星系（除極少數(shù)距銀河系很近的星系，如大、小麥哲倫星系外）則很難觀察到，大小恒星都能看到，所以恒星的紅移紫移數(shù)量大致相等。
導致星系紅移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物質結構都是在一定范圍內(nèi)圍繞一個中心按圓形軌跡運動的，不是像大爆炸宇宙論描述的從一個中心向四周作放射狀的直線運動。因此，從地球看到的紫移星系范圍很窄，數(shù)量極少，只能是與銀河系同一方向運動的，前方比銀河系小的星系；后方比銀河系大的星系。只有將來研制出更高分辨程度的天文觀測儀器才能看到更多的紫移星系。
宇宙中的物質分布出現(xiàn)不平衡時，局部物質結構會不斷發(fā)生膨脹和收縮變化，但宇宙整體結構相對平衡的狀態(tài)不會改變。僅憑從地球角度觀測到的部分（不是全部）可見星系與地球之間距離的遠近變化，不能說明宇宙整體是在膨脹或收縮。就像地球上的海洋受引力作用不斷此漲彼消的潮汐現(xiàn)象并不說明海水總量是在增加或減少一樣。
1994年，美國卡內(nèi)基研究所的弗里德曼等人，用估計宇宙膨脹速率的辦法計算宇宙年齡時，得出一個80～120億年的年齡計算值。然而根據(jù)對恒星光譜的分析，宇宙中最古老的恒星年齡為140～160億年。恒星的年齡倒比宇宙的年齡大。
1964年，美國工程師彭齊亞斯和威爾遜探測到的微波背景輻射，是因為布滿宇宙空間的各種物質相互之間能量傳遞產(chǎn)生的效果。宇宙中的物質輻射是時刻存在的，3K或5K的溫度值也只是人類根據(jù)自己判斷設計的一種衡量標準。這種能量輻射現(xiàn)象只能說明宇宙中的物質由于引力作用，
至于大爆炸宇宙論中的氦豐度問題，氦元素原本就是宇宙中存在的僅次于氫元素的數(shù)量極豐富的原子結構，它在空間的百分比含量和其它元素的百分比含量同樣都屬于物質結構分布規(guī)律中很平常的物理現(xiàn)象。在宇宙大尺度范圍中，不僅氦元素的豐度相似，其余的氫、氧……元素的豐度也都是相似的。而且，各種元素是隨不同的溫度、環(huán)境而不斷互相變換的，并不是始終保持一副面孔，所以微波背景輻射和氦豐度與宇宙的起源之間看不出有任何必然的聯(lián)系。
大爆炸宇宙論面臨的難題還有，如果宇宙無限膨脹下去，最后的結局如何呢？德國物理學家克勞修斯指出，能量從非均勻分布到均勻分布的那種變化過程，適用于宇宙間的一切能量形式和一切事件，在任何給定物體中有一個基于其總能量與溫度之比的物理量，他把這個物理量取名為“熵”，孤立系統(tǒng)中的“熵”永遠趨于增大。但在宇宙中總會有高“熵”和低“熵”的區(qū)域，不可能出現(xiàn)絕對均勻的狀態(tài)。那種認為由于“熵”水平的不斷升高而達到最大值時，宇宙就會進入一片死寂的永恒狀態(tài)，最終“熱寂”而亡的結局，當宇宙膨脹到一定程度，所有星系行星會疏離，分子分解至夸克，而至更小。整個宇宙繼續(xù)膨脹，變成死寂狀態(tài)。這項預測是根據(jù)數(shù)百個A1超新星的亮度作出的。
根據(jù)天文觀測資料和物理理論描述宇宙的具體形態(tài)，星系的形態(tài)特征對研究宇宙結構至關重要，從星系的運動規(guī)律可以推斷整個宇宙的結構形態(tài)。而星系共有的圓形旋渦結構就是整個宇宙的縮影，那些橢圓、棒旋等不同的星系形態(tài)只是因為星系年齡和觀測角度不同而產(chǎn)生的視覺效果。
穩(wěn)態(tài)理論
宇宙起源的問題有點像這個古老的問題：是先有雞呢，還是先有蛋。換句話說，就是何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢？也許宇宙，或者創(chuàng)生它的東西已經(jīng)存在了無限久的時間，并不需要被創(chuàng)生。直到不久之前，科學家們還一直試圖回避這樣的問題，覺得它們與其說是屬于科學，不如說是屬于形而上學或宗教的問題，然而，人們在過去幾年發(fā)現(xiàn)，科學定律甚至在宇宙的開端也是成立的。在那種情形下，宇宙可以是自足的，并由科學定律所完全確定。
關于宇宙是否并如何啟始的爭論貫穿了整個記載的歷史。基本上存在兩個思想學派。許多早期的傳統(tǒng)，以及猶太教、基督教和伊斯蘭教認為宇宙是相當近的過去創(chuàng)生的。（十七世紀時鄔謝爾主教算出宇宙誕生的日期是公元前4004年，這個數(shù)目是由把在舊約圣經(jīng)中人物的年齡加起來而得到的。）承認人類在文化和技術上的明顯進化，是近代出現(xiàn)的支持上述思想的一個事實。記得那種業(yè)績的首創(chuàng)者或者這種技術的發(fā)展者。可以如此這般地進行論證，即不可能存在了那許久；因為否則的話，圣經(jīng)的創(chuàng)世日期和上次冰河期結束相差不多，而這似乎正是現(xiàn)代人類首次出現(xiàn)的時候。
另一方面，還有諸如希臘哲學家亞里斯多德的一些人，他們不喜歡宇宙有個開端的思想。他們覺得這意味著神意的干涉。他們寧愿相信宇宙已經(jīng)存在了并將繼續(xù)存在無限久。某種不朽的東西比某種必須被創(chuàng)生的東西更加完美。他們對上述有關人類進步的詰難的回答是：周期性洪水或者其他自然災難重復地使人類回到起始狀態(tài)。
理論比較
兩種學派都認為，宇宙在根本上隨時間不變。由于人類生命——整個有記載的歷史是如此之短暫，宇宙在此期間從未顯著地改變過。在一個穩(wěn)定不變的宇宙的框架中，它是否已經(jīng)存在了無限久或者是在有限久的過去誕生的問題，實在是一種形而上學或宗教的問題：任何一種理論都對此作解釋。1781年哲學家伊曼努爾·康德寫了一部里程碑式的，也是非常模糊的著作《純粹理性批判》。他在這部著作中得出結論，存在同樣有效的論證分別用以支持宇宙有一個開端或者宇宙沒有開端的信仰。正如他的書名所提示的，他是簡單地基于推理得出結論，換句話說，就是根本不管宇宙的觀測。畢竟也是，在一個不變的宇宙中，有什么可供觀測的呢？
然而在十九世紀，證據(jù)開始逐漸積累起來，它表明地球系及宇宙是其他部分事實上是隨時間而變化的。地學家們意識到巖石以及其中的化石的形成需要花費幾億甚至幾十億年的時間。這比創(chuàng)生論者計算的地球年齡長得太多了。由德國物理學家路德維希·玻爾茲曼提出的所謂熱力學第二定律還提供了進一步的證據(jù)，宇宙中的無序度的總量（它是由稱為熵的量所測量的）總是隨時間而增加，正如有關人類進步的論證，它暗示只能運行了有限的時間，否則的話。
牛頓曉得這個問題。在一封致當時一位主要哲學家里查德·本特里的信中，他同意這樣的觀點，即有限的一群恒星不可能靜止不動，它們?nèi)繒淠硞€中心點。然而，他論斷道，一個無限的恒星集合不會落到一起，由于不存在任何可供它們落去的中心點。這種論證是人們在談論無限系統(tǒng)時會遭遇到的陷阱的一個例子。用不同的方法將從宇宙的其余的無限數(shù)目的恒星作用到每顆恒星的力加起來，會對恒星是否維持恒常距離給出不同的答案。然后加上在該區(qū)域之外大致均勻分布的更多恒星。恒星的有限區(qū)域會落到一起，而按照牛頓定律，在該區(qū)域外加上更多的恒星不能阻止其坍縮。這樣，一個恒星的無限集合不能處于靜止不動的狀態(tài)。如果它們在某一時刻不在作相對運動，它們之間的吸引力會引起它們開始朝相互方向落去。另一種情形是，它們可能正在相互離開，而引力使這種退行速度降低。
相關說法
蟲洞噴發(fā)
宇宙起源
新的懷疑
長期以來，“大爆炸”宇宙誕生理論一直被天文學界普遍認同
“哈勃”太空望遠鏡本次拍攝到了一些宇宙深處的星體，這些星體大概形成于宇宙誕生后的5億年內(nèi)（約130億年前）。然而，這些星體的數(shù)量卻遠遠少于科學家們原來的估計。
哈勃拍攝的這些照片可以說明以下二點：要么大爆炸發(fā)生后恒星物質的形成并沒有科學家們原來設想
的那么積極，這并不符合現(xiàn)階段通行的理論；
由安德魯·邦克博士領導的英國科學家小組在對哈勃拍攝的照片研究后得出了上述令人吃驚的結論。以便于解開上述這些迷惑。
根據(jù)許多科學家數(shù)十年來一貫支持的大爆炸理論，宇宙大約誕生于140億年前。按照該理論的解釋，宇宙形成于140億年前一個體積極小且密度極大的物質的爆炸，爆炸發(fā)生后噴發(fā)出物質微粒和能量，也正是從那時起才開始產(chǎn)生了時間和空間、質量和能量。在大爆炸發(fā)生前，既沒有物質，也沒有能量，當然也沒有生命。
太陽系形成
太陽系是由受太陽引力約束的天體組成的系統(tǒng)，其最大范圍可延伸到約1光年以外。太陽系的主要成員有：太陽（恒星）、八大行星（包括地球）、無數(shù)小行星、眾多衛(wèi)星（包括月亮），還有彗星、流星體以及大量塵埃物質和稀薄的氣態(tài)物質在太陽系中，太陽的質量占太陽系總質量的99.8%，其它天體的質量總和不到太陽系的0.2%。太陽是太陽系的中心天體，它的引力控制著整個太陽系，使其它天體繞太陽公轉，太陽系中的八大行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星）都在接近同一平面的近圓軌道上，朝同一方向繞太陽公轉（金星例外）。宇宙有起源也會有消亡，科學家預計，若干億年后，宇宙會急劇收縮，以至于回到大爆炸以前的相貌。
最新理論
據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站2013年7月16日報道，近百年來，標準宇宙學理論認為：宇宙源于一次大爆炸而且正在不斷膨脹，這似乎已成了一個根深蒂固、顛撲不破的“真理”，他認為，宇宙根本不是在膨脹，粒子質量的不斷增加或可解釋為一些距離地球遙遠的星系似乎離地球越來越遠。
德國海德堡大學的理論物理學家克里斯托弗·維特里克在arXiv上撰文指出，他已經(jīng)構建出了一種完全不同的宇宙學框架，在這套框架內(nèi)，宇宙并非在膨脹，而且，萬事萬物的質量一直在增加。這一理論或許有助于科學家們理解一些有爭議的問題——比如宇宙大爆炸中出現(xiàn)的“奇點”等。
天文學家們通過分析物體的原子釋放或吸收的光來測量物體是在遠離還是接近地球，這些光會以獨特的顏色或頻率出現(xiàn)。當物體遠離地球時，這些頻率會移向光譜上的紅色（低頻）。上世紀20年代，包括埃德溫·哈勃在內(nèi)的很多科學家發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系都展現(xiàn)出了這樣一種紅移，而且，星系距離地球越遠，紅移越大，據(jù)此，他們認為宇宙一定在不斷膨脹。
正如維特里克所說的那樣，原子釋放出的這種獨特的光也被組成原子的基本粒子尤其是電子的質量所控制。如果某一原子的質量增加，那么，其釋放出的光子的能量也會變得更高。因為能量越高，頻率越大，因此，釋放和吸收頻率將前移到光譜中藍色的部分。相反，如果粒子變得越來越輕，頻率將變成紅移。
維特里克認為，在名為暴脹的短期之內(nèi)，宇宙仍然在快速膨脹，在暴脹之前，宇宙大爆炸不再包含有一個宇宙密度無限大的“奇點”時刻。
這一想法聽起來似乎合情合理，但它也有一個大問題：它無法被檢驗。地球上萬事萬物的質量最終都是相對于國際千克容器這一千克標準得出的數(shù)值。如果包括國際千克容器在內(nèi)的萬事萬物的質量一直在隨著時間的流逝而增加，那么，就找不到檢驗辦法了。
而對維特里克來說，缺乏實驗測試并非大事，新模型的主要優(yōu)勢在于摒棄了困擾物理學界的宇宙大爆炸奇點。
盡管該文還沒有經(jīng)過同行評議，但有些《自然》雜志的評審專家認為，這一想法值得深究。英國圣安德魯斯大學的天文學家趙洪生（音譯）表示：“探究另一種解釋是一件趣事。維特里克的解釋似乎很嚴謹，值得推敲。”
也有科學家表示，最新解釋或許可以幫助天文學家們避免落入單一思維的窠臼。英國愛丁堡大學的宇宙學家阿瓊·貝雷拉表示：“現(xiàn)在，天文學家們在追尋一個以暴脹和大爆炸為中心的標準模型。在一切蓋棺論定前，看看是否還存在另外一種解釋至關重要。”
宇宙起源有新說
宇宙起源于大爆炸？其實還有一種可能：宇宙在大爆炸之前也是存在的，只不過它一直在收縮，后來由于某種原因發(fā)生“反彈”，轉而進入膨脹的狀態(tài)，演化為現(xiàn)在所知的世界。
宇宙為什么有可能是永恒的？鑒于對早期宇宙缺乏了解，有這樣的疑惑也在情理之中。真正的知識應基于實在的證據(jù)，而不僅僅是猜想。在假想的“大爆炸”后幾秒內(nèi)，宇宙就像個核聚變反應堆，將核子轉化為氦、鋰、氘等輕元素。
那么，既然這些都是真的，更早一些時，宇宙理應更加致密，膨脹得更快。幾乎可以肯定的是，大爆炸附近的某個時刻發(fā)生了一些意料之外的事情。會是什么呢？
最簡單的答案是“反彈”。可以想像大爆炸之前，宇宙也是存在的，只不過它一直在收縮。而其微妙之處在于，由于某種原因，宇宙沒有撞到一起變成密度無限大的詭異狀態(tài)，而是發(fā)生“反彈”，轉而進入膨脹的狀態(tài)，演化為現(xiàn)在所知的世界。
說得更清楚些，這樣的反彈完全不符合已知的物理定律。但是作為科學家，并非完全了解終極定律，特別是在與日常經(jīng)驗相去甚遠的極端條件下。所以，宇宙在過去也很有可能發(fā)生反彈。
但是為什么呢？還是不知道，不過這并未阻礙理論物理學家通過豐富的想像力做出有理有據(jù)的猜測。有種簡單的論調(diào)：對引力的理解還不夠。當然，愛因斯坦的廣義相對論通過了所有已有實驗的驗證，但是這些實驗進行的環(huán)境與早期宇宙的極端條件完全不同。在足夠致密的條件下，引力說不定不再是引力，而變成斥力。沒有客觀理由來認定它是對是錯判斷它的對錯，但這確實是一種可能。
發(fā)現(xiàn)最遠氧原子
膜宇宙學
標準的宇宙大爆炸模型顯示，宇宙爆發(fā)自一個密度無窮大的奇點。但是不了解是什么觸發(fā)了這場爆發(fā)：已知的物理定律不能適用。
同時科學家很難解釋如此激烈的大爆炸留下的宇宙何以擁有一個幾乎完全均勻的溫度，這是因為自從宇宙誕生以來似乎沒有足夠的時間達到溫度平衡。
對于大部分宇宙學家而言，有關一致性最合理的解釋是，在宇宙形成后不久，一些未知的能量形式使年輕的宇宙以超過光的速度膨脹。在這個模型中，三維宇宙是一張膜，漂浮在具有四個空間維度的“體宇宙”之上。
在宇宙中，一個黑洞被一個名為視界的球面聯(lián)系起來。鑒于普通的三維空間需要一個兩維的物體（一個表面）來創(chuàng)建一個黑洞內(nèi)部的邊界，那么在體宇宙中，四維黑洞的視界應該是一個三維物體——一種被稱為超球面的形狀。三維宇宙可能就是這樣一個膜，而膜的生長被認為是宇宙的膨脹。
由于四維體宇宙可能在過去已經(jīng)存在了無限長的時間，因此它有足夠的機會使不同區(qū)域的四維體宇宙達到一種平衡，膜宇宙學是一個物理學上超弦理論和M理論的分支，專門研究宇宙膜，該理論認為宇宙其實是鑲在一些更高維度的膜上。該學科同時研究那些更高維度的膜是怎樣影響著宇宙。
最新研究
2021年12月，中國科學技術大學帶領國際合作團隊發(fā)現(xiàn)了嬰兒宇宙處在高能物理的“沙漠”能區(qū)時，存在原初引力波共振的非線性理論現(xiàn)象。原初引力波信號通過該現(xiàn)象過程，能被共振放大4至6個數(shù)量級乃至更大，從而被原初引力波探測器檢出，可用于驗證某些傳統(tǒng)物理“不可觸及”的宇宙起源理論模型。
參考資料
[1]
我國科學家在宇宙起源和原初引力波研究取得新突破 · 今日頭條-北侖檢察[引用日期2021-12-21]
[2]
日本團隊發(fā)現(xiàn)距地132.8億光年的銀河存在氧|銀河|星體|日本_新浪新聞 · 新浪新聞[引用日期2021-12-26]
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