韦伯望远镜佐证:宇宙大爆炸不是爆炸?是空间膨胀的结果

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长期以来,宇宙大爆炸被误解为物质从一点向外爆炸,但诺奖得主约翰·马瑟指出,宇宙曾是高尔夫球大小的局部区域,实际是空间本身在膨胀。了解这一区别,能帮你读懂宇宙年龄138亿年、可观测直径920亿光年的奥秘。

  长期以来,宇宙大爆炸被误解为物质从一点向外爆炸,但诺奖得主约翰·马瑟指出,宇宙曾是高尔夫球大小的局部区域,实际是空间本身在膨胀。了解这一区别,能帮你读懂宇宙年龄138亿年、可观测直径920亿光年的奥秘。

  当前形式的宇宙大爆炸假说认为,曾有一个时期,宇宙比我们能想象的更小、密度更高、温度更高。随后,空间本身突然开始膨胀。

  这并非物质向已存在的空间中爆炸扩散,而是空间在各个方向上同时突然扩张。正如费米实验室的唐·林肯所解释的:“没有任何权威科学家会声称,我们完全了解宇宙诞生那一刻发生了什么。我们确实不知道。”

  但宇宙学家已知的事实令人震惊:膨胀仍在继续,随着膨胀,宇宙温度不断降低,这使得原子、元素乃至最终星系得以形成。

  最重要的是,大爆炸模型仅适用于我们的“可观测宇宙”——这是一个以光速和宇宙年龄为半径确定的“气泡”区域。

  宇宙的这个“光视界”并非技术限制,而是物理限制。在光视界之外,光要么尚未有足够时间到达地球,要么永远无法到达——因为遥远空间的膨胀速度甚至超过了光速。

  目前可观测宇宙的直径约为920亿光年,这只是宇宙的一个局部区域。在这之外,是未知的广阔空间。但每过一秒,就有更多恒星因宇宙膨胀越过光视界,永远从我们的视野中消失。

  认为宇宙大爆炸有一个“中心”是错误的。这一事件并不发生在某个特定位置,而是发生在某个特定时间点。

  正如物理学家马特·斯特拉斯勒所说:“宇宙大爆炸是空间的膨胀,完全不像爆炸,尽管无数书籍、视频、文章甚至科学家的表述都常将其描绘成爆炸。”

  在爱因斯坦的广义相对论中,空间本身并非被动的背景,而是“活跃的舞者”,它可以拉伸,使得物体无需自身移动就能相互远离——这一概念在日常物理学中找不到类似现象。

  空间膨胀的观测证据十分充分。1929年,埃德温·哈勃发现,星系距离地球越远,退行速度越快,这一发现至今仍是宇宙学的基础。

  这种关系被称为哈勃定律,天文学家通过“倒推”宇宙膨胀过程,估算出宇宙年龄约为138亿年。

  然而,可观测宇宙的直径远大于276亿光年(即宇宙年龄以光年为单位的两倍),这是因为空间膨胀本身拉伸了遥远天体之间的距离,远超简单计算的结果。

  最有力的证据之一是“宇宙微波背景辐射”(CMB),它被称为宇宙大爆炸的“余晖”。

  1965年,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了这种辐射。它是一种弥漫在整个天空的微弱辐射,产生于宇宙冷却到足以形成原子、光能够自由传播的时期。

  美国宇航局的宇宙背景探测者卫星(COBE)、威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)以及欧洲空间局的普朗克卫星,都对宇宙微波背景辐射进行了极为详细的测绘,探测到了仅为十万分之一的温度波动,验证了标准宇宙学模型的预测。

  1980年,艾伦·古斯提出的“宇宙暴胀理论”为此增添了新的维度。该理论认为,宇宙曾经历过一个指数级膨胀的短暂时期,膨胀速度远超光速,这消除了宇宙最初可能存在的不规则性,也解释了为何如今的宇宙看起来如此均匀。

  “我通常将暴胀理论称为宇宙大爆炸中‘爆炸’部分的理论,”古斯说。

  目前认为,这种“暴胀”是由“暴胀子”场引起的。尽管有些模型认为可能存在多个活跃的场,但宇宙微波背景辐射的观测结果更支持宇宙由单一场主导——因为单一场主导的区域会占据宇宙的大部分体积。

  尽管宇宙大爆炸理论取得了成功,但一直存在一个未解之谜:哈勃张力。

  通过不同技术测量宇宙膨胀速率(即哈勃常数)时,结果存在差异。通过造父变星和Ia型超新星进行的本地测量得出的哈勃常数约为73千米/秒/百万秒差距,而通过宇宙微波背景辐射和标准宇宙学模型计算得出的数值更小,约为67.4千米/秒/百万秒差距。这种差异引发了激烈的争论。

  近期,詹姆斯·韦伯太空望远镜的改进观测以及“红巨星分支顶端”等新型距离标记的应用,使部分结果趋于一致。但包括杜克大学的丹·斯科尔尼克在内的大多数研究人员仍认为,这种张力尚未解决:“哈勃张力现在已成为一个危机。”

  随着更多观测数据和望远镜探测结果的不断涌现,宇宙不仅在实际空间中膨胀,我们对它的认知也在不断拓展。宇宙大爆炸远非宇宙中的一次“爆炸”,而是一个关于空间拉伸、微弱信号和科学探索谦逊态度的故事。

  宇宙大爆炸的本质探索仍在推进,哈勃张力等问题待解。若能观测宇宙诞生瞬间,你最想验证哪个科学假说?是暴胀理论还是其他模型?

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