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宇宙大爆炸是爆炸嗎?

2019-11-23  lindan9997

      千年以來,人類一直著迷于尋找宇宙是如何起源的答案,并提出了許許多多的觀點。到了上個世紀二十年代,年輕的科學家、天主教神父勒梅特在研究了愛因斯坦的引力理論后得出結論:宇宙正在膨脹。而膨脹的宇宙表明它始于一個更小、更熾熱的初始狀態,勒梅特將這個狀態稱作“宇宙蛋”或“原始原子”,但這些詞從未流行開來。

      1949年,天文學家霍伊爾做客BBC的時候,提出了“大爆炸”一詞,一下子吸引了所有人的注意,而霍伊爾本人實則是大爆炸理論的反對者。實際上,大爆炸描述的是空間的膨脹,并不是真正意義上的爆炸。

      那么爆炸和空間膨脹有何區別呢?

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    下面這張圖顯示了爆炸前后的情況:
    這張圖顯示了爆炸前后的情況:

      ○ 大爆炸并不是一顆種子爆炸到一個預先存在的空間中。我們常說的爆炸是一種由種子內部產生了巨大的熱量和壓力而產生的結果,它會讓一團滾燙的物質爆炸到預先就存在的空間中。而宇宙大爆炸不是這樣的。

      首先,我們需要一片空間,在空間中有一顆種子,這顆種子可以是一顆炸彈,也可以是一顆恒星,又或者是其他可以儲存能量的東西。空間是預先存在的,種子也是。然后某些事件的發生觸發了種子的爆炸,它的內部經歷了某種形式的轉化,比如化學反應或核反應,讓能量被釋放出來。

      這種反應會讓種子內部產生巨大的熱量和壓力,與被壓縮的熱量和壓力有關的力會使種子的內部像一個滾燙的球那樣向外膨脹。能量從種子的內部以高速、高溫的形式釋放出來,隨著種子的內部向外膨脹到預先存在的空間,壓力和溫度也隨之逐漸下降。

      爆炸之所以發生,是因為在一個很小的區域內產生了巨大的熱量和壓力,種子內部的巨大壓力和熱量與種子外部的低壓和溫度之間存在不平衡,從而導致了向外的爆炸。內部的事物以非常高的速度遠離它們的初始位置。但是,它們離開起始點的速度不能大于光速,所以它們相互遠離的速度是有限的。

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      現在, 我們再來看看空間膨脹的過程(如下圖所描繪的):

    ○ 空間的膨脹可以用網格線之間距離的增長來描述。網格中的物體的大小保持不變,但它們之間的距離卻隨著空間的均勻膨脹而增大。在適當的條件下,這種類型的膨脹既可以發生在熱的宇宙中,也可以發生在冷的宇宙中,而且速度非常快。  ○ 空間的膨脹可以用網格線之間距離的增長來描述。網格中的物體的大小保持不變,但它們之間的距離卻隨著空間的均勻膨脹而增大。在適當的條件下,這種類型的膨脹既可以發生在熱的宇宙中,也可以發生在冷的宇宙中,而且速度非常快。

      與左邊的圖片相比,我們可以清晰地看到右圖所示的空間擴大了。空間中的所有物體都是由更為強大的力量結合在一起的,因此物體并不會隨著空間的增長而膨脹,膨脹的只有它們所在的空間。

      空間中的物體本質上并沒有移動,也不存在什么能將它們推向任何其他地方的熱量和壓力。它們之間和周圍的空間在不斷擴大,使得它們之間的距離比之前更大。這種增長是均勻的,或者說這是一種均勻膨脹。比如在右側的圖中,貓和桌子之間的距離增加了一倍,貓和椅子之間的距離也是如此。當宇宙的大小翻倍時,就會出現這樣的情況。

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      在牛頓的引力理論中,我們不會討論這種空間本身的變化;但愛因斯坦的廣義相對論是允許這種變化的。根據愛因斯坦的理論,空間不僅僅是一個為事物發生提供場所的存在,而且它本身就是一種事物——它能生長、收縮、變形、擺動、改變形狀。

      與爆炸不同的是,由于是空間在膨脹,而不是物體在移動,因此愛因斯坦的相對論對物體之間的距離增長速度沒有設任何限制。兩個物體之間的距離的增長速度可以高于光速——這與相對論并不相矛盾。

      另外非常重要的一點是,空間膨脹的原因不一定與熱或壓力有關,這一點也與爆炸不同。比如在第二幅圖中,爆炸會破壞或摧毀這些物體,而膨脹可以讓它們仍然維持原樣,只是離得越來越遠。

      膨脹可以發生在一個非常熱的宇宙中,如在早期宇宙的熱大爆炸時期;也可以發生在一個非常寒冷的宇宙中。今天,我們的宇宙已經變得非常冷,而我們也知道,宇宙不僅在膨脹,而且還在加速膨脹——其幕后推手被稱為“暗能量”。

      此外,傳統的大爆炸理論并不能解釋所有的天文學觀測,比如視界問題和平坦性問題。1981年,為了解釋這些問題,物理學家古斯提出,宇宙在誕生不久后應該經歷了一次極其快速的膨脹,這個時期被稱為暴脹時期。

      無論是關于暴脹,還是暗能量,還有太多的謎題等待著我們去揭開。

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