人類總是執(zhí)著于對(duì)事物起源的探索，人類如何誕生的？生命起源于什么？地球從哪兒來？太陽系如何形成的？一切問題最終的起點(diǎn)都?xì)w咎于宇宙的起源。宇宙是我們目前能夠觸及到的“終極”，它是如何被創(chuàng)造的？怎樣成為我們今天所知的看似無限的地方？未來它會(huì)變成什么樣？宇宙起源似乎可以被看作是人類的終極命題。
這些問題沒有確切的答案，長久以來一直困擾著科學(xué)家們，并隨之產(chǎn)生了一些非常瘋狂和有趣的理論。最初，古代西方流行著“地心說”，把地球當(dāng)作宇宙的中心；直到1543年，波蘭天文學(xué)家哥白尼發(fā)表《天體運(yùn)行論》，提出正確理論“日心說”，捍衛(wèi)了真理與科學(xué)。
“日心說”
隨著研究的深入，人們對(duì)宇宙的了解也越來越多，不禁又產(chǎn)生了新的疑問：看似無限的宇宙究竟是如何產(chǎn)生的？穩(wěn)態(tài)理論認(rèn)為，宇宙是在很近的過去被創(chuàng)生的，創(chuàng)造宇宙的東西已經(jīng)存在了很久的時(shí)間。
成為學(xué)界共識(shí)是“宇宙大爆炸理論”，大約138.2億年前，宇宙形成于一次大爆炸，如今幾乎所有物質(zhì)都從此次爆炸中產(chǎn)生，并且，宇宙還在高速膨脹，全部的河外星系都在離我們遠(yuǎn)去。
宇宙大爆炸預(yù)想圖
近一個(gè)世紀(jì)以來，“宇宙大爆炸”一直被人們津津樂道，盡管它是學(xué)界接受度最高的理論，但它存在的疑點(diǎn)實(shí)在太多了。例如，有什么證據(jù)可以證明宇宙的爆炸？宇宙發(fā)生爆炸的原因是什么？宇宙“炸”出的所有物質(zhì)的原材料來自于哪兒？
根據(jù)“宇宙大爆炸理論”，一切開始于大約 138.2 億年前，因此,這也被認(rèn)為是宇宙的年齡。那么，在這之前的宇宙是什么樣子的呢？我們似乎很難想象，因?yàn)樵谀侵?，根本沒有形成物理定律，這代表著現(xiàn)存的所有物理定律都無法適用于當(dāng)時(shí)的宇宙，畢竟如今對(duì)宇宙的研究依然是以地球上的普遍定律為基礎(chǔ)的。
1922年，美國著名天文學(xué)家愛德文·鮑威爾·哈勃觀測到了“紅移現(xiàn)象”，于是，有關(guān)宇宙膨脹的觀點(diǎn)逐漸形成。1929年，哈勃將“宇宙膨脹論”公布于世，他得出的結(jié)論是，宇宙正在高速膨脹，河外星系只會(huì)距離我們?cè)絹碓竭h(yuǎn)。
紅移現(xiàn)象
“宇宙膨脹論”轟動(dòng)一時(shí)，成為“宇宙大爆炸說”的前身。因?yàn)?，基于宇宙的膨脹，人們認(rèn)為宇宙會(huì)存在一個(gè)膨脹的起點(diǎn)。1927年，比利時(shí)宇宙學(xué)家勒梅特首次提出宇宙是由一個(gè)“原始原子”爆炸形成的。
1929年，哈勃根據(jù)“宇宙大爆炸論”指出距銀河系越遠(yuǎn)的星系離開得越快，也就是我們常說的“哈勃定律”，這一定律成為支援“大爆炸論”的重要證據(jù)?？茖W(xué)家們從宇宙當(dāng)前的膨脹狀態(tài)向前推論，它一定起源于一個(gè)無限密度和有限時(shí)間的單點(diǎn)，才會(huì)開始膨脹。美國物理學(xué)家伽莫夫接受了勒梅特的思想，經(jīng)過發(fā)展，于1948年正式提出了“宇宙大爆炸”的起源假說。
擁有上千億顆恒星的銀河系
“宇宙大爆炸理論”認(rèn)為，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)由熱不斷冷卻的過程。宇宙在爆炸之前，只是發(fā)熱的、夾雜能量與微小顆粒的一個(gè)奇點(diǎn)，與我們現(xiàn)在看到的完全不一樣。隨著快速膨脹，奇點(diǎn)占據(jù)了更多的空間，最后終于在約138.2億年發(fā)生了一次大爆炸。
在最初的爆炸之后，宇宙開始慢慢冷卻。微小的顆粒聚集在一起，足以形成原子、分子，以及后來的簡單粒子，這些原始元素構(gòu)成了巨大的星云團(tuán)，通過重力合并形成恒星。
星云團(tuán)
第一批誕生的恒星創(chuàng)造了更多原子，導(dǎo)致更多的恒星誕生。與此同時(shí)，宇宙中的物質(zhì)碰撞聚集，漸漸產(chǎn)生了星系。隨著新恒星的誕生和舊恒星的死亡，小行星、彗星、行星和黑洞之類的東西也隨之出現(xiàn)了。
宇宙最早的時(shí)間階段，即大爆炸發(fā)生后持續(xù)的10^-43秒至10^-11秒被稱為普朗克時(shí)代，鑒于此時(shí)不存在我們所知的任何物理定律，因此，普朗克時(shí)代只是一個(gè)理論推測的數(shù)值，關(guān)于在這個(gè)最初的瞬間發(fā)生了什么，是存在很大爭議的。
在普朗克時(shí)代，所有的物質(zhì)都凝結(jié)在一個(gè)密度無限大、溫度極高的單一點(diǎn)上。在這一時(shí)期，人們認(rèn)為引力的量子效應(yīng)主導(dǎo)了物理相互作用，沒有其他物理力量與引力具有同等強(qiáng)度。這個(gè)普朗克時(shí)間段從0點(diǎn)延伸到大約10-43秒，由于物質(zhì)的極端熱量和密度，宇宙的狀態(tài)是非常不穩(wěn)定的。
量子效應(yīng)
在它存在的前 10^-43 秒內(nèi)，宇宙非常緊湊，不到單個(gè)原子大小的 100 億分之一。人們認(rèn)為，在如此高密度和高能量的狀態(tài)下，四種基本力——引力、電磁力和強(qiáng)弱核力合成一個(gè)單一的力。
緊接著，宇宙中的第一個(gè)粒子開始混合，并沉降到大致相同的溫度。然后，在難以想象的短短幾分之一秒內(nèi)，所有物質(zhì)和能量開始向外膨脹，但變化非常微小，僅是量子尺度上的波動(dòng)，這可以解釋為什么宇宙的溫度和物質(zhì)分布如此均勻。
在這之后，宇宙也依然在持續(xù)膨脹，但速度放緩了不少，目前沒有人能夠解釋清楚推動(dòng)宇宙膨脹的動(dòng)力是什么。當(dāng)宇宙誕生十億分之一秒時(shí)，宇宙已經(jīng)冷卻到足以讓四種基本力彼此分離的程度，基本粒子也就形成了。
宇宙膨脹
按質(zhì)量計(jì)算，氫占早期宇宙物質(zhì)的 75%，氦占 25%?？茖W(xué)觀察證實(shí)，氦的豐度是“大爆炸理論”的一個(gè)關(guān)鍵因素。早期宇宙中的輻射非常強(qiáng)烈，不知何故，一些多余的物質(zhì)幸存了下來，它們便是現(xiàn)在構(gòu)成行星、星系以及地球生命的物質(zhì)。
大爆炸后過去了約1.8 億年，宇宙中才出現(xiàn)一顆恒星，因?yàn)橐π枰荛L時(shí)間才能聚集氫云并將它們鍛造成恒星。隨著時(shí)間的流逝和物質(zhì)的冷卻，出現(xiàn)了更多種類的粒子，它們最終凝聚成我們現(xiàn)在宇宙的恒星和星系。
20世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家彭齊亞斯和他的同事威爾遜建立了高靈敏度的號(hào)角式接收天線系統(tǒng)，用它測量銀暈氣體射電強(qiáng)度。但那時(shí)的衛(wèi)星通訊很不好，常常伴隨大量的噪音。為了消除背景噪聲，他們甚至專門去清除了天線上的鳥糞，但仍然無濟(jì)于事。
經(jīng)過進(jìn)一步講究，二人認(rèn)為這些噪音來自宇宙本身，是一種波長為7.35厘米的微波噪聲，相當(dāng)于3K。宇宙微波背景輻射很好地解釋了宇宙早期遺留下來的熱輻射，是支持“宇宙大爆炸論”的有力證據(jù)，二人的發(fā)現(xiàn)讓他們獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
宇宙微波背景輻射
那么，如果宇宙真的起源于一場大爆炸的話，那么造出如今所有物質(zhì)的爆炸的原材料又是從何而來呢？事實(shí)上，現(xiàn)今的天文學(xué)和物理學(xué)都無法解答這個(gè)問題，基本都只存在著一些猜測。劉慈欣的科幻小說《三體》中有一個(gè)“降維打擊”的概念，奇點(diǎn)的原材料會(huì)不會(huì)來自一個(gè)更高維度的宇宙呢？不過這也會(huì)把問題更加復(fù)雜化，比如更高維度的宇宙又是怎么來的。
科學(xué)家對(duì)于爆炸原材料的猜想大致有三種：
前文已經(jīng)提到，宇宙在大爆炸之后處于一個(gè)不斷膨脹的狀態(tài)，且至今的膨脹速度已經(jīng)超越了光速，但萬物都是存在限度的，因此，科學(xué)家推測，當(dāng)宇宙向外膨脹到一定階段后，便會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界值，超過臨界值后它就又會(huì)反向收縮。
宇宙收縮猜想
宇宙中的所有物質(zhì)都會(huì)漸漸被壓縮，最終被包裹在一個(gè)體積極小的點(diǎn)內(nèi)，即所謂的奇點(diǎn)，那么一切就又回到了最初開始的地方，物質(zhì)形態(tài)就是如此反復(fù)變幻的。
英國著名數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯提出了一種“共形循環(huán)宇宙論”，即宇宙在大爆炸前是上一個(gè)和現(xiàn)在宇宙物理定律相同的宇宙，現(xiàn)有宇宙在無限膨脹擴(kuò)張后也就成為了下一個(gè)宇宙的起點(diǎn)。
神秘的宇宙
因?yàn)橛钪嬷械奈镔|(zhì)不會(huì)是無中生有的，所以只有循環(huán)論能夠解釋這一問題，現(xiàn)有宇宙的爆炸原材料很可能來自于上一個(gè)宇宙的殘留物質(zhì)。新、舊宇宙在無縫對(duì)接的過程中不會(huì)丟失任何物質(zhì)，只會(huì)無限循環(huán)。
彭羅斯和牛津大學(xué)、華沙大學(xué)以及紐約海事學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)一起對(duì)循環(huán)宇宙學(xué)進(jìn)行更深入的研究，他們表示在宇宙微波背景中，發(fā)現(xiàn)了20個(gè)左右的霍金點(diǎn)，所謂的霍金點(diǎn)指的是上個(gè)宇宙的黑洞最后爆炸死亡時(shí)留下的印記。
最后還有一種可能性，那便是和宇宙中的黑洞有關(guān)。黑洞是一種“只出不進(jìn)”的宇宙天體，可以吞噬一切，它很可能會(huì)起到重啟宇宙的作用。當(dāng)宇宙走到盡頭時(shí)，所有的黑洞聚集在一起吞噬掉所有物質(zhì)，質(zhì)量大到令人無法想象。
黑洞
而黑洞也是會(huì)死亡的，它會(huì)變成一個(gè)白洞，釋放出所有被吞進(jìn)去的物質(zhì)。白洞的屬性與黑洞完全相反，是只呼不吸的特殊天體。
2014 年1月，一生致力于研究黑洞的英國著名物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金卻在其新論文中“語出驚人”，宣稱“黑洞并不存在”。而美國理論物理學(xué)家勞拉·梅爾西尼·霍頓在2014年9月也發(fā)表論文稱，她已經(jīng)用數(shù)學(xué)的方法證明了“黑洞不存在”的正確性。
在研究中，勞拉將萬有引力理論和量子力學(xué)理論相結(jié)合，得出了這個(gè)結(jié)論。她和霍金都覺得恒星死亡坍塌時(shí)，會(huì)釋放出一種輻射，并且星球自身大部分的質(zhì)量都流失掉了，這些死亡的星球所剩的密度無法滿足形成黑洞的條件。
恒星死亡
如果這一理論最終被證實(shí)，那么“大宇宙大爆炸理論”將被推翻，甚至所有基于現(xiàn)代物理的宇宙起源學(xué)說都將面臨一個(gè)顛覆性的挑戰(zhàn)。
對(duì)于宇宙，人類的好奇心和探索欲望是無窮無盡的，但受制于科技水平的限制，我們?cè)谘芯坑钪娴牡缆飞线€有很長一段路要走。如今得出的所有結(jié)論，都是基于人類角度認(rèn)知，存在不足之處很正常，畢竟與宇宙的年齡相比，人類認(rèn)識(shí)宇宙的時(shí)間實(shí)在太短了。
浩瀚的宇宙
正因?yàn)槿祟悓?duì)宇宙的觀察和認(rèn)識(shí)有限，存在不足和無法解釋的地方，才能夠激勵(lì)人們的進(jìn)步，在探索中將獲取的知識(shí)不斷改良與完善。相信在未來的某一天，我們終將會(huì)揭開宇宙的起源之謎。
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