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在古代的神话传说中,宇宙是由盘古用斧头劈出来的,随着科学的发展,人们对宇宙的认识渐渐的从天圆地方说,到地心说,再到日心说,宇宙中许许多多奇特的现象才被逐渐发现。
自人类诞生以来,探索和发展的脚步从未停止过,人类仍在以现在最前进的水平去探索最大程度的世界与宇宙万物。
首先我们从探索宇宙的起源历程开始说起
1929年,著名的物理学家埃尔德·哈勃观测到了一种现象:
现象表明,越是离我们远的星系,观测到的颜色就越红。然后科学家锁定了一些星系,发现它们呈现的红色是越来越明显的状态,他认为,这种现象是由于这些星系是在远离地球。并把它称为红移现象。
红移现象最初是针对机械波而言的,即一个相对于观察者运动着的物体离得越远发出的声音越浑厚(波长比较长),相反离得越近发出的声音越尖细(波长比较短)。
随着进一步的观测,哈勃发现几乎所有的遥远星系以及星系团都在远离观测点,并且距离越远的星系,远离的速度越快。
最后埃尔德·哈勃推导出来一个重要结论:
宇宙正在膨胀。
紧接着哈勃又就想到:既然现在的星系和星系团之间的距离在不断变大,那么一定说明了:它们过去曾经距离很近。
从这一观点,物理学家开始进一步推测:很久之前,宇宙可能处于一个密度极高,温度也极高的状态。
1931年,物理学家乔治·勒梅特是首先提出关于宇宙起源的大爆炸理论的人,不过他本人将这个理论称作“原生原子的假说”。
该理论主要是说:宇宙正在膨胀,如果从时间上进行反演就意味着宇宙是在坍塌,并且一直进行到不能再继续为止。这个时候宇宙中所有的质量都会集中在一个点,这个点就叫做“原生原子”。
直到1948年伽莫夫建立起了具体的热大爆炸理论:
他认为大约在150亿年以前,宇宙只是一个极其微小的点,然后变成了一个温度极高的“火球”,不知道具体什么原因导致这个“火球”发生了大爆炸,爆炸使得组成火球的物质散落道各地,高温物质冷却,密度降低,从而产生了质子、中子等基本物质。最后经过了不断的膨胀、演变,最终宇宙形成了。
但是仅仅靠宇宙膨胀的观点就推测宇宙大爆炸,显然是不具有说服力的,当时很多科学家也不认同。
关于宇宙大爆炸更有力的证据
1964年,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用一台微波接收器时,无意中发现了宇宙微波背景辐射的存在。
微波背景辐射起源于热宇宙的早期,其是温度近于2.7K的黑体辐射,也被称为3K背景辐射。
背景辐射的黑体谱现象表明,微波背景辐射是在极大时空范围内发生的的事件,背景辐射的各向同性说明在各个不同的方向上,各个相距非常遥远的天区之间,存在过相互联系,简单来说就是:
大概大爆炸后的38万年左右,宇宙出现了第一束光,这些光子随着宇宙的膨胀,能量逐渐降低,最后降到了微波频段。
人们观测到的微波背景辐射图描述的正是早期宇宙的情景。这些辐射对应的黑体辐射温度刚好是3K,并且各向同性。
微波背景辐射为宇宙大爆炸理论提供了有力的支持。自此,大部分科学家都开始相信宇宙大爆炸理论。
138亿年这个数据是怎么得到的呢?关于宇宙的年龄一直存在着争议,如果提出一个理论,需要经过无数观测实验修改才能被接受。
宇宙是138亿岁,这个数字到今天被人类所接受也是经历过许许多多的怀疑,这个数据的诞生其实也要功归于哈勃。
哈勃提出的“哈勃红移”本质上就是计算宇宙年龄的,他发现当恒星远离地球时,从地球上接收到的恒星发出的光谱会向红色的一端移动,反之会向蓝色端移动,同时得出了红移会随着正比增加而增大,从而提出了著名的哈勃定律。
根据哈勃常数,宇宙的年龄就是哈勃常数的倒数。尽管多年来,科学家对于哈勃常数的测定不尽相同。
科学家经过长期对哈勃常数的测算加上微波背景辐射的共同测算,得出宇宙的年龄为大约为138.2亿岁。
那么问题又来了,为何可观测宇宙的直径却有930亿年?
这里需要注意一下,可观测宇宙并不是从字面理解的已经看到的宇宙,实际上我们现在并没有观测到来自456亿光年外的光。这个930亿光年的直径而是从理论上我们应该能够看到的宇宙。
930亿光年外的光线由于宇宙的加速膨胀,导致我们永远也无法接收到这些光,也就成了不可观测宇宙。
由于宇宙年龄只有138亿年,根据新的哈勃常数计算发现宇宙膨胀速度导致的退行速度是超光速的。简而言之就是:因为宇宙超光速膨胀,所以可观测宇宙的直径达到了930亿年,其实宇宙实际大小会比920亿光年更大。
不过宇宙的超光速膨胀并不违反爱因斯坦的相对论,因为宇宙膨胀是时空本身的膨胀,并不是物质在膨胀。而爱因斯坦的相对论是有条件限制的,并不是不存在超越光速的现象。
相对论指出指任何携带信息能量的东西都无法超越光速,而宇宙膨胀是空间的膨胀,这个过程中不携带任何能量和信息。
最后我们来总结一下
宇宙的年龄是通过哈勃定律并结合宇宙微波背景辐射经过多次测算才得出的数据。可观测宇宙是指,我们理论上应该能看到的宇宙范围,并不是已经看到的。宇宙的大小远远大于138亿光年,是因为宇宙正在加速膨胀,并且膨胀速度已经超过了光速。
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