宇宙在什么状态下诞生

访客 宇宙探索 2018-01-15 0

 

宇宙的创世起源为何?不同文化有不同的传说。 这个大哉问在科学的历程上又是如何发展的呢?看科学家如何透过望远镜拼凑拼图,组成这幅伟大的图像

宇宙在什么状态下诞生

图说:宇宙由时间与空间中的一个点诞生,科学家发现大霹雳造成的辐射之后,才证实了这个想法。

宇宙在灼热致密的状态下诞生,这是科学史上非常重要及完整的概念,弗瑞德?霍伊尔称之为大霹雳。 不过,这个概念问世至今还不到百年,披头四乐团在1960年代轰动乐坛时,天文学家都还没证明大霹雳确实存在。 50年前的夏天,科学家终于发现确实证据,这个证据就是宇宙微波背景辐射,但其实当时已有许多间接证据。

回顾历史, 大霹雳的概念问世于俄联数学家亚历山大?弗里特曼1922年发表的论文中。 弗里特曼发现,从爱因斯坦描述空间、时间和物质特性的广义相对论方程式看来,可能有不同种类的宇宙存在。 有些宇宙起初很小,但会随时间而扩大;有些宇宙一开始很大,但会随时间而缩小。 有些宇宙从一个极小的点扩大到某个程度,又缩小成一个点,或许会再「跳入」另一回合的扩大和缩小。 当时没有任何确实证据可证明我们的宇宙与这些数学模型相符。

宇宙在什么状态下诞生

但这并没有让弗里特曼就此放弃研究。 他在1923年出版的《空间与时间构成的世界》中写道,「由于缺乏可靠的天文资料,引用任何数字来说明宇宙的年龄都没有意义,但如果为了好奇而计算宇宙从一个小点诞生到目前所花的时间,也就是「创世」至今已经过了多久,得出的数字应该是百亿年左右。 」这个说法相当接近科学界目前普遍认可的138亿年,但当时没有人注意。

是星系还是星云?

但是弗里特曼不知道,其实已经有天文资料支持他的说法。 美国罗威尔天文台的维斯托?斯里弗一直在研究来自当时称为「星云」(螺旋形云状物质)的光。 当时科学家仍在争议这类天体到底是银河系内的气体云(恒星可能的形成处)? 还是比银河系遥远许多、体积也大得多的星系?

出乎斯里弗意料的是,他发现来自这些螺旋状星云的光有「红移」现象,而且红移幅度相当大(参见〈重点解析〉一栏)。 这个现象最单纯的解释就是这些天体正快速远离我们,而红移则是源自都卜勒效应。 红移现象显示这些天体的距离确实在银河系以外。 但还有另一种可能。 在弗里特曼发现的宇宙扩张模型中(但斯里弗不知道这个模型),空间随时间而拉长时也会造成类似的红移效应。#p#分页标题#e#

宇宙在什么状态下诞生

关于螺旋状星云特性的争议在1924年解决。 艾德温?哈柏当时在美国加州威尔森山刚刚完工的2.5公尺口径望远镜工作。 这具望远镜的观测能力远高于斯里弗可使用的望远镜,因此可藉由研究该「星云」中的造父变星等变星,测量地球到仙女座星云(现称星系)的距离。 这项资料加上对其他星云测距的结果,一举证明了螺旋形天体其实是宇宙中的遥远星系。 现在时机已经成熟,科学家可将红移和距离整合起来,放入广义相对论的方程式,用来描述我们的宇宙。

完成这项工作的是比利时数学家及天文学家乔治?勒梅特。 勒梅特居住在比利时,但曾经造访过英国剑桥大学、美国哈佛大学及威尔森山。 他见过斯里弗和哈柏,知道当时最新的观测结果,但完全不知道弗里特曼的研究。 因此当他独立发现与弗里特曼相同的爱因斯坦方程式解时,是以实际宇宙观测的结果来解释这个方程式。 他把所有资料汇集在一起,依照经验法则,看起来较模糊的星系一定比较明亮的星系更远,从而发现星系的红移幅度取决于它与地球的距离,也就是「速度」与距离成正比。 但他也发现这不是都卜勒效应。 如同他在1927年曾经提到的,红移是「宇宙扩张的效应」。

 
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