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    大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

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      牛顿

      任何一个专家希望在他们的领域与其他人交流他们的热情和知识,最重要的事情之一是与各样的观众进行互动。有时,那些不同可以给一部分观众带来麻烦。作为你可以提交给我们的关于“询问伊森”系列的问题和建议的一部分,我们有来自克里斯·肖的相关询问,他问:“如果有人问你并且你不得不回答你的真实感受,你会说宇宙从一个热的稠密状态膨胀是超越理论的事实么?如果你必须用你的生命下赌注,你会说什么?

      这个问题有很多重要的细微差别,所以让我们从你提到的特殊的一个开始:大爆炸。

      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:NASA/GSFC.

      与你可能已经听说的相反,大爆炸不一定意味着宇宙开始于一个奇点,而是开始于一个热的,稠密的,扩张的状态,并且从那之后一直在冷却。有一个关键的发现和一个关键的理论发展导致这个理论形成:

      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:ESA/哈勃&NASA;确认:朱迪·施密特。

      在观测方面,这是注意到螺旋星云——在1920年代发现的星系——以惊人的速度远离我们,他们的距离越远,他们似乎远离我们越快(平均来说)。

      大约在同一时间,人们意识到,爱因斯坦的广义相对论(于1919年发现在日全食时由于重力而弯曲的星光而被验证)否认宇宙是静止的,且宇宙本身的结构必须随时间膨胀或者收缩。

      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:戴夫·贾维斯

      通过结合观测结果和最好的最成功的理论预测,有一个无法避免的最新结论:宇宙本身的结构正在膨胀,并且造成明显衰退的原因是,来自于遥远宇宙的光线被空间本身的膨胀给拉长了。大爆炸把这一步向前推进,并且说今天膨胀的宇宙可以及时被推回到过去更热,更稠密,并且膨胀更快速的宇宙。

      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:NASA/STScl/A.Felid.

      但是观测和理论的结合本身,不会使大爆炸成为必然。然而,大爆炸只是许多新的出现于前沿的假设之一,此外还有疲劳光假设、稳态模型和(后来的)等离子体宇宙学/电宇宙模型。使大爆炸区别于其他选择的是它独特的预测:

      宇宙曾经又热又密集,以至于原子核在没有立即爆炸的情况下不可能形成。这预测了早期宇宙中非常具体的轻元素的丰富度,包括氘,氦-3,氦-4和锂的数量,这些元素应该在宇宙中第一批恒星形成前是没有被改变的。

      宇宙会冷却到一个中性原子可以形成的状态,结果导致宇宙中存在的所有辐射变透明。这些光线应该被宇宙的膨胀所拉伸(从而冷却),给我们留下大爆炸的残留物,这些残留物只比绝对零度高几度,并且会有黑体光谱。

      并且除此之外¸这预测了一个宇宙,在这个宇宙中,随着时间的推移,恒星,星系核星系团等结构将逐渐以更进化的形式出现,并且我们看的越远,宇宙进化程度越低。

      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:NASA/WMAP科学团队

      对大爆炸残留物的观测,在二十世纪六十年代它被发现时被认为是原始火球并且今天被认为是宇宙微波背景(CMB),证明了大爆炸模型并且否定了其他所有的模型。随后,对其缺点的观测,对温度范围和其他特性的测量完全排除了所有其他的选择。大爆炸作为宇宙起源的科学理论,已经存在了。

      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:NASA/CXC/M.Weiss.

      现在,那不意味着它是一个事实,因为这绝不是解释所有事情的最后的答案。这是旅途的第一步,成功且清晰地解释了许多当今宇宙的特性;没有其他解释与我们看到的一致。但是,除了大爆炸本身可以处理的问题之外,还有很多需要解释的问题,包括:

      • 结构的种子——产生了恒星,星系和星系团等的高密度区域——从何而来?
      • 为什么宇宙在所有方向上和空间里有相同的温度,密度和特性?
      • 为什么宇宙的空间曲率是完全平坦的,而不是正弯曲或负弯曲?
      • 为什么膨胀率随时间变化,而不是其他方式?
      • 为什么如今的宇宙中没有像磁单极子一样的超高能量的遗迹?
      • 为什么结构的形成表明了物质的组成部分,大多数的物质,而不与辐射相互作用?
      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:Bock 等(2006,astroph/0604101);由我修改。

      这是为什么我们对大爆炸有了最初提出的改进,包括宇宙膨胀的存在(先于且导致了宇宙大爆炸),暗物质(其性质仍有待确定),和暗能量(其特性仍有待发现)。这是为什么我们期望新的宇宙的发现来解释中微子的质量,宇宙中的物质(而非反物质)的优势,和暗物质本身的性质。

      这个重点是说仍然有很多需要学习,并且可能有很多会取代大爆炸,但没有一个会使他失去作用。在广义相对论提出时,牛顿引力没有变成错的;它仅仅被意识到有一个有限制的有效范围:减缓速度和弱化引力场。同样,大爆炸也有一个有限制的有效范围:只在过去的138亿年,而不是在那之前。

      大爆炸产生了什么物质,残留到现在的还有什么,对如今有什么影响

      图片来源:Bock等,2012,来自SPIE 新闻空间.DOI:10.1117/2.1201202.004144.

      值得注意的是,所有的科学理论都是这样的!进化论解释了如今地球上生命的多样性以及它是如此形成的,但是它没有解释生命的起源。万有引力理论解释了物质和能量体验的吸引力和它如何吸引空间和时间,但是它没有解释其他基本力量,也没有解释空间和时间本身的性质。每一个理论都有有效范围,并且除此之外,还需要更好的科学理论,过大其有效范围。

      至于我是否会赌上我的生命?在某种意义上,我已经这样做了。这是我用来谋生的方式;整个科学事业——收集数据、与观察结果比较并根据我们的发现来进行自我修正的方法——是我们最初获得这种知识和理解的方式。我的生命“赌”于这样一种假设,它是了解我们所有人生活的好的、有效且有用的方式。然而,我充分意识到简单的发现可以改变我们认为我们知道的所有事情,如果数据与我们的理论预测相矛盾,我们最神圣的结论和理论可能会被证伪和推翻。它不会使我们已经知道的东西失效,它只会提供一个更好的方式来更好地理解我们周围的宇宙。并且不论何时,那都是科学界最大的乐趣:发现事物的乐趣。

      如果你对“询问伊森”有问题或建议,请发送给我们。

      参考资料

      1.WJ百科全书

      2.天文学名词

      3. Ethan Siegel Senior Contributor- Vv

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