宇宙大爆炸理论简介(什么是宇宙大爆炸理论)

谈到Big Bang你会想到什么?是红极一时的韩国偶像天团,还是连续更新了十二季的美国情景喜剧?在宇宙学家眼中,这个术语来自现代宇宙学(即热大爆炸宇宙学说),代表着一场美轮美奂的“演化”,…

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谈到Big Bang你会想到什么?是红极一时的韩国偶像天团,还是连续更新了十二季的美国情景喜剧?在宇宙学家眼中,这个术语来自现代宇宙学(即热大爆炸宇宙学说),代表着一场美轮美奂的“演化”,它以最简单、朴实却又充满想象力的艺术图像刻画了我们宇宙漫长的138亿年的历史。

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阿里原初引力波观测台址示意图 资料图片

什么是“宇宙大爆炸”理论呢?这个理论认为,宇宙是由138亿年前的一个时空奇点引发的,这个奇点通过剧烈膨胀将时间和空间伸展开来,形成宇宙。“宇宙大爆炸”理论雏形在20世纪40年代由物理学家伽莫夫等人提出,用以理解宇宙中的轻元素丰度。刚被提出时,它还叫“原初核合成理论”,当时的英国物理学家霍伊尔并不是很认同该理论,霍伊尔在BBC电台的一次采访中笑称该理论把宇宙的演变说得像是一次“大爆炸”,而正是由于他那次的脑洞大开,“宇宙大爆炸”的名字便沿用至今。

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膜宇宙的碰撞与远离 资料图片

其实,自爱因斯坦提出广义相对论,科学家们就面对这样一个难以解决的问题——“生”出宇宙的时空奇点其所有的物理参量,例如能量密度、曲率、温度,都是无穷大的,但无穷大发散在数学上的描述是不自洽的。

为了解决这个问题,物理学家们绞尽脑汁。20世纪30年代,一群研究爱因斯坦引力理论的“狂热分子”给出了各种宇宙学解决方案。其中,美国物理学家理查德·托尔曼在1934年提出的“振荡宇宙”理论最为盛行。但根据时间反演倒推回过去,振荡周期变得越来越短,宇宙的最终命运仍然是大爆炸的奇异性。由于这个问题的存在,再加上过去半个世纪热大爆炸宇宙学说和暴胀理论的巨大成功,物理学家们对振荡宇宙的研究兴趣在20世纪80年代左右略有削弱。

然而,大爆炸奇点的“乌云”仍然笼罩在当前的宇宙学中,对振荡宇宙的研究也在继续。在1995年召开的弦理论会议上,物理学家爱德华·威滕在提出的M理论认为,空间不仅仅是我们熟悉的三维空间,而具有更高的维度,但这些额外的空间维度是卷曲的。从更高维度的空间和时间看,我们的宇宙很像是一部三维电影。

受这种疯狂观点的启发,普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特和剑桥大学的尼尔·特洛克在2001年提出了一个新的循环宇宙模型——火劫模型。在这个模型中,宇宙创生是周期性的,如同凤凰涅槃之后火劫重生。

从一开始对大爆炸时空奇点束手无策到周而复始、无始无终的火劫模型,物理学家们取得了不小的理论进展。但这个模型毕竟只是一个假说,它面临着两大问题:一是如何利用合理的数学语言来精确刻画这个模型;二是这个模型如何真实地刻画我们的宇宙,并解释在这个宇宙中所发生的一切,特别是我们人类所观测到的一切。

为了回答这些问题,宇宙学家们先将目光集中到只发生一次收缩和膨胀过程的宇宙学图像,并称之为“反弹学说”。构造这一图像的理论模型都可以解决热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。反弹学说不仅很好地继承了热大爆炸宇宙学所取得的累累硕果,更让我们避免了那个会让所有物理理论失效的时空奇点。

解决大爆炸奇点问题,接下来面对的就是如何证明宇宙曾经历过一段收缩过程。幸运的是,无论宇宙在极早期经历了什么样的演变,微观世界中的量子波动总会存在。我们今天看到的由宇宙微波背景辐射(CMB)的温度涨落形成的多彩宇宙:星系、恒星、地球乃至我们自己,都是从宇宙婴儿期的量子波动演变而来的。这些量子波动被拉伸到宏观尺度,形成所谓的原初密度扰动,它们将为后期宇宙中大尺度结构的形成提供最原始的种子。

这之后,新一波的疑问接着产生:宇宙是来自大爆炸的奇点,还是从收缩过程中的反弹?宇宙在极早期究竟发生了什么?这些问题至今仍没有定论。但它也吸引了越来越多的宇宙学家思考。令我们意外的是,在热大爆炸后大约38万年,我们的宇宙为自己拍了张“自拍照”,这张自拍照使得原初引力波信号可以通过宇宙微波背景辐射的高精度测量来验证。通过分析CMB的偏振涨落,我们发现原初宇宙中的张量扰动(即原初引力波)可以直接导致CMB拥有B模式的偏振信号。宇宙学家曾试图利用WMAP、Planck等卫星搜集到的近15年的数据重构原初扰动,甚至原初宇宙的模样,遗憾的是截至目前原初引力波仍没有被观测到。

虽然对原始引力波的探索很难,但我们仍在不懈地努力寻找那些宝贵的原初B模偏振信号。由于卫星实验通常成本高昂,并且操作寿命和承载能力在技术上受到不同程度的限制,人们不得不更多地探索在地面探测CMB的方法——地基天文台。迄今为止,已建成并计划进行的CMB地面观测主要集中在智

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