本文发表在 rolia.net 枫下论坛大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型,这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的(根据2010年所得到的最佳观测结果,这些初始状态大约存在於133亿年至139亿年前),并经过不断的膨胀到达今天的状态。
以上摘自维基百科:
http://zh.wikipedia.org/zh/%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8
关于大爆炸,我个人的通俗理解是:
1.宇宙有一个起点。
2.宇宙从这个起点膨胀成目前的样子,而且仍在膨胀。
对于这两点,客观地说,几乎所有的“普通人”都没有能力亲自验证,更不可能“眼见为实”,那么“宇宙膨胀”和“大爆炸”的说法,是如何深入人心,甚至问一个中学生,都能说出一二来的呢?我们来看看“宇宙膨胀”观点的论证过程(以下内容主要来源于史蒂芬·霍金的《时间简史》以及网上资料):
比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论,但他本人将其称作“原生原子的假说”。这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论。1922年,苏联物理学家亚历山大·弗里德曼用广义相对论描述了流体,从而给出了这一模型的场方程。
1924年美国天文学家埃得温·哈勃通过测量恒星亮度的方法,算出了九个不同星系的距离,从而确定了现代的宇宙图象。哈勃的观测表明,所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点,并且距离越远退行视速度越大。
说到这里,先插播几个常识:
光谱:光通过一个称为棱镜的三角形状的玻璃块,就会被分解成像彩虹一样的分颜色。同时,每一化学元素都有非常独特的吸收光谱线族,通过观测光谱中的缺失部分,我们可以推断出这个发光体是出何种元素构成的。
多普勒效应:波源和观察者有相对运动时,观察者接受到波的频率与波源发出的频率並不相同的现象。远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细(即频率变高,波长变短),而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉(即频率变低,波长变长)。
红移:我们知道光是有波的性质的(我高中的知识告诉我,光有波粒二象性),当光源离观测点远去时,光谱会向波长更长的红色部分偏移,称为红移;反之,如果光源靠近观测点,则会产生蓝移,这是多普勒效应在可见光部分的表现。
在20年代天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时,他们发现了最奇异的现象:它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族(说明是由相同的元素构成的),只是所有这些线族都向光谱的红端移动了同样相对的量。
在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里,他花时间为它们的距离以及观察到的光谱分类。那时候大部份人相信,这些星系的运动相当紊乱,所以预料会发现和红移光谱一样多的蓝移光谱。但是,十分令人惊异的是,他发现大部份星系是红移的——几乎所有都远离我们而去!
更惊异的是1929年哈勃发表的结果:甚至星系红移的大小也不是杂乱无章的,而是和星系离开我们的距离成正比。换句话讲,星系越远,则它离开我们运动得越快!这表明宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态,而实际上是在膨胀;不同星系之间的距离一直在增加着。
前面我们提到苏联物理学家亚历山大·弗里德曼,他对宇宙做了两个非常简单的假设:
1.我们不论往哪个方向看,也不论在任何地方进行观察,宇宙看起来都是一样的。
2.从任何其他星系上看宇宙,在任何方向上也都一样。
弗利德曼指出,仅仅从这两个观念出发,我们就应该预料宇宙不是静态的。事实上,弗利德曼在1922年所做的预言,正是几年之后埃得温·哈勃所观察到的结果。
这样,就出现了另一个问题:如果宇宙一直在不断地膨胀,光谱中的红移部分超过了可见光的范围之后会变成什么呢?
1965年,美国新泽西州贝尔电话实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在检测一个非常灵敏的微波探测器时,他们的检测器收到了比预想的还要大的噪声。
彭齐亚斯和威尔逊为此而忧虑,这噪声不像是从任何特别方向来的。首先他们在探测器上发现了鸟粪并检查了其他可能的故障,但很快就排除了这些可能性。他们知道,如果是地球级别的微波,是无法忽视地球大气层的阻碍的,当探测器倾斜地指向天空时,从大气层里来的噪声应该比原先垂直指向时更强,因为光线在沿着靠近地平线方向比在头顶方向要穿过更厚的大气。然而,不管探测器朝什么方向,这额外的噪声都是一样的,所以它必须是从大气层以外来的,并且在白天、夜晚、整年,也就是甚至地球绕着自己的轴自转或绕太阳公转时也是一样的。这表明,这辐射必须来自太阳系以外,甚至星系之外,否则当地球的运动使探测器指向不同方向时,噪声必须变化。
事实上,我们知道这辐射必须穿过我们可观察到的宇宙的大部分,并且由于它在不同方向都一样,至少在大尺度下,这宇宙也必须是各向同性的。现在我们知道,不管我们朝什么方向看,这噪声的变化总不超过万分之一。这样,彭齐亚斯和威尔逊无意中极其精确地证实了弗利德曼的第一个假设。
大约同时,在附近的普林斯顿的两位美国物理学家,罗伯特·狄克和詹姆士·皮帕尔斯也对微波感兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫(曾为亚历山大·弗利德曼的学生)的一个见解:早期的宇宙必须是非常密集的、白热的。狄克和皮帕尔斯认为,我们仍然能看到早期宇宙的白热,这是因为光是从它的非常远的部分来,刚好现在才到达我们这儿。然而,宇宙的膨胀使得这光被如此厉害地红移,以至于现在只能作为微波辐射被我们所看到。正当狄克和皮帕尔斯准备寻找这辐射时,彭齐亚斯和威尔逊听到了他们所进行的工作,并意识到,自己已经找到了它。为此,彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺贝尔奖(狄克和皮帕尔斯看来有点难过,更别提伽莫夫了!)
从以上的介绍我们可以看到,大爆炸的假设,从提出到验证,经历了40多年的时间,不同的科学家在不同领域的观测结果(我只是选取了最直接的几个证据,其它还有很多),指向了同一个可能性,从而形成了一个相对完整的证据链。甚至科学家在观测和试验开始时的目的,都不一定是为了验证这个假设。
我们不会去关注这个假设,是谁提出来的,我们甚至可能理解不了这个假设的内容,但是这个假设的验证过程,就是我一直强调的科学的方法。
科学的方法,是一个假设、验证、完善甚至推翻的过程。特别是在验证的过程中,不能为了证明自己假设的正确,而选择性地忽略与假设相悖的结果,因为这个结果很可能验证了其它的假设。
客观地说,到目前为止,还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。也就是我个人通俗理解的第一点:宇宙有一个起点。所以,大爆炸理论还无法对宇宙的初始状态作出任何描述和解释,事实上它所能描述并解释的是宇宙在初始状态之后的演化图景,也就是我说的第二点:宇宙从这个起点膨胀成目前的样子,而且仍在膨胀。
大爆炸理论是一种科学理论,它的成立是建立在和观测相符合的基础上的。自大爆炸理论被主流物理宇宙学界接受以来,已经有多个宗教团体对大爆炸理论做出了反应,其中有些忠实接受了大爆炸理论的科学依据,而有些试图将大爆炸理论和他们自己的宗教教义相统合,有些则是完全反对或忽视了大爆炸理论的证据。更多精彩文章及讨论,请光临枫下论坛 rolia.net
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关于大爆炸,我个人的通俗理解是:
1.宇宙有一个起点。
2.宇宙从这个起点膨胀成目前的样子,而且仍在膨胀。
对于这两点,客观地说,几乎所有的“普通人”都没有能力亲自验证,更不可能“眼见为实”,那么“宇宙膨胀”和“大爆炸”的说法,是如何深入人心,甚至问一个中学生,都能说出一二来的呢?我们来看看“宇宙膨胀”观点的论证过程(以下内容主要来源于史蒂芬·霍金的《时间简史》以及网上资料):
比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论,但他本人将其称作“原生原子的假说”。这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论。1922年,苏联物理学家亚历山大·弗里德曼用广义相对论描述了流体,从而给出了这一模型的场方程。
1924年美国天文学家埃得温·哈勃通过测量恒星亮度的方法,算出了九个不同星系的距离,从而确定了现代的宇宙图象。哈勃的观测表明,所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点,并且距离越远退行视速度越大。
说到这里,先插播几个常识:
光谱:光通过一个称为棱镜的三角形状的玻璃块,就会被分解成像彩虹一样的分颜色。同时,每一化学元素都有非常独特的吸收光谱线族,通过观测光谱中的缺失部分,我们可以推断出这个发光体是出何种元素构成的。
多普勒效应:波源和观察者有相对运动时,观察者接受到波的频率与波源发出的频率並不相同的现象。远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细(即频率变高,波长变短),而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉(即频率变低,波长变长)。
红移:我们知道光是有波的性质的(我高中的知识告诉我,光有波粒二象性),当光源离观测点远去时,光谱会向波长更长的红色部分偏移,称为红移;反之,如果光源靠近观测点,则会产生蓝移,这是多普勒效应在可见光部分的表现。
在20年代天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时,他们发现了最奇异的现象:它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族(说明是由相同的元素构成的),只是所有这些线族都向光谱的红端移动了同样相对的量。
在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里,他花时间为它们的距离以及观察到的光谱分类。那时候大部份人相信,这些星系的运动相当紊乱,所以预料会发现和红移光谱一样多的蓝移光谱。但是,十分令人惊异的是,他发现大部份星系是红移的——几乎所有都远离我们而去!
更惊异的是1929年哈勃发表的结果:甚至星系红移的大小也不是杂乱无章的,而是和星系离开我们的距离成正比。换句话讲,星系越远,则它离开我们运动得越快!这表明宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态,而实际上是在膨胀;不同星系之间的距离一直在增加着。
前面我们提到苏联物理学家亚历山大·弗里德曼,他对宇宙做了两个非常简单的假设:
1.我们不论往哪个方向看,也不论在任何地方进行观察,宇宙看起来都是一样的。
2.从任何其他星系上看宇宙,在任何方向上也都一样。
弗利德曼指出,仅仅从这两个观念出发,我们就应该预料宇宙不是静态的。事实上,弗利德曼在1922年所做的预言,正是几年之后埃得温·哈勃所观察到的结果。
这样,就出现了另一个问题:如果宇宙一直在不断地膨胀,光谱中的红移部分超过了可见光的范围之后会变成什么呢?
1965年,美国新泽西州贝尔电话实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在检测一个非常灵敏的微波探测器时,他们的检测器收到了比预想的还要大的噪声。
彭齐亚斯和威尔逊为此而忧虑,这噪声不像是从任何特别方向来的。首先他们在探测器上发现了鸟粪并检查了其他可能的故障,但很快就排除了这些可能性。他们知道,如果是地球级别的微波,是无法忽视地球大气层的阻碍的,当探测器倾斜地指向天空时,从大气层里来的噪声应该比原先垂直指向时更强,因为光线在沿着靠近地平线方向比在头顶方向要穿过更厚的大气。然而,不管探测器朝什么方向,这额外的噪声都是一样的,所以它必须是从大气层以外来的,并且在白天、夜晚、整年,也就是甚至地球绕着自己的轴自转或绕太阳公转时也是一样的。这表明,这辐射必须来自太阳系以外,甚至星系之外,否则当地球的运动使探测器指向不同方向时,噪声必须变化。
事实上,我们知道这辐射必须穿过我们可观察到的宇宙的大部分,并且由于它在不同方向都一样,至少在大尺度下,这宇宙也必须是各向同性的。现在我们知道,不管我们朝什么方向看,这噪声的变化总不超过万分之一。这样,彭齐亚斯和威尔逊无意中极其精确地证实了弗利德曼的第一个假设。
大约同时,在附近的普林斯顿的两位美国物理学家,罗伯特·狄克和詹姆士·皮帕尔斯也对微波感兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫(曾为亚历山大·弗利德曼的学生)的一个见解:早期的宇宙必须是非常密集的、白热的。狄克和皮帕尔斯认为,我们仍然能看到早期宇宙的白热,这是因为光是从它的非常远的部分来,刚好现在才到达我们这儿。然而,宇宙的膨胀使得这光被如此厉害地红移,以至于现在只能作为微波辐射被我们所看到。正当狄克和皮帕尔斯准备寻找这辐射时,彭齐亚斯和威尔逊听到了他们所进行的工作,并意识到,自己已经找到了它。为此,彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺贝尔奖(狄克和皮帕尔斯看来有点难过,更别提伽莫夫了!)
从以上的介绍我们可以看到,大爆炸的假设,从提出到验证,经历了40多年的时间,不同的科学家在不同领域的观测结果(我只是选取了最直接的几个证据,其它还有很多),指向了同一个可能性,从而形成了一个相对完整的证据链。甚至科学家在观测和试验开始时的目的,都不一定是为了验证这个假设。
我们不会去关注这个假设,是谁提出来的,我们甚至可能理解不了这个假设的内容,但是这个假设的验证过程,就是我一直强调的科学的方法。
科学的方法,是一个假设、验证、完善甚至推翻的过程。特别是在验证的过程中,不能为了证明自己假设的正确,而选择性地忽略与假设相悖的结果,因为这个结果很可能验证了其它的假设。
客观地说,到目前为止,还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。也就是我个人通俗理解的第一点:宇宙有一个起点。所以,大爆炸理论还无法对宇宙的初始状态作出任何描述和解释,事实上它所能描述并解释的是宇宙在初始状态之后的演化图景,也就是我说的第二点:宇宙从这个起点膨胀成目前的样子,而且仍在膨胀。
大爆炸理论是一种科学理论,它的成立是建立在和观测相符合的基础上的。自大爆炸理论被主流物理宇宙学界接受以来,已经有多个宗教团体对大爆炸理论做出了反应,其中有些忠实接受了大爆炸理论的科学依据,而有些试图将大爆炸理论和他们自己的宗教教义相统合,有些则是完全反对或忽视了大爆炸理论的证据。更多精彩文章及讨论,请光临枫下论坛 rolia.net