大爆炸宇宙論

 大爆炸宇宙論

2021-06-25 李志民

 

 

現代科學產生於四百年前，在發展的過程中，不斷有新的假說、新的學科產生，並不斷更新、淘汰原有的理論。但其基本假設一直未變，就是認為物質世界是客觀的、無意識的，自然法則不受人的主觀意志影響。

大爆炸宇宙論是理論天文物理學努力建造的宇宙理論模型，企圖使天文物理觀測結果能夠自洽，與其說是科學理論，不如說是哲學思想。

 

宇宙是時間、空間、物質的總和。宇宙指人類所存在的一個時空連續系統，包括其間的所有物質、能量和時間。對於這體系的整體解釋構成了宇宙論。

 

根據自然科學的解釋，20世紀中葉，G.伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型。1965年微波背景輻射的發現佐證了伽莫夫等人的預言。從此，許多人把大爆炸宇宙模型看成標準宇宙模型。

 

 

作為現在宇宙學中最有影響的一種學說，大爆炸宇宙論（The Big Bang Theory）認為：

宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於137億年前一次大爆炸後膨脹形成。其主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這段時期裡，宇宙體係不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。

大爆炸理論的建立是基於兩個基本假說：物理定律的普適性和宇宙學原理。

爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸後的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。

隨著溫度降低、冷卻，逐步形成了原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝結成星雲，星雲進一步形成各種不同的恆星和星系，最終形成現今的宇宙。

與許多宇宙、物理理論類似，在今天已被認為是常識的大爆炸理論，其研究歷程從不被科學界接受到被驗證、再到成熟也經歷了許多波折。

即使在這個理論剛提出後的很長一段時間，世界科學界對其的態度是「嗤之以鼻」的，這是因為當時的科學界受進化論推翻「上帝創造論」哲學思潮的影響，盲目地反對傳統理論，不承認如《聖經》所言，宇宙是有一個起點的。

這時期的西方科學界堅持宇宙和物質是恆定不變、無始無終的，對所有涉及宇宙和萬物都「有一個起點」的理論一概不予承認，包括像愛因斯坦這樣的大科學家也受其影響。

但從1922年美國天文學家埃德溫·哈伯開始觀測到「紅移現象」開始，有關「宇宙膨脹」的觀點開始形成。

1927年，比利時牧師,天文學家和物理學家勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假說。

1929年，埃德溫·哈伯根據假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈伯定律，並推導出星係都在互相遠離的宇宙膨脹說。愛因斯坦在哈伯的帶領下也親自進行了紅移現象的觀測，並公開承認自己主觀意識影響科學結論的錯誤，去掉了場方程中的宇宙常數，於是就有了我們今天所熟知的愛因斯坦場方程式（Einstein Field Equation）。

1940年前後，蘇聯物理學家伽莫夫 (George Gamow)將相對論引入宇宙學，第一個建立了熱大爆炸的宇宙學模型，認為，宇宙最初開始於高溫高密的原始物質，溫度超過幾十億度。隨著宇宙膨脹，溫度逐漸下降，形成了現在的星系等天體。他們還預言了宇宙微波背景輻射的存在。他認為我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘餘輻射中，其溫度約為6K。

伽莫夫也是是首位(1953年)以密碼學角度來思考DNA的學者。

 

(1) 測量到宇宙微波背景輻射

1964年，美國貝爾電話公司的工程師彭齊亞斯和威爾遜在調試他們巨大的喇叭形天線時觀測到並進一步測量和計算得出了3K宇宙微波背景輻射，他們的觀測證實了熱大爆炸理論的預言。宇宙微波背景輻射成為1960年代天文學四大發現之一，彭齊亞斯和威爾遜於1978年獲得了諾貝爾物理學獎。

 

(2) 測量到各種輕元素豐度

此外，實際測量到的各種輕元素豐度與大爆炸核合成理論所預言的輕元素豐度基本符合，這也是對大爆炸理論的強大支持。

 

(3) 擴張速率不斷加速的發現

美國人索爾·珀爾馬特和亞當·里斯及持有美國、澳大利亞雙重國籍的布萊恩·施密特通過研究幾十顆處於爆炸狀態的恆星即“超新星”，發現宇宙正在擴張過程中，擴張速率不斷加速，這項「震動了宇宙學的基礎」的發現改變了人類對宇宙的認識，這三位科學家也因此獲得2011年諾貝爾物理學獎。

 

(4) 原初重力波存在證據

2014年3月17日，美國物理學家宣布首次發現了宇宙原初重力波存在的直接證據。原初重力波是愛因斯坦在1916年發表的廣義相對論中提出的，是宇宙誕生之初產生的一種時空波動，隨著宇宙的演化而被削弱。科學家認為原初重力波如同大爆炸的“餘響”，可幫助人們追溯到宇宙誕生之初一段極其短暫的急劇膨脹時期。

2016年初，美國雷射干涉重力波天文台（LIGO）和歐洲重力波天文台（VIRGO）的科學家共同宣布，他們於2015年9月14日國際標準時間9:51，由兩座分別設定在華盛頓州和路易斯安那州的LIGO觀測台探測到了來自一個雙黑洞系統13億年前產生的重力波訊號，該訊號來自兩個黑洞的合併，兩個黑洞質量分別為29個和36個太陽質量，合併過程中有相當於3倍太陽質量的能量被以引力波形式釋放出去，該發現被稱為“世紀發現”，該探測計劃中的三位重要科學家因此獲得了2017年諾貝爾物理學獎。

 

儘管大爆炸理論在現代物理學上具有如此重要的地位，但也存在著一定的問題及論點。如對於大爆炸後最初的幾分鐘，由於相關的觀測嚴重缺乏，最早期宇宙物質——能量的實際形式很大程度上仍只是猜測。

 

物質對反物質的絕對優勢尚未透徹說明，以及與暗物質和暗能量的產生和本質有關的一些問題。愛因斯坦也承認相對論本身並不完美，它無法處理極端情況。

 

2014年9月28日，美國理論物理學家勞拉·梅爾西尼·霍頓在線上物理學知識庫ArXiv發表文章稱她運用數學方法證明了“黑洞是不存在的”，一旦該觀點被科學界論證是正確的話，大爆炸理論可能會因此而被推翻，甚至現代物理學對於宇宙的起源學說可能將被全部推翻，然而，科學的魅力應該也源自這無止境地更新與完善，人類的文明也將在這不斷地探索與發現中越走越遠。

 

科學新發現必須經過實驗或觀察並經得起重複檢驗。科學是不斷證偽的過程，當我們獲得了新的知識，就必須改變或拋棄原本錯誤的認知。例如，今天我們認為地心說是一種錯誤的結論，但是在當時，它是透過科學方法建構起來的，只是受限於人的觀察能力。地心說被日心說證偽了，同樣大爆炸宇宙論也有被證偽的可能。