宇宙大爆炸理论是对现有宇宙形成和发展过程最大胆、最有依据、最为完美的一种假设,虽然我们以现在的技术水平无法真正去探知大爆炸瞬间的情景,更没法去探知大爆炸之前到底是什么面貌,但是通过对现有宇宙的所有观测,都无一例外地支撑了以奇点大爆炸为起点的宇宙演化模型。根据这个模型,科学家们推测宇宙大爆炸来源于以体积无限小、质量无限大、温度无限高为主要特征的奇点的大爆炸,而在大爆炸之前,宇宙既没有时间,也不存在空间,奇点就是宇宙的全部,那么有朋友不禁要问了,当时引力是否存在呢?
引力是除了电磁波以外,人们在现实生活中最常见的一种基本作用力,另外的两种基本作用力,即强核力与弱核力,乃是微观领域表征基本粒子之间相互作用的力。在17世纪中叶,伟大的物理学家牛顿在继承和总结前人工作和经验的基础上,主要包括开普勒三大定律、哈雷等提出的向心力公式、胡克的引力猜想等,提出了著名的万有引力公式,明确了只要是有质量的物体之间,必然会产生相互吸引的万有引力,引力的大小与双方质量的乘积成正比、与它们之间距离的平方成反比。
此后,牛顿以力学三大定律以及万有引力定律为基础,逐步形成了比较完善的力学体系,从微观的粒子层面到宇宙天体运行的宏观层面,从可以应用这个力学体系进行解释,从而奠定了近现代物理科学体系的大厦根基。但是,牛顿却未对引力产生的根源进行诠释。后来,另一位伟大的物理学家爱因斯坦,在先人相关理论以及自己提出的狭义相对论的基础上,提出了广义相对论,认为引力的产生来源于物体对周围空间的曲率产生影响,只要是有质量的物体,就会对周围的时空产生弯曲,而外围的物体就会在这种弯曲时空中,沿着测地线以最短最有效的方式进行运动。
与其它三种基本作用力相比,引力是作用效果最弱、力程最远的一种,正因为它理论上可以影响的范围可以是无限远,因此掩盖了它最弱作用效果的这一个短板,许多天文学家长期以来一直将万有引力作为影响和决定宇宙运行演化最重要的一种驱动力量,后来科学家们又发现了暗物质和暗能量的存在,使得最终的推动力量演变化万有引力、暗物质和暗能量“三驾马车”的综合作用。
宇宙来源于奇点大爆炸这个观点的来源,要归功于宇宙膨胀的事实,美国天文学家哈勃依据长期观测和光谱开普勒效应,从来自河外星系发出来的光线均有向光谱红端移动的现象,推测出目标星系正在远离地球的结论,并且给出了退行速度与观测距离之间的线性关系,这个比率即为哈勃常数。2013年,科学家们利用普朗克卫星进一步修正了哈勃常数的值为67.80±0.77(km/s)/Mpc,表达的是在距离地球百万秒差距(326万光年)的区域,目标星系相对于地球的退行速度约为每秒68公里。据此,科学家们又结合造父变星亮度变化周期、Ia超新星爆发、宇宙微波背景辐射等,测算出了宇宙138.2亿年的历史以及可观测宇宙半径465亿光年的范围。
基于宇宙膨胀的事实,科学家们利用倒推的思路,认为在138.2亿年之前,所有的宇宙物质都来源于同一个地方,这个点被称为奇点,其主要特征就是质量无穷大、体积无限小、温度无限高,所有的能量和物质都被压缩在这个极其特殊的点之上,无穷大的质量造就了无限大的时空曲率,所有的物质基本作用力在此时是完全统一的,也就是说不存在单独的引力、电磁力、强核力和弱核力,这个统一的力有科学家们称之为“超力”。而在奇点之外不存在任何的时间和空间。
根据科学家们推测,在奇点大爆炸开始的一个普朗克时间,即10^(-43)秒内就完成了大爆炸的主要过程,在这个过程中引力开始从“超力”中分离出来,也就是说引力是现有宇宙中最先出现的基本作用力,此时其它三种作用力还是统一在一起,直到10^(-32)秒前分离出了强核力、千分之一秒前再分离出剩下的电磁力和弱核力。我们现在对宇宙进行的观测,都是依赖于电磁力的直接表现,而电磁力虽然在宇宙大爆炸之后的千分之一秒就已产生,但是一直到大爆炸之后的38万年里,由于正反物质湮灭十分频繁,产生的光子能量极高,对自由原子和电子的冲击非常大,因此原子核无法形成,光子不断与核子、电子发生碰撞,相当于被锁定在这片等离子云之内,直到38万年之后随着温度的进一步降低、原子核形成以后才逃离出去。
至于宇宙奇点到底是如何形成的,至今仍是科学界最大的谜团之一,很多科学家都进行了大胆的猜想,例如超级黑洞论、量子涨落论、多维宇宙论等等。特别是在量子力学得到不断发展以后,宇宙的诞生、奇点的来源,逐渐指向了量子涨落,在没有时空、没有维度的奇点里,由于量子世界从来没有固定的形态,拥有着不确定性,有一定几率会打破虚粒子产生和湮灭的对称性,有可能使虚粒子对的一员发生逃逸,引发能量涨落的不确定性,从而推动了宇宙大爆炸的产生。当然量子涨落也是关于宇宙起源的一种假说,而关于宇宙的来源这种终极问题,我们无论如何也无法进行验证。
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