宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

终极问题
话说存在人类文明,古人们就开始思考:宇宙到底是如何形成的?
几乎每个时代最强的学者都在思考这个问题,这样的状况一直持续至今。我们来举个例子,牛顿是科学史上大神级的学者,他提出了万有引力定律统一了天界和地球上的物理学规律,但他同时又很纠结,因为他一直不明白宇宙是如何诞生的。在牛顿这里,他管这…

终极问题

话说存在人类文明,古人们就开始思考:宇宙到底是如何形成的?

几乎每个时代最强的学者都在思考这个问题,这样的状况一直持续至今。我们来举个例子,牛顿是科学史上大神级的学者,他提出了万有引力定律统一了天界和地球上的物理学规律,但他同时又很纠结,因为他一直不明白宇宙是如何诞生的。在牛顿这里,他管这个叫做第一推动力,他毕生都在思考着这个问题,但始终没能给出一个令人满意的答案。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

大家可以思考一下这么一个问题,牛顿的万有引力定律说的是万物之间有彼此吸引的力。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

按照这个说法,宇宙中的万物都会在引力的作用下会向中心聚拢,最后聚拢成一个点,可是我们并没有观察到这个现象。这也让牛顿很无奈,于是,他提出了一个补救办法,他认为宇宙是无限大的,处处都是中心,处处引力平衡,宇宙也就不会向中心聚拢了。但是谁推动了这些天体,他就没法解释了。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

我们把研究宇宙整体演化的理论称为宇宙学。牛顿在思考的这个问题就是宇宙学问题,在宇宙学的研究历史上有许多大名鼎鼎的人物,在牛顿之前有亚里士多德,托勒密、哥白尼、开普勒;在牛顿之后,还有爱因斯坦,勒梅特,伽莫夫等人。

而如今宇宙学主流的理论其实是CDM模型,其中代表暗能量,CDM代表冷暗物质。这个模型其实预示着未来宇宙学研究的前沿方向,也就是暗能量和暗物质,研究它们可以知道未来宇宙的走向。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

而CDM模型又是建立在大爆炸模型之上的。大爆炸模型解释了宇宙的形成,以及过去的演化路径。

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大爆炸模型

如今解释宇宙形成的主流科学理论是大爆炸模型。这里多说一句,科学、神学、哲学都属于解释体系,它们的侧重有所不同,科学依靠的是形式逻辑、系统的实验和观测来求证,神学是诉诸于宗教权威来解释宗教经典,哲学这是纯粹理性的思辨。它们各自有各自的范式,没有谁高谁低,更没有谁比谁好,完全取决于你相信哪个。由于我是科学领域的创作者,因此,我这里主要讲述科学对于宇宙形成的主流理论。

大爆炸理论的根据是在爱因斯坦广义相对论的场方程,爱因斯坦在得到这个方程时,就发现宇宙是随着时间的流逝而膨胀的。

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他自己是不太认可这个观点的,爱因斯坦有自己的宇宙观,他认为宇宙是静态的,用大白话说就是宇宙是永恒的。

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于是,为了让广义相对论的场方程符合自己的宇宙观,爱因斯坦在这个场方程中加了一个宇宙学常数,只要这个常数进行合理的取值,宇宙就可以处于静态。

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不过,许多科学家是不认可爱因斯坦这样去操作的。他们认为这个宇宙学常数应该被去掉,宇宙就应该是膨胀,如果按照时间往回推演,那宇宙就应该是诞生于一个奇点的。当然,这个说法和爱因斯坦加了个宇宙学常数的做法其实没什么区别。科学是讲究实证的,所以到底哪个对,客观地说,就应该依靠是实验和观测。

也就是在上世纪20年代左右,有个叫做哈勃的天文学家,他长期在观测银河系的天体。他就发现绝大多数的天体都在离我们远去,并且离我们越远,远去的速度就越快。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

那哈勃的发现能说明什么呢?

我们不妨来思考一个问题,如果这是天体在运动,那实际上不应该大多数的天体都在离我们远去,而且也不应该离我们越远就远离得越快。应该是有的向着我们靠近,有的远离我们。因此,只有一种解释,那就是空间在膨胀,带着这些天体远离我们,而不是天体本身在运动。

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哈勃发表了自己的观测结果,这也宣告这个宇宙学常数是多余,需要移出广义相对论场方程。据说爱因斯坦得知这个消息时,曾感叹给广义相对论场方程加上宇宙学常数是自己这一生做出最大的错误。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

这也是宇宙大爆炸的第一个观测证据。随后,关于宇宙形成的研究陷入了几乎停滞的状态,直到一批粒子物理学加入到了相关的研究。他们对宇宙大爆炸的早期演化进行了详细的研究,并且提出了另外两个关键证据,一个是宇宙的氦元素丰度,一个是宇宙微波背景辐射。

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不过,客观地说,在那个时代,研究宇宙大爆炸是极其小众的,科学界都不太看好这个理论。因为当时的科学家觉得这个理论有点太扯了,可信的证据只有哈勃的观测,这还不够。

后来,到了上世纪60年代,还真的有人发现了宇宙微波背景辐射。随后,科学家也对氦元素丰度进行确定。这两个证据都和理论预言的十分接近。也就是说,宇宙大爆炸理论的三个关键证据都被找到了。这个时候,科学界才开始重视这个理论,并且开始把它作为主流的科学理论看待,一直持续至今。

如今,根据最新的普朗克卫星的观测,我们知道宇宙诞生在138亿年前,如今宇宙中的物质粒子都是在宇宙大爆炸之后4分钟内形成的。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

到了宇宙大爆炸之后38万年,宇宙温度下降到3000度左右,宇宙从粒子粥一样的混沌状态变得透明,光子开始在宇宙中穿梭,原子结构得以形成,而太阳系形成于46亿年前。

宇宙是怎么形成的(宇宙的形成 )

我想你肯定想问,宇宙大爆炸之前是什么样子?

霍金曾经给过这样的一个解释,宇宙是万物的结合,包含了物质、能量、时间和空间等一切。也就是说,时间在宇宙爆炸之后才存在,因此也就不存在宇宙之前是什么?

客观地说,这个说法,连科学界不太接受。如果我们仔细想想,这个问题其实就是牛顿曾经纠结过的“第一推动力”问题的现代版本。如今,它还是个谜一样的存在。

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