宇宙大爆炸是爆炸吗?

宇宙大爆炸是爆炸吗?
2019年11月23日 10:24 新浪科技综合

  文章来源:原理

  千年以来,人类一直着迷于寻找宇宙是如何起源的答案,并提出了许许多多的观点。到了上个世纪二十年代,年轻的科学家、天主教神父勒梅特在研究了爱因斯坦的引力理论后得出结论:宇宙正在膨胀。而膨胀的宇宙表明它始于一个更小、更炽热的初始状态,勒梅特将这个状态称作“宇宙蛋”或“原始原子”,但这些词从未流行开来。

  1949年,天文学家霍伊尔做客BBC的时候,提出了“大爆炸”一词,一下子吸引了所有人的注意,而霍伊尔本人实则是大爆炸理论的反对者。实际上,大爆炸描述的是空间的膨胀,并不是真正意义上的爆炸。

  那么爆炸和空间膨胀有何区别呢?

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下面这张图显示了爆炸前后的情况:下面这张图显示了爆炸前后的情况:

  ○ 大爆炸并不是一颗种子爆炸到一个预先存在的空间中。我们常说的爆炸是一种由种子内部产生了巨大的热量和压力而产生的结果,它会让一团滚烫的物质爆炸到预先就存在的空间中。而宇宙大爆炸不是这样的。

  首先,我们需要一片空间,在空间中有一颗种子,这颗种子可以是一颗炸弹,也可以是一颗恒星,又或者是其他可以储存能量的东西。空间是预先存在的,种子也是。然后某些事件的发生触发了种子的爆炸,它的内部经历了某种形式的转化,比如化学反应或核反应,让能量被释放出来。

  这种反应会让种子内部产生巨大的热量和压力,与被压缩的热量和压力有关的力会使种子的内部像一个滚烫的球那样向外膨胀。能量从种子的内部以高速、高温的形式释放出来,随着种子的内部向外膨胀到预先存在的空间,压力和温度也随之逐渐下降。

  爆炸之所以发生,是因为在一个很小的区域内产生了巨大的热量和压力,种子内部的巨大压力和热量与种子外部的低压和温度之间存在不平衡,从而导致了向外的爆炸。内部的事物以非常高的速度远离它们的初始位置。但是,它们离开起始点的速度不能大于光速,所以它们相互远离的速度是有限的。

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  现在, 我们再来看看空间膨胀的过程(如下图所描绘的):

○ 空间的膨胀可以用网格线之间距离的增长来描述。网格中的物体的大小保持不变,但它们之间的距离却随着空间的均匀膨胀而增大。在适当的条件下,这种类型的膨胀既可以发生在热的宇宙中,也可以发生在冷的宇宙中,而且速度非常快。  ○ 空间的膨胀可以用网格线之间距离的增长来描述。网格中的物体的大小保持不变,但它们之间的距离却随着空间的均匀膨胀而增大。在适当的条件下,这种类型的膨胀既可以发生在热的宇宙中,也可以发生在冷的宇宙中,而且速度非常快。

  与左边的图片相比,我们可以清晰地看到右图所示的空间扩大了。空间中的所有物体都是由更为强大的力量结合在一起的,因此物体并不会随着空间的增长而膨胀,膨胀的只有它们所在的空间。

  空间中的物体本质上并没有移动,也不存在什么能将它们推向任何其他地方的热量和压力。它们之间和周围的空间在不断扩大,使得它们之间的距离比之前更大。这种增长是均匀的,或者说这是一种均匀膨胀。比如在右侧的图中,猫和桌子之间的距离增加了一倍,猫和椅子之间的距离也是如此。当宇宙的大小翻倍时,就会出现这样的情况。

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  在牛顿的引力理论中,我们不会讨论这种空间本身的变化;但爱因斯坦的广义相对论是允许这种变化的。根据爱因斯坦的理论,空间不仅仅是一个为事物发生提供场所的存在,而且它本身就是一种事物——它能生长、收缩、变形、摆动、改变形状。

  与爆炸不同的是,由于是空间在膨胀,而不是物体在移动,因此爱因斯坦的相对论对物体之间的距离增长速度没有设任何限制。两个物体之间的距离的增长速度可以高于光速——这与相对论并不相矛盾。

  另外非常重要的一点是,空间膨胀的原因不一定与热或压力有关,这一点也与爆炸不同。比如在第二幅图中,爆炸会破坏或摧毁这些物体,而膨胀可以让它们仍然维持原样,只是离得越来越远。

  膨胀可以发生在一个非常热的宇宙中,如在早期宇宙的热大爆炸时期;也可以发生在一个非常寒冷的宇宙中。今天,我们的宇宙已经变得非常冷,而我们也知道,宇宙不仅在膨胀,而且还在加速膨胀——其幕后推手被称为“暗能量”。

  此外,传统的大爆炸理论并不能解释所有的天文学观测,比如视界问题和平坦性问题。1981年,为了解释这些问题,物理学家古斯提出,宇宙在诞生不久后应该经历了一次极其快速的膨胀,这个时期被称为暴胀时期。

  无论是关于暴胀,还是暗能量,还有太多的谜题等待着我们去揭开。

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