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哪些现实能够辩驳大爆炸理论

放大字体  缩小字体 发布时间:2020-06-13 15:36:06 来源:腾讯生活 作者:责任编辑NO。郑子龙0371

目前,看似全面的关于宇宙起源和进化的理论被称为暴涨理论,即大爆炸宇宙论。这个理论解释了我们的宇宙是如何从高温和高密度的奇点中诞生的,以及如何膨胀和冷却的。正是这样,太空以每秒超光速的速度扩张并冷却,因此随着宇宙的膨胀,熟悉的基本粒子和力可以产生宇宙本底辐射和各种复杂的粒子。大爆炸发生后约三分钟,氢和氦的比率在宇宙学上已经确定,宇宙背景光子和中微子的数量也已经确定。此外,在快速“膨胀”期间,宇宙物质密度的不规则性以及引力辐射的背景得到了证实。

根据威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星的壮观结果,以及宇宙背景探测器(COBE)和其他一些对宇宙本底辐射的高精度研究的结果,现已确定宇宙已有137亿年的历史,其空间几何形状完全是“扁平的”。此外,在普通恒星和气体中引力物质的数量只有5%。可观测的其余宇宙引力“质量”是暗物质(27%),还有额外的暗能量(68%)。正是这种暗能量导致我们的宇宙加速膨胀,而这样的一种情况已经被遥远的超新星观测到了。

多年来,大爆炸宇宙学一直有几个潜在的竞争对手,但除了稳恒状态学说之外,没有一个能吸引更多感兴趣的支持者。原因是他们没能预测或者解释一些被广泛认为是对任何宇宙理论的关键检验的基本观测,甚至是对大爆炸理论的竞争对手!

德西特宇宙论(1917年) - 宇宙被认为是绝对没物质的,但是由于非零宇宙学常数的存在,宇宙跟着时间以指数方式膨胀。这驳斥了几乎现存的所有观测事实,包括遵循线性哈勃定律的实际膨胀率,而不是随时间的指数膨胀定律。还有,宇宙中的物质密度不是零,是因为我们在这里,还有很多其他的恒星和星系!

爱因斯坦静态宇宙论(1917年) - 宇宙不会膨胀,并且在时间上是静态的。宇宙学常数被精确地调整来平衡物质的吸引力倾向。和解析宇宙学一样,它也不符合现代观测,因为宇宙是随时间线性膨胀的。它对这个常数的值的微小扰动也是不稳定的。

勒梅特宇宙论(1924年)- 宇宙始于没有宇宙学常数的“大爆炸”。最初的状态是一个巨大的放射性原子,包含了宇宙中接近绝对零度的所有物质。这个理论与观测到的膨胀相一致,但却无法解释宇宙背景辐射的存在,以及宇宙中氢、氦和氘的丰度,因为它需要一个大质量的“超级原子”在大爆炸的瞬间衰变。

宇宙恒稳态理论(1950年)-由弗雷德·霍伊尔和托马斯·戈尔德提出的,该理论认为宇宙一直在不断膨胀,新的星系是在星系间的空间中,一个原子接一个原子地产生的。这个理论在20世纪50年代和60年代达到鼎盛时期,但一直无法令人信服地解释宇宙背景辐射的来源,为什么宇宙背景辐射是各向同性的,为什么它的温度固定在2.7k,它也没有提供任何线索,为什么氢、氦和氘应该有一个普遍的丰度比。

冷大爆炸宇宙论(1965年)-由哈佛大学的大卫·莱泽提出,它认为大爆炸发生了,但初始状态是绝对零度,由纯氢固体组成。随着宇宙的膨胀,这些碎片分裂成星系大小的云。它没有解释宇宙背景场的来源,也没有解释为什么宇宙背景场在2.7k的温度下是各向同性的。

哈格多恩宇宙论(1968年)-物理学家罗伯特·哈格多恩提出,大爆炸理论的所有细节可能都是真实的,只是宇宙早期的极限温度约为1万亿度,因为物质的结构有一个基本粒子的无限梯子,电子、中子就是由这些基本粒子构成的。夸克的存在使得宇宙早期的极限温度远高于1000万亿度,这一发现驳斥了这一观点。

布兰斯-迪克宇宙论(1955年)-爱因斯坦的广义相对论引力方程被修改为包含一个标量场。这个磁场使得引力常数的值,在数十亿年间缓慢变化。这也导致了宇宙早期历史的改变。对重力常数变化的实验研究表明,在过去的20-30亿年里,重力常数没有变化。这将导致地月系的进化被显著改变太阳的进化被严重改变。这两种效应都没有被观察到。

旧膨胀论和大爆炸宇宙论(1980年)- 艾伦·古特在1980年提出的一种“玩具”模型。宇宙大爆炸后10-34秒结束的暴胀时代造成了真空中无数“气泡”的成核,这些气泡融合在一起,形成了物质和辐射的光泽,形成了一个非常块状的结构。然而,宇宙背景辐射显示,自大爆炸后30万年以来,宇宙非常平滑,至少一万分之一。没有证据表明这是一个动荡不安的过渡时期。

振荡大爆炸宇宙学(1930年)—这是对大爆炸宇宙论的一种可能的修正,不同之处仅在于当前的膨胀将被一个塌缩阶段所取代,然后是一个膨胀阶段等等。没有证据表明曾经有过先前的膨胀-塌缩阶段。宇宙似乎也没有足够的物质使其成为一个注定在未来再次衰退的“封闭”宇宙,这是任何未来振荡周期的一个重要要求。

添加了中微子家族的大爆炸宇宙论(1970年)-大爆炸宇宙论大体上是正确的,除了为了解决“缺失”或“暗物质”问题以外,必须向宇宙中添加新的中微子家族。这将改变氦和氘相对于氢的宇宙丰度比,使得当前观测值不再可能。也没有实验证据表明存在超过3种中微子,而且这些中微子已经与测量到的宇宙丰度一致。

时间宇宙论(1970年),由麻省理工学院I.赛格尔提出。它提出时空有一个不同于大爆炸宇宙学基础的数学结构。就我们所知,主要的分歧在于宇宙膨胀的速度,这是距离和膨胀速度之间的二次定律,而不是线性哈勃定律。这个提议似乎与过去30-40年间观测到的遥远星系不一致。也许大爆炸宇宙学还有别的的分歧,但是精密测时宇宙学还没有深入到足以在这些其他领域做出可测试的预测。

阿尔文宇宙论(1960年)-由物理学家汉斯·阿尔文提出,宇宙包含等量的物质和反物质。宇宙学中的许多其他观测事实都没有正真获得解释。如果物质和反物质的比例相等,宇宙中应该有一些区域,由于湮灭过程,这些区域相互接触,产生x射线或伽马射线。从来就没发现过如此大规模的背景,可以归因于质子或电子的湮灭。

等离子宇宙论(1970年)-宇宙中的物质,从最大的尺度来看,不是中性的,而是有一个非常微弱的净电荷,几乎无法探测到。这使得电磁力支配着宇宙中的万有引力,所以我们观察到的所有现象都不单单是万有引力的产物。这是一个有趣的理论,但是否认它们的重要性,它不能轻易解释宇宙背景辐射的起源,它的各向同性和温度,以及氦和氘的丰度。

对于任何理论,我同意的宇宙学检验的基本观察是:

1.宇宙正在膨胀。-这是一个跨越整个可观测宇宙的大尺度观测,所以它一定是“宇宙学的”

2.存在一个宇宙背景辐射场,可以在微波频率上探测到。为什么它不发生在其他频率上,而且只能在微波区域看到,覆盖了天空的每个方向?

3.对地球/太阳/银河系运动引起的相对论性多普勒效应进行补偿后,宇宙微波背景场是可测量的各向同性的,优于10万分之几。- 这是这种现象的一个大尺度属性,与银河系或其他星系毫无关系,因此它一定是一个宇宙学特征。

4.宇宙微波背景辐射场正是黑体辐射场。我们大家都知道许多其他种类的辐射,但没有一种有确切的黑体光谱。只有宇宙背景辐射是一个完美的黑体,达到了我们测量其光谱能力的极限。

5.宇宙微波背景辐射场的温度是2.7k-为什么是2.7k?为什么不是5.019723k呢?只有大爆炸宇宙学才能预测,温度接近3摄氏度的遗迹辐射,而不是其他值。

6.确实存在一个与当前膨胀速率和宇宙背景温度相一致的氦氢普适丰度比。-无论我们观察遥远星系中恒星、行星甚至是气体云的组合,我们似乎总能找到一个“普适的”恒定比例,即氦与氢、氘与氢的比例。一定有某种解释,与我们的太阳系或银河系无关。

7.氘相对于氢和氦的宇宙丰度与当前膨胀速度和密度下的预期水平是一致的。-如果宇宙膨胀得更快,那么氦和氘等重元素形成的时间就会更短。

8.只有三种中微子。虽然我们还没有证实在遥远的星系附近也是如此,但我们确实看到了同样的元素和物理现象,特别是超新星,它的物理现象非常敏感地取决于不一样的中微子的数量,以及潜在的“弱相互作用”物理现象的恒定性。

9.夜空没有太阳表面那么明亮。-一个简单而深刻的观察,只有通过宇宙中恒星的正确分布、它们的年龄和宇宙的膨胀才能解决。

10.宇宙背景辐射场在100,000到1000,000分之一的水平上,略微起伏不定。为何会这样?为什么是这个数目?

11.没有任何物体的年龄,无可争议地大于宇宙的膨胀年龄。——我们的宇宙附近似乎没有超过200亿年的非常古老的恒星,尽管它们的性质应该很容易辨认,并且是我们所看到的最古老恒星的物理和演化的简单延伸。

12.在宇宙背景辐射场中,每一个质子和中子,大约有1000万个光子。-这是一个重要的“热力学”数字,它告诉我们宇宙到目前为止是如何演化的。为什么它的熵这么大?

13.所观察到的星系聚集的程度与一个有限年龄小于200亿年的膨胀宇宙是一致的。-一次直接的观测再次告诉我们,引力在今天的宇宙中并没有很长时间来作用于建立大型复杂结构。

14.没有比锂更重的元素具有普遍的丰度比。-是什么过程产生了这些重元素?

15.宇宙曾经对它自己的辐射是不透明的。-这必须遵循从黑体形状的宇宙背景辐射。

16.现在的宇宙完全由物质主宰,而不是物质和反物质的混合物。只有少数几个大爆炸宇宙学的竞争者试图解释这个直接的观察。

就是这样。这不是一个台球游戏,母球(数据)是仔细排列,使大爆炸理论出来看起来不可避免。其他理论也被反复邀请去尝试它们的最佳方案,结果总是一样的。支持者甚至不得不进行干预,让他们的理论对这些宇宙学数据做出简单的预测。

大爆炸宇宙学最大的预言在于它的基础。它基于广义相对论的无误性,以及这一理论如何解释极端条件下的重力。它的基本预测已经被多次检验,新的奇异现象,如伦泽·瑟林效应和重力波也已经被预测和理论证实。这似乎是一个完美的解释,为什么恒星系统能运作,但如果它是准确的,那么除了我们能看到的5%的恒星和气体,我们还需要宇宙中大量的暗物质和暗能量。这是个大问题。

暗物质不仅存在于宇宙尺度,而且存在于星系这么小的区域。事实上,早在威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)进行第一次研究之前,它就在星系中被发现了。我们的银河系似乎拥有比我们所能探测到的所有发光物质和气体云,多六倍的围绕其中心的引力物质。事实上,我们所研究的任何大型物质系统,都存在暗物质问题。一些物理学家把这解释为广义相对论本身的实际崩溃,但是他们的支持者无法找到一种延伸或替代广义相对论,使暗物质消失。与此同时,物理学家们还没有在世界各地的大型强子对撞机实验室或其他实验室中检测到任何暗物质候选粒子。

所以暗物质可以被添加到大爆炸宇宙学中,但是我们还不知道它是怎样的物质,也不知道广义相对论本身是不是真的存在一些微小的错误。

作者:Dr. Odenwald's

FY: 头铁獭

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