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为什么说宇宙诞生于一个“超原子”,一个没有昨天的一天?

问你个问题,如果现在有人给你说,宇宙空间中充满了物质,而且物质之间会产生引力,那么你第一反应会想到啥?

我觉得你肯定会问,这些物质会不会在引力的作用下坍缩成一个整体呢?这就是牛顿当年发表万有引力之后,人们产生的疑惑。

那么根据引力预测的结果是:会!而且速度非常快,但很明显,我们的宇宙并没有因为引力而发生坍缩?这又是为啥?牛顿当时也搞不懂呀,他就说,我们的宇宙是无限的,物质分布是均匀的,他们之间的引力互相抵消掉了,所以没有坍缩。

但是牛顿描述的这个宇宙非常脆弱,只要一颗原子的位置发生了偏移,那么整个引力的平衡就会被打破,所有的物质会不可避免的坍缩在一起,牛顿晚年也很无奈,对于这个问题,他只能找上帝帮忙了。

那么时间来到了20世纪,人们就发现,我们在地球上不管朝那个方向看,看到的情况都差不多,这叫各向同性,而且在宇宙中各个区域的物质数量也差不多,这叫处处“均匀”。

各项同性和处处均匀,现在被称为宇宙学原理,人们认为我们不管从哪里看宇宙,不管是从地球上看,还是从银河系的中心看,不管是远古时期的宇宙,还是未来的宇宙,宇宙学原理都是成立的,这是宇宙学的一个基本假设。

除此之外,我们知道人类在20世纪初最伟大的成就就是修正了牛顿动力学,发展出了相对论。

那么现在把爱因斯坦的相对论用在一个各向同性,处处均匀的宇宙中,会怎么样?能不能回避牛顿晚年的困扰呢?

并不能,而且会更加的严重,因为相对论说,物质会影响时空的曲率,时空的曲率反过来又会影响物质的运动。所以当你考虑一个充满物质,均匀的宇宙的时候,不仅物质会向内塌缩,就连时空本身它也会坍缩,最终宇宙会变成一个黑洞。

你看,当年牛顿只面临了一个物质坍缩的问题,时空是好好的,现在爱因斯坦面临的问题更加严重了。

那么和牛顿一样,爱因斯坦也觉得宇宙坍缩不可能,一定有未知力量在阻止着宇宙坍缩。那爱因斯坦就说,宇宙空间具有一种天然的属性,称为宇宙常数,它提供的斥力正好和引力抵消了,所以宇宙没有坍缩。这就是爱因斯坦的静态宇宙观。

很显然,爱因斯坦这种毫无根据地给自己的引力方程中添加宇宙常数,有点不讲道理,而且他添加的这个宇宙常数,还必须大小正好,小一点宇宙就坍缩了,大一点周围的天体全都会飞出去,远离我们,那么这个大小正好的宇宙常数,就给了人们一种精细调节的感觉,像是宇宙被精心设计的一样,感觉不好。

那么到了1922年,有人就提出,爱因斯坦给自己的方程中添加宇宙常数,完全是多此一举,他就是俄罗斯物理学家弗里德曼,他认为没有宇宙常数的引力方程本身就预示着宇宙时空不是在收缩,就是在膨胀,这说明我们的宇宙是动态的,而不是静态的。

但由于当时在人们的观念中更加倾向于静态宇宙,再加上爱因斯坦也支持这个观点,所以弗里德曼的说法并没有得到广泛的关注。

那么到了1927年,比利时的一位物理学家勒梅特就注意到了弗里德曼的研究,他在这一年就利用哈勃之前获得的数据,计算出了星系的距离和红移之间的关系,发现了我们的宇宙正在膨胀。

他当时也写了一篇论文,并发表了出去,但他的论文是法文,而不是英文,所以在当时没有几个人知道这篇论文,直到1931的时候这篇文章才被翻译成了英文,但这时哈勃已经因为在1929年发现了宇宙膨胀而名声大噪,那么勒梅特也非常的大度,在翻译论文的时候,他就要求把关于宇宙膨胀那一部分的内容给删了。

所以勒梅特是第一个知道宇宙在膨胀的人,所以他就想,这宇宙在不断膨胀变大,那么这就意味着,在遥远的过去,宇宙非常小。

那么在最初开始的时候,宇宙中所有的物质和能量应该集中在一个点上,勒梅特称这个点为宇宙超原子,或者叫宇宙蛋。

我们的宇宙正是从这个小的不能再小的超原子,膨胀以后诞生的。那么勒梅特得出这个结论以后非常的兴奋,他觉得自己发现了宇宙起源的秘密。

但是当时没有一个人接受他的想法,他找过爱丁顿,就那个当年力挺爱因斯坦,跑去观测日食的科学家,还在1927年专门跑去第五届索尔维会议上,找爱因斯坦,以勒梅特当时的身份和地位,想见爱因斯坦一面还真的不容易,爱因斯坦是谁啊,他可是继牛顿之后最伟大的科学了,而勒梅特这时只能算的上是三线的科学家。

爱因斯坦那时特别忙,忙着怼哥本哈根学派,但还是抽空听了勒梅特的想法, 爱因斯坦听后给出了这样的评价:算的没有问题,但物理意义完全不对。这段话,就直接击垮了勒梅特的信息,他再也没有找过其他人了。

直到1929年,哈勃就用观测数据说明了,星系的距离和速度之间的关系,简单来说就是,距离我们越远的星系,其远离我们的速度越快。这就是哈勃定律。

从这张图片中,很明显可以看出来星系的退行速度和距离呈线性关系,这个线性关系的系数,就是哈勃常数。

也能够看出来,星系的退行速度和距离坐标并没有完美地落在那条线上,这说明这条线是根据大量的数据拟合出来,这就是为啥哈勃常数一直测不准的原因,当然哈勃自己也清楚这一点,他还需要测量大量的星系的数据,获得更多的数据点,尤其是哪些远距离,高速运动的天体,来把这条线拟合的更加准确。

那问题是,为什么星系的退行速度和距离,不能完美地满足哈勃膨胀率呢?你想一下,有没有可能是这种情况,星系除了在空间膨胀的基础上,远离我们以外,他自己本身还在空间中有一个速度呢?

其实真实的情况确实是这样的,由于我们的宇宙并不是完美均匀的,所以星系在空间中会受到其他星系的引力作用,也会发生运动,这种星系在空间中自身的运动的速度叫本动速度。

有些小一点星系团,其中星系的本动速度往往是每秒几百公里,大一点的星系团,其中星系的本动速度能达到每秒几千公里,速度非常快。

那么在我们看到,星系的退行速度,其实就是空间膨胀的速度和星系本动速度叠加在一起的速度,所以我们测量大量的星系就会发现,他们都不能完美的符合哈勃膨胀率。・但是只要我们知道大量星系的退行速度和距离,就能无限的逼近宇宙真实的膨胀了。

但不管咋样,哈勃常数很清楚地告诉了我们,我们的宇宙在膨胀。

1933年,爱因斯坦还专门拜访了一次威尔逊天文台,在看了哈勃的观测实证以后,就放弃了自己的静态宇宙观,转而支持了勒梅特的观点。

但勒梅特所说的宇宙具有一个确定的起点,就否定了永恒静态的宇宙,这在当时的学术圈中很少有人能够接受,因为这种有起点的宇宙跟天主教会的观点又不谋而合了。

再加上勒梅特还有另外一层身份,他是一位天主教牧师,所以大部分的科学家就觉得,神又要复辟了。

所以当时很多坚定的无神论者,就提出了各种解释来反驳以宇宙膨胀为基础大爆炸宇宙模型。