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宇宙真的起源大爆炸?是不是哪里搞错了?

在说今天的内容之前,我们先探讨一个问题,一个正确的科学理论是如何诞生的?我觉得离不开这几个字,归纳总结、逻辑演绎、提出预言、观测实证。

我们在认识自然的过程中,首先会看到一些表象规律,比如说苹果落地、天体运动,经过大量的观察我们就会发现这些现象都有一定的规律,然后把这些规律找出来,这就叫归纳总结,比如伽利略的自由落体定律,就说重物和轻物会同时落地,因为他们的加速度是一样的。

再比如说,开普勒就拿着天体的运行数据,就总结出了开普勒三大定律,那么有了这些定律之后,我们就需要找到这些定律背后的本质原因。

所以牛顿就提出了力学三大定律,以及万有引力,在数学上就解释了伽利略的自由落体定律,以及开普勒的三大定律,这就叫逻辑演绎,或者是数学演绎。

那么牛顿的理论到底对不对,不能因为他解释以前的现象就说他对,他还需要提出新的预言,并且这个预言还需要得到观测实证。

很显然,牛顿的理论很好用,把天体运动的规律拿捏得死死的,它预言了1758年哈雷彗星的回归,预言了天王星之外还有一颗行星,海王星!

那你说牛顿的理论对不对!肯定对,永远都错不了,再过一万年,我们发射卫星还会用牛顿的理论,这就是一个正确的科学诞生的过程,也是它必须具备的要素。

好,有了以上的共识,我们说今天的问题,宇宙爆炸到底对不对!

我知道很多人不相信宇宙来自于大爆炸,其实不光是你,很多有名的科学家比你更讨厌大爆炸宇宙模型,因为这样的宇宙跟神创论没有啥区别,所以他们受不了宇宙有一个起点。

所以在大爆炸宇宙模型发展的过程中,科学家就提出了很多替代的理论,但最后都夭折了,因为如果你用我刚才说的那个科学方法论去审查所有的理论的话,你就会发现,只有大爆炸能够挺到最后。所以最后你不得不承认大爆炸是对的,也不得不接受宇宙有一个起点。

好, 接下来我们先从宇宙膨胀这个现象入手审查大爆炸理论,因为宇宙膨胀是大爆炸的基础。

哈勃在1929年发现了星系的距离和红移之间的关系,我们现在认为是空间膨胀造成了星系在远离我们,并且距离我们越远的星系,远离我们的速度更快。

根据这个关系的反推,就有了大爆炸宇宙模型,但当时有些科学家对哈勃看到的现象,就做出了其他解释。

最初就有人说,星系在远离我们并不是因为空间在膨胀,而是在静止的空间中物质发生了爆散事件,就像是一个鞭炮、一个炸弹爆炸以后,碎片会像周围扩散一样。

这就是爆散学说,很显然,这个说法对星系远离我们的解释存在很大的漏洞,根本经不起推敲,更经不起观测的实证。

首先存在的漏洞是,如果物质真是爆散出去的话,那么根据哈勃的观测,我们周围的物质都在远离我们,这就说明,当年那个爆炸的中间就在我们银河系。我们刚推翻了地心说,日心说,现在银河系又要变成宇宙的中心了,这人们肯定不能接受。

还有一个静止的宇宙,爆散的物质,这种描述违反了爱因斯坦的广义相对论,物质和时空是不能互相独立、互不影响的。

最后就是它违反了宇宙学原理,暴散的宇宙随着时间的推移物质会逐渐地集中在以银河系为中心的外圈当中,虽然看起来也是各向同性的,但这样的宇宙并不均匀。所以暴散学说,刚一出现就很快被人们掐灭了。

还有一种学说,他不认为宇宙在膨胀,而是一个静态的宇宙,哈勃之所以看到了星光发生了红移,完全是因为光在空间中传播的过程会丢失能量。这就是光线老化学说。

提出这个说法的人叫茨威基,在后面讲到暗物质的时候,我们还会再提到他,光线老化,很明显要比暴散学说来的微妙。

茨威基说,光在空间传播的时候会与空间中的物质发生相互作用,也就是被空间中的尘埃、气体云散射,所以光就丢失能量了,我们看到的星光就发生了红移,并不是因为空间在膨胀。如果空间没有膨胀,那就没有大爆炸理论了,而是一个静态的宇宙。

很显然,茨威基的光线老化,也经不起观测实证,首先如果一个星系的光在达到地球之前,被气体云、尘埃散射了,那么光线中携带的信息就会丢失,因此我们会看到遥远的星系会变成一个模糊的光斑,根本不可能分辨出其中的细节,比如螺旋星云的悬臂结构。

但真实的观测显示,遥远的星系并没有被模糊掉,比如赛弗特六重星系,他们的光谱有着非常强烈的多普勒红移,但是他们并没有被模糊掉,尤其是最小的那个,盘面正对我们星系NGC6027D,他的距离是其他星系的5倍,但他的螺旋结构依然清晰可见。这说明光线红移并不是被散射造成的。

而且光线老化,也违反了广义相对论的时间膨胀效应,根据广义相对论的预测,空间膨胀会导致光线的波长被拉长,这就会造成我们看到遥远的星系相当于我们的时间发生了膨胀。

比如说,红移越强的星系,其中出现的新星,他的亮度从最高、到最低,所需要的时间,要比我们从附近星系中看到的新星要长。这一点符合我们的观测事实,但茨威基的光线老化,否定了这一点,所以他的说法很快就被否定掉了。

可以看出,只要是怀疑宇宙膨胀的理论,只要是否定宇宙学原理的理论,根本就站不住脚,如果你现在想要提出一个新的宇宙模型,就必须要包含宇宙膨胀,以及宇宙学原理。

那么在1940年代,剑桥的三位科学家霍伊尔、戈尔德、邦迪,就提出了一个可以抗衡大爆炸宇宙模型的理论:稳恒态宇宙模型,在往后的二十几年间,这两个理论并存于科学界,你无法分辨出哪个对,哪个错。

就是因为稳恒态理论包含了两种重要的观测事实,宇宙膨胀以及宇宙学原理。但是稳恒态理论对宇宙的过去和未来却做出了不同的预测。

稳恒态理论说,宇宙一直在膨胀,但是新的物质会在膨胀出来的空隙中创生出来,然后又慢慢地形成物质结构,恒星、星系、星系团。

所以这样的宇宙随着空间的膨胀,物质密度并不会降低,而且它还能保证各项同性,以及处处均匀的宇宙学原理。

最重要的是,这样的宇宙不需要一个起点,宇宙可以永恒的存在,这样的话,就回避了大爆炸理论所面临的两个问题,大爆炸之前发生了什么?为什么宇宙会在那个时刻诞生,而不是别的时刻?

这两个问题,正是大爆炸宇宙模型的软肋,总是让人觉得宇宙的诞生有神的干预。这也是霍伊尔最为讨厌的一种感觉。所以他才提出了稳恒态宇宙模型。

我知道你现在在想啥?你是不是也感觉稳恒态模型有两个软肋,新物质是从哪里来的?它又如何知道自己要出现在哪里?

根据霍伊尔当年的说法,新物质出现的频率并不需要太高,就能保证宇宙的物质密度不会发生改变。每一百年只需要在像帝国大厦那么大的空间里出现一个原子就可以了。

那么物质为什么会被创生出来,这确实在今天是个问题,但是霍伊尔的年代根本就不是个问题,因为你伽莫夫都敢说宇宙中所有的物质是大爆炸一瞬间创造的,那我现在说物质会慢慢的在空间中创生,这不过分吧。所以这个问题在当时就不是个问题。

第二个问题,新出现的物质是如何知道它要出现在这里的?这也不是问题,在当时!因为宇宙学原理说了,宇宙要保持处处均匀,那空间膨胀了留下了位置,新物质当然就要出现在这里了,以保证宇宙处处均匀。

所以通过这两个问题,没有办法反驳稳恒态宇宙模型,毕竟你大爆炸宇宙模型也有软肋。那人们要如何分辨谁对,谁错呢?

别忘了,我们有科学方法论,我就用它来检验这两个理论所做出的预言。那大爆炸模型就说,宇宙起源于氢和氦,其中的重元素可以在恒星中形成。

那稳恒态模型说,除了氢以外的元素都是从恒星中形成的,很明显这里存在差异,他俩对氦的来源,以及含量的预测不同。

大爆炸宇宙模型说,宇宙中的星系是同一时间形成的,大约是宇宙诞生后的5000万年到15000万年间形成,所以我们在银河系的附近看到的星系都很古老,都跟银河系的年龄差不多,但只要我们看得更远,我们就能看到远古时期的婴儿星系。

但稳恒态宇宙模型说,随着宇宙的膨胀,物质的创生,星系也在不断地形成,所以我们应该可以在银河系的不远处看到婴儿星系。这又是两个不同的预测。

大爆炸宇宙模型说,原始火球随着宇宙的膨胀现在已经红移到了微波波段,所以在空间各个方向上应该存在一种低温辐射。

但稳恒态宇宙模型无法做出这种预言,不过后来霍伊尔又补充说,宇宙空间中确实有低温辐射,但这并不是原始火球的余温,而是宇宙中星光被星云散射以后形成的。但依旧存在差异,因为伽莫夫的微波背景是完美的黑体谱,比太阳还要完美,而霍伊尔的微波背景并不满足黑体谱。

所以只要检验以上的预言,我们就能去伪存真了。好,今天的内容就到这里,下节课我们说微波背景辐射。