「大爆炸」：揭開宇宙誕生的終極秘密！ 📚說書 《大爆炸簡史》 書評 有聲書 #大爆炸 #宇宙誕生 #科學探索 #宇宙奇蹟 #時空穿越 #創世理論 #宇宙起源 #天文學 #物理理論 #宇宙奧秘

宇宙就是從大爆炸中產生和發展的嗎? 是的,科學家已經確認,不過你有沒有想過 科學上想要確定一個說法是對的,需要經過反覆的實驗來證明 但是在宇宙尺度上,想要證明宇宙是大爆炸而來的 這怎麼證明?怎麼做實驗模擬? 本期視頻我們要分享的書《大爆炸簡史》 它爲我們講述了大爆炸理論是如何從一個猜想到被逐漸接受的過程 在大爆炸理論之前,從各民族的創世神話開始 到哥白尼的日新說《震驚世界》 人們對宇宙的認識不斷改進,但某種根本認識從來沒有改變 那就是宇宙是靜態的,永恆的,在時間上無始無終 但大爆炸理論卻確立了一個新的科學範式 它認爲宇宙是動態的,不斷演化的,認爲時間和空間都有一個開始的點 大爆炸理論被逐漸證明和接受的過程,成爲科學的範式轉換 通過了解這個過程,我們可以知道人類對廣闊宇宙的認識歷史 從愛因斯坦的廣義相對論出發 科學家猜想出了一個宇宙創生和膨脹的理論模型 也就是我們所說的大爆炸模型 愛因斯坦提出了廣義相對論 那大爆炸理論和廣義相對論又有什麼關係呢? 要想明白這其中的淵源,必須先簡單瞭解一下廣義相對論是什麼 1907年,愛因斯坦發現時間和空間都是可以彎曲的 這有點違揹我們的直覺 但愛因斯坦說,牛頓萬有引力定律提出的那種物體與物體之間相互吸引的引力現象 實際上都是物體彎曲時空的表現 他打比喻說,時空就好像一張蹦牀的表面 假如我們放一顆球在蹦牀上,蹦牀就會被壓出一個小坑 如果這顆球的周圍還有一些其他小的物體,它們就會一起滾到這個小坑裏面 還記得牛頓的那個故事吧? 他說,蘋果從樹上掉下來是因爲地球的引力吸引着它 而愛因斯坦告訴我們,蘋果落下來是因爲它正在落到地球質量造成的時空小坑裏 彎曲時空聽起來有些科幻,比較抽象 作者用一個小故事爲我們介紹了這個重要理論是如何被證明的 當時愛因斯坦猜測,太陽的質量很大 那麼其他恆星發出的光在經過太陽旁邊的時候 一定會被太陽巨大的引力彎曲 怎麼觀測和驗證這個想法呢? 如果一顆恆星在太陽的背後,我們從地球上就看不到它 因爲它被太陽擋住了 如果太陽的引力真的可以彎曲時空使星光偏轉 那我們就應該可以看到躲在太陽背後的恆星 但是太陽自己的光時再太強了 不管什麼恆星的光合,它比起來都可以忽略不計 事實上,只有一種情況下我們可以進行這個觀測 那就是日全時的時候 英國科學家愛丁頓把握住了這個機會 他在日全時發生的時候進行了觀測 不僅看到了太陽背後的恆星 還測算出這些恆星所發出的光的偏轉角度 而這個角度和愛因斯坦廣義相對論的計算幾乎一模一樣 總之我們知道了 廣義相對論是一種描述引力的理論 它可以用來計算宇宙中一切物體的相互作用 並且比牛頓的引力方程更加精確 於是愛因斯坦迫不及待地用廣義相對論的引力公式 去計算宇宙運行的方式 這一算可不得了 計算結果表明宇宙是不穩定的 宇宙中的每一個天體都將最終被拉向其他更大質量的天體 直到它們全部墜入同一個坑內 也就是說宇宙好像正在自我毀滅 這是一個荒謬的結果 因爲我們並沒有觀測到宇宙正在毀滅的跡象 宇宙並沒有坍縮 那一定還有什麼力量在對抗引力 於是宇宙正在膨脹的猜想被提出來 說正是這種膨脹的力量在對抗引力 抵消引力 從廣義相對論出發 比利時科學家勒麥特發展出一個宇宙創生和膨脹的理論 他指出假如宇宙真的在膨脹 那麼今天的宇宙一定比昨天的大 昨天一定比前天大 如果一直這樣倒推回去 就會得出結論 說宇宙一定誕生於一個很小的緻密的點 這個點被形象地稱爲宇宙彈 也就是說宇宙彈從一個點開始發生大爆炸 並一直膨脹 直到變成現在我們看到的宇宙模樣 這就是我們所說的大爆炸理論的起源 宇宙是不是真的在膨脹呢 人類第一臺太空望遠鏡叫哈勃望遠鏡 這個望遠鏡就是以美國著名天文學家艾德溫 哈勃的名字命名的 而哈勃定律是他一生最大的科學成就 這個定律描述的是 宇宙中星系離地球的距離 和它相對於地球運動的速度之間的比例關係 一個是離我們有多遠 一個是跑得有多快 在宇宙尺度上測量這兩個數據 可不是一件容易的事 那科學家是怎麼測量的呢 我們先看看如何測量一個星際離地球的距離 這要依靠宇宙中一種很特別的恆星 造父變星 這是一種不穩定的恆星 因爲它們處於一種週期性的膨脹和收縮狀態 亮度也隨之變化 看上去像是在有規律地閃爍 1912年 美國哈佛大學天文臺的一位聾啞志願者萊維特 通過研究麥哲倫星雲中 25顆造父變星的照片資料 獲得了一個宇宙級別的大發現 那就是造父變星的閃爍週期 和它的亮度有緊密的關聯性 而亮度又與觀測距離有緊密的關聯 你看 問題一下就變得簡單了 當我們想知道一個星際離地球有多遠時 只需要找到這個星際中的一顆造父變星 觀察它的閃爍週期 我們就知道星際離我們的距離了 造父變星因此被稱爲宇宙燈塔 哈勃正是使用這種方法測出了許多星系離地球的距離 有趣的是 通過測量出仙宇座星系距離地球的距離 哈勃解決了一場在當時文明世界的大辯論 也就是像仙宇座星雲這樣的天體 到底是在銀河系以內還是在銀河系以外 那時的科學家對這個問題爭論不休 這個問題爲什麼重要呢 因爲這將決定人類認識宇宙的大小 而哈勃證明了 這些星雲離地球的距離遠遠大於銀河系的直徑 所以它們是在銀河系以外 於是銀河系是唯一星系的概念被突破 人類認識的宇宙從一個銀河系 一下子擴大到無數個星系 探索宇宙結構的新篇章也開始了 接着我們來說第二個數據 如何測量一個星系的速度 我們知道大部分星系都離地球數百萬光年遠 測量它們的速度可不像交通警察測量一輛車 有沒有超速那麼簡單 不過兩者的科學原理都是一樣的 都用到了多普勒效應 什麼是多普勒效應呢 作者舉了一個有趣的例子 說有一隻青蛙蹲在荷葉上休息 每過一秒它就用腳拍一下水 這樣我們就能看到 湖面上出現一圈一圈間隔相同的水波 現在假設這隻青蛙一邊繼續有規律地拍水 一邊還往岸邊移動 我們就會發現往岸邊的方向 水波之間的間隔變短了 也就是波長變短了 而另一個方向上 一圈圈水波之間的距離變長了 這就是多普勒效應 當物體在向着觀察者運動的同時 發出一個波 觀察者感覺到的波長比實際的縮短了 並且速度越快波長就越短 反過來當物體離開觀察者運動時 觀察者會感覺波長變長了 因爲光也是一種波 測量星際速度的問題也就變得簡單了 我們只需要檢測遙遠星際的光譜 看看它們發出光波的波長 就知道它們的運動狀態和速度了 經過大量的觀察檢驗 哈勃發現 幾乎所有星際的光波都看上去變長了 因爲紅色是可見光中波長最長的一邊 測量到的星際光譜朝紅色光方向偏移的這種現象 被稱爲星際紅移 這說明這些星際都在遠離地球 宇宙確實是越來越大 正是這種膨脹在對抗引力 哈勃測量出星際離地球的距離和速度之後 經過計算 發現這兩個數據之間有非常嚴格的數學關係 離地球越遠 那麼它遠離地球的速度也越快 也就是說 假如一個星系離地球距離是另一個星系的三倍遠 那麼它遠離的速度也是另一個的三倍那麼快 這就是哈勃定律 它不僅證明了宇宙正在膨脹 還說明了如果我們把時間倒退回去 不管處在任何地方 多遠的星系都會在同一時間回到同一個點 這不就是大爆炸開始的那個點嗎 更進一步的是 通過這個定律 哈勃計算出了宇宙的年齡 原來我們的宇宙已經18億歲了 等一下 我們現在都知道地球的年齡是45億歲 所以這個18億歲的數字肯定不太對是吧 這一點後面我們馬上就說到 現在我們知道哈勃如何測量 初星系離地球的距離和速度 並得出了哈勃定律 這不僅驗證了宇宙在膨脹 證實了大爆炸理論的猜想 還計算出了宇宙的年齡是18億歲 哈勃的研究成果發佈後 越來越多人開始接受大爆炸理論 不過隨着關注度的提升 大爆炸理論越來越多的缺陷 也被人們發現 在科學範式轉變的過程中 理論的修改完善 往往會經歷一個漫長的時間 就好像當初跟白泥鋼提出日星說的時候 人們都不太支持 這其實和教會的約束關係不太大 而是因爲 這個模型模擬天體運行規律的準確率 實在是有點低 大爆炸模型中的這兩個缺陷 是如何被修改完善的 我們先說第一點 識標困難 剛剛我們講到 哈勃算出宇宙的年齡是18億歲 但是古地質科學家通過檢測發現 地球的年齡超過了30億歲 這不就像女兒比她的媽媽還要老一樣 荒謬嗎 解決這個問題的 是一位叫巴德的德國天文學家 隨着人類觀測技術的提升 天文望遠鏡的精度在不斷進步 巴德通過200英寸的望遠鏡 發現了一顆造父變星 叫天晴R2行星 從而發現造父變星其實有兩類 他發現更新的一類更熱也更加明亮 而哈勃並不知道這樣的區別 於是錯誤地將更明亮的一類 與本就比較暗的一類造父變星做了比較 計算出的星際距離 比實際的距離少了許多 經過巴德的重新校準 星系離地球的距離提高了一倍 於是根據哈勃定律 宇宙的年齡也大了一倍 再後來還有其他科學家不斷努力修正誤差 確定宇宙的年齡應該在 100億歲到200億歲之間 大爆炸理論的識標困難就這麼解決了 接着我們說第二個缺陷原子丰度 原子丰度就是宇宙中各種原子豐富的程度 我們都知道世界是由各種各樣原子組成的 就拿地球來說吧 地心是由鐵組成 包括地球的大氣則主要是氮和氧 而太陽中的原子則是氫和氦佔了主導地位 早期的大爆炸理論說 宇宙所有的物質和能量都曾經壓縮在一個點 隨着大爆炸的發生 空間和時間誕生了一個單一的 質量巨大的原子隨着爆炸開始分裂成碎片 小的碎片又繼續碎成更小的碎片 於是各種各樣的小原子誕生了 在這種情況下 各種各樣原子的數量應該相對均衡 但實際情況是 輕一些的原子和重一些的原子數量極度不均衡 微觀物理學家告訴我們 宇宙中最豐富的元素就是氫 其次是氦 這兩種最輕最小的原子 佔了宇宙中所有原子的99.9% 而其他像金這樣的重原子則是非常稀少的 這就是原子丰度的問題 解決了這個問題 我們就能知道大爆炸的時候究竟發生了什麼 我們現在看到的世界又是怎麼來的 這次輪到著名的核物理學家喬治·加莫夫登場了 既然原子分裂的路走不通 而氫原子又佔了宇宙中所有原子的90% 於是加莫夫大膽地提出了一個完全相反的路子 說大爆炸發生後 宇宙開始於無數最簡單最小的氫原子 他用了一個形象的比喻 說宇宙開始於一鍋緻密的向外膨脹的氫原子湯 而其他所有原子都是由氫原子通過核反應產生的 我們知道任何原子之間形成的反應都取決於密度和溫度 加莫夫利用哈勃對宇宙膨脹的測量結果 得到了宇宙從大爆炸到今天任何時刻的溫度和密度 經過計算他發現 大爆炸發生後的一秒鐘之內 宇宙急劇膨脹並冷卻 溫度從幾萬億度下降到了幾十億度 基本的氫原子核反應形成了比較輕的氦核 差不多十個氫原子核可以生成一個氦原子核 這和天文學家觀測到的氫氦比例幾乎一模一樣 這樣一來我們就知道了 宇宙中99.9%的物質就是這麼來的 那更重一些的原子是怎麼生成的呢 要想將氫氦變成各種各樣更重的原子 需要不同溫度的緻密環境 這裏要提到一個叫恆星乾鍋的概念 簡單說就是一顆恆星 比如太陽進入晚年後會因爲燃料耗盡而降溫壓縮 而壓縮又會使得恆星再次加熱 這種反覆的過程會提供不同的緻密環境 導致更多的核反應 各種不同的恆星就像不同的高壓鍋 爲各種各樣重原子的生成提供了極端環境 比如碳原子就是由氦原子通過複雜的反應生成的 發現恆星乾鍋這個概念的人 就是給大爆炸理論命名的英國天文學家霍伊爾 不過有趣的是 霍伊爾實際上是大爆炸理論的反對者 在1949年 英國天文學家霍伊爾參加了BBC的一次廣播節目 在節目裏 他把宇宙從一個點急劇膨脹而產生的理論系 稱爲那個噴得一聲的大爆炸觀點 因爲霍伊爾對這個學說懷有敵意 起這個名字包含着一種嘲諷和不屑的意思 但是你看 作爲反對大爆炸學說的人 他也無意間幫助修補了大爆炸理論的缺陷 一個科學理論的修改完善 往往會經過漫長的過程和許多科學家的努力 現在我們知道了 科學家是如何提升宇宙年齡的估計值 從而解決了識標困難 也知道了科學家如何通過對原子的研究 還原了大爆炸發生時的情況 現在距離科學範式轉變的完成 還差最後的臨門一腳 只要找到最後一個決定性證據 就能完美證明大爆炸理論 大爆炸學說是怎麼完成了科學範式轉變的最後一步 上個部分我們提到 伽莫夫認爲大爆炸剛剛發生時宇宙的溫度極高 那時宇宙中還有一種成分 那就是大量的光 可以說是光的海洋 隨着宇宙的膨脹和冷卻 大約三十萬年後 宇宙的溫度降到大約三千攝氏度 這時一部分非常微弱的原始光 就沒有改變地穿過了宇宙 伽莫夫說 這些穿過宇宙的原始的光波輻射 即使是在一百多億年後的今天 也不會完全消失 而是在星空深處無處不在 這些原始光波輻射 正是能夠證明大爆炸理論的終極王牌 它是大爆炸留下的殘餘輻射 被稱爲宇宙微波背景輻射 以前科學家們並不知道它的存在 因爲它非常微弱 微弱到什麼程度呢 相當於零下二百六十多攝氏度的天體散發的熱量 那麼宇宙微波背景輻射是怎樣被找到的呢 說來也巧 科學的突破往往是無心插柳的結果 加莫夫提出理論後的二十年 美國的貝爾實驗室製作了一臺非常精密的射電天線 用來接收一顆鳴叫回聲的衛星發射回來的微弱信號 射電天線想要準確地接收到信號 最關鍵的就是清除噪音 實驗室的兩位科學家有輕微的強迫症 他們檢測天線的性能 把天線對着天空的各個方向進行測量 結果卻發現 不管往哪個方向 射電天線總會接收到一種微波噪音 他們想盡了一切辦法 排除周圍所有可能存在的無線電干擾 用一年的時間重新檢查 不限甚至清除了天線上的鴿子窩和鳥糞 但仍然無法消除這個噪音 兩位科學家對外公佈了他們的觀測結果 這個消除不了的微波噪音是天然存在的 它像背景一樣無處不在 很快熟悉宇宙學研究進展的科學家 就對這個發現給出了正確的解釋 這個消除不了的微波噪音 就是宇宙大爆炸的殘留輻射 是科學家們苦苦尋找的宇宙背景微波輻射 在著名科幻小說《三體》裏面 有一個讓人印象極深的細節 是三體人爲了向地球科學家證明自己的存在 上演了一出整個宇宙將爲你閃爍的奇觀表演 說的就是三體人在短時間內 改變這個宇宙微波背景輻射的輻射量 造成一種閃爍效果的現象 大爆炸理論的終極證據 就這樣在無意之間找到了 兩位科學家彭齊亞斯和威爾遜 憑藉艱人不拔的毅力和豐富的經驗 當然還有一絲運氣 找到了這個證據 微波背景輻射的發現和確認 也讓人們相信 大爆炸是能描述宇宙起源和演化的最好理論 這個範式終於確立 兩位科學家也因此獲得了諾貝爾物理學獎 科學範式這個概念 是托馬斯、庫恩在科學革命的結構 這本書中提出的 簡單地說就是科學中公認的理論體系或思維基礎 科學範式的轉變 要求科學家們衝破原來的束縛 對很多基本的理論重新定義 有時候 一個偶然的發現 就可能在一夜之間改變科學的面貌 在大爆炸理論提出之前 人們公認宇宙是靜止的、永恆的 時間與空間沒有關係 宇宙沒有開始也沒有結束 現在大爆炸理論已經被廣泛接受 確立了新的科學範式 它告訴我們宇宙是有創生的 在大約150億年前 宇宙的所有物質和能量都壓縮在一個點 隨着空間和時間本身的爆炸 空間和時間在那一刻誕生了 隨着宇宙急劇膨脹並冷卻 經過演化成爲我們現在看到的樣子 宇宙學還在繼續發展 探測宇宙的技術還在不斷進步 相被稱爲中國天眼的 FAST超大型射電望遠鏡等觀測設備日益成熟 這些技術的進步 讓宇宙大爆炸學說不斷發展 現在科學家們可以更精確地測量 大爆炸模型中的各種參數 發現了很多意想不到的結果 比如說宇宙的膨脹正在加速 而現在科學家們還在努力研究 究竟是什麼在讓宇宙加速膨脹 有一種觀點認爲 加速膨脹的推手就是暗能量 這是一種充斥太空的 具有斥力效果的能量 宇宙越膨脹空間越大 暗能量就越多斥力就越大 所以宇宙就在加速膨脹 那麼宇宙的命運究竟會怎樣呢 也許科學的發展會給我們意想不到的答案 也許科學範式轉變的道路永遠沒有終點 好了本期就到這裏 如果您覺得我們的視頻不錯的話 歡迎點贊訂閱並轉發給身邊的朋友 也歡迎你在留言區給出你的分享 我們下一期再見