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营口市科学技术馆

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  • 宇宙大爆炸之前是什么?
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            内容摘要: 宇宙大爆炸之前是什么? 宇宙从何而来?大爆炸之前是什么?这些都属于科学问题吗?宇宙有所谓的“轮回”吗? 《天问》专栏第七期,为你深度解读天文学家如何解开宇宙起源之谜。 太古之初,一位名叫盘古的沉睡巨人缓缓睁开双眼。他发现周围一片漆黑,于是一斧头劈开了这片混沌,从此便有了天地。盘古死后,他的身体逐渐演化成日月星辰、世界万物……这是我们儿时都听过的美丽传说。 ...

     

    宇宙大爆炸之前是什么?

     

    宇宙从何而来?大爆炸之前是什么?这些都属于科学问题吗?宇宙有所谓的“轮回”吗?

    《天问》专栏第七期,为你深度解读天文学家如何解开宇宙起源之谜。

    太古之初,一位名叫盘古的沉睡巨人缓缓睁开双眼。他发现周围一片漆黑,于是一斧头劈开了这片混沌,从此便有了天地。盘古死后,他的身体逐渐演化成日月星辰、世界万物……这是我们儿时都听过的美丽传说。

    有趣的是,在由真实的科学理论构建起来的现代宇宙学中,宇宙的演化历史竟与盘古开天辟地的神话有着诸多巧合。只不过,“开天地”的主角由盘古变成了一场大爆炸。

    热大爆炸宇宙学说是基于20世纪40年代伽莫夫(George Gamow,1904 - 1968)等人的原初核合成理论(Big Bang nucleosynthesis)研究发展出来的。根据这个理论模型(图1),我们的宇宙创生于大约138亿年前的一次时空奇点大爆炸。

    在漫长岁月的洗礼下,它从极高温的混沌状态开始演变,逐渐孕育出基本粒子、核子,然后经过原初核合成产生氢、氦的原子核;之后约38万年,宇宙中形成了稳定的中性氢原子与早期的宇宙微波背景辐射(CMB);接着,在原初密度涨落的影响下,由宏观物质构建起来的大尺度结构渐成雏形;直到宇宙4亿岁时,第一代恒星终于诞生,而最早的星系和类星体则出现在大爆炸后约10亿年。从那以后,由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成……

    最终,我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。在宇宙学家眼中,热大爆炸宇宙学已是一个美丽绝伦的故事,它以最简单、最朴实无华却又充满想象力的艺术图像刻画了我们宇宙足足138亿年的历史。可是,故事的开端——大爆炸奇点真的存在吗?大爆炸之前的宇宙又是何种模样?追求逻辑合理性与数学自洽性的物理学家很难理解为何整个宇宙来自于一个时空奇点(图2),因为在这个奇点上,所有的物理参量——例如能量密度、曲率、温度——都是无穷大的,而无穷大发散在数学上的描述是不自洽的。这么看来,困扰大家的宇宙起源问题好像更靠近哲学范畴。

    为了解决这一理论疑难,宇宙学家们针对大爆炸奇点的物理本性做了大量研究。这段历史可以追溯到80多年前,广义相对论刚刚诞生的时候。

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