【未解之谜】韦伯新发现 挑战宇宙起源?!

终于看到了!NASA韦伯望远镜 拍到了原始星系,最前沿科学家 找到宇宙极深处 惊人证据!(《未解之谜》提供)
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最近,美国宇航局和欧洲航天局、加拿大航天局联合研发的红外线观测用韦伯太空望远镜频频引起人们的关注。韦伯采用了最近流行的多镜面技术,主镜的直径达到6.5米宽。此外,韦伯还配上了最先进的相机和分光仪,这让它的探测功力比起前任哈勃望远镜要强大了很多,可以探测到从可见光光谱中段到人眼看不到的中红外的辐射。

刚刚上任不到一年的韦伯已经不负众望,向地球传送了多张宇宙极深之处的精美照片。那些曾经在哈勃望远镜镜头下无法被探测到的宇宙区域,如今清晰地展现在人们面前。

都说外行看热闹,内行看门道。当普罗大众为宇宙的辉煌壮丽啧啧称奇时,科学家们却从中这些照片中看出了新门道,甚至有人提出从中发现了挑战宇宙起源学说的证据。

那么今天呢,我们就来聊聊宇宙起源。

韦伯新发现 挑战“大爆炸”

说起宇宙起源,很多人脑中第一个反应就是“宇宙大爆炸”(Big Bang)。这是当前最广为人接受的一种理论。就是说,宇宙在大约138亿年前,由一个密度极大、温度极高的奇(音Ji)点突然爆炸,并不断膨胀,经过漫长的演化,达到现在的状态。

那么这个过程是怎样的呢?按照现有的模型,科学家们认为,大爆炸之后宇宙开始急速暴胀,这个膨胀速度是指数级的,这个过程形成了中子、质子、电子、光子和中微子、夸克等基本粒子。随着宇宙不断膨胀,温度和密度开始快速下降。在温度逐渐降低、冷却的过程中,宇宙中形成了原子、原子核、分子这些粒子,并结合成为普通的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,星系间经过漫长时间的碰撞、兼并最终形成我们现在所看到的这个宇宙。

所以呢,按照这个理论,科学家们一直认为,早期的宇宙是一个混沌的地方,充满了能形成星体的物质团块,一切都很混乱。宇宙中最古老、即最早期的星系是很小、稍显混乱、畸形的系统。

然而韦伯望远镜却看到了不一样的景致。韦伯捕获了一些极其古老的星系的画面,并发现这些星系不仅相当巨大,而且内部平衡且结构良好。这给人的感觉就是,宇宙从无到有,跳过了漫长的星体演化过程,瞬间就形成了相当成熟和完备的星系。

韦伯望远镜的新发现,让不少天文学家顿时就充满了困惑。加州大学圣克鲁兹分校的天文学家嘉斯‧伊林沃思(Garth Illingworth)在接受《华盛顿邮报》采访时就表示,现有的宇宙起源模型都没有预测到这一点,他们都无法解释为什么宇宙如此快就形成了众多星体。

要知道,在哈勃望远镜的时代,人们获得的宇宙图像基本是证明了大家的猜测,即早期星系是混乱和随意的存在。然而,现在韦伯望远镜似乎在说,那些旧认知是由于哈勃能力有限才造成的错觉。

难怪有人提出,韦伯的这一发现正在挑战并可能改写人们固有的对宇宙起源的理解,并撼动“宇宙大爆炸”理论的基石。

循环宇宙

虽然可能有些人有意无意地将“宇宙大爆炸”视为真理,但是在科学界,有关宇宙到底是如何形成的,还是有不少不同的声音的。比如,2020年诺贝尔物理学奖得主、英国著名的数学物理学家罗杰‧彭罗斯(Roger Penrose)就曾提出循环宇宙的概念。

什么意思呢?我们来说一说。

按照“宇宙大爆炸”理论,我们的宇宙是有始有终的,它诞生于138亿年前,最终会归于“热寂”,也就是整个宇宙的能量全部转化为热能,再也没有可以维持运动或生命的能量存在,宇宙一片死寂。这就像很多人相信的,人的生命只有一次,人死如灯灭,啥都没了。

但是彭罗斯却认为,宇宙不止存在一次,而是循环往复的。他提出了一种共形循环宇宙模型,认为无限扩张后的宇宙和致密的奇点可以通过共形映射平滑地连接在一起,这就可以回答一个很多人都想知道的问题:大爆炸之前宇宙是什么?彭罗斯的答案就是,大爆炸之前是另一个和我们现在宇宙物理定律相同的宇宙,我们的宇宙也会在无限扩张后成为下一个宇宙的起点。两者无缝对接,宇宙没有开始,也不会结束,更不会丢失任何东西,是无限循环的。这就如同人的轮回转世一样,生命逝去之后还会以新的方式诞生。

彭罗斯很早就提出了这个循环宇宙的设想,之后一直在寻找支持这个理论的证据。没想到,在他89岁的那年,还真就找到了。2020年5月,彭罗斯在《王家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,MNRAS)发表了一篇重磅级论文《微波辐射中存在霍金点的明显证据》(Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky)。在这篇文章中他表示,在宇宙微波背景辐射中找到了以前宇宙存在的证据。

这个宇宙微波背景辐射是什么?我们稍微介绍下。它被认为是宇宙大爆炸之后充满整个宇宙的电磁辐射,按照“大爆炸”之后,宇宙各方向均匀膨胀的说法,宇宙微波背景辐射的温度在宇宙各个方向基本相同。而彭罗斯及其团队在宇宙微波背景辐射中,发现了至少6个温度略高的点,他们将其称为霍金点(Hawking point),这些霍金点的大小相当于8个月球那么大。彭罗斯认为这很可能就是上个宇宙留下的印记。

彭罗斯认为,宇宙在一次循环的最后会发生大爆炸,星系灰飞烟灭,温度不断降低,最后变得空空如也,里面没有物质,只有能量和辐射,以及吞噬了所有物质的黑洞。随着宇宙的温度不断降低,直到比这些黑洞温度还低的时候,黑洞就会蒸发,以辐射的方式向宇宙辐射能量,这样黑洞的体积会慢慢缩小,但温度会慢慢升高。那么它的最终命运是什么呢?

1974年,霍金在《自然》杂志上发表论文指出,黑洞在寿命即将结束时,会在最后0.1秒内发生爆炸,释放约10^30Erg(尔格)的能量,大约相当于100万个百万吨级氢弹释放的能量。

所以呢,彭罗斯结合霍金的说法,认为宇宙末期,吞噬一切的巨大黑洞在爆炸后,产生的明亮特征会在下一个宇宙中体现出来,那就是宇宙微波背景辐射上那些温度偏高的点。因为黑洞向宇宙辐射能量、蒸发、爆炸的概念是由霍金提出的,因此这个点就被命名为“霍金点”。

彭罗斯的这个观点相当新奇大胆,在科学界掀起了热烈的讨论,甚至还登上了新闻头条。虽然并不是所有科学家都认可他的想法,但是他确实为大家打开了一扇窗,带来了新的风景,让人们可以跳出固有的思维,从另一个角度看问题。

彭罗斯其实是一个颇为特别的科学家,他常常会有很多奇思异想。除了循环宇宙学说,他还试图证明人有灵魂,他认为人在去世后,灵魂也就是意识会以量子形式回归宇宙。不过这部分内容,我们就不在这期节目中和大家介绍,后面的节目中我们再聊聊。

多元宇宙

在彭罗斯找到“霍金点”之前,也有一组科学家对宇宙微波背景辐射上的特殊区域产生了兴趣,在经过一番研究之后,他们提出了另一个很有意思的猜想,即“多元宇宙”。

英国伦敦大学学院物理与天文学系的斯蒂芬‧菲尼(Stephen Feeney)在一篇论文中称,我们人类所生存的这个宇宙只是一个巨大宇宙中的一个小宇宙。大宇宙中有很多小宇宙,它们的物理特性可能各不相同,每个小宇宙都如同一个泡泡(Bubble),可以自由在大宇宙中移动,甚至彼此之间还会发生碰撞。而这些碰撞记录就会留在宇宙微波背景辐射上。

菲尼的研究小组在宇宙微波背景辐射上发现了4个饼状图形,将它们称之为“宇宙瘀伤”,认为我们这个宇宙至少被其它宇宙撞过四次了。

这个“多元宇宙”和我们常说的“平行宇宙”有些相似之处。不过,似乎在菲尼的“多元宇宙”中,各个小宇宙是完全独立,互不干涉的,一个生命不会同时存在多个小宇宙中。而“平行宇宙”则认为,不同的宇宙中都有同一个生命,按照不同的轨迹在发展。

听到这儿,大家是不是觉得科学界的讨论丰富多采,很是热闹。不过,这些基于现代科学发展出来的假说,都无法回答一些本质上的问题。比如,物质是如何凭空产生的?如果有人说他走进一间空的房间,打个响指,结果一段时间后所有家具都出现了,大家肯定不信。那么“大爆炸”又是如何能产生基本粒子的呢?

还有啊,这些基本粒子按照一定的物理定律结合成了原子,分子。之后更是形成了星球,星系以至万事万物。比如,现代科学研究发现,在宏观世界,如果没有引力,一切都将土崩瓦解。而在微观世界,要是没有电磁力、强力和弱力维系着分子、原子和各种粒子,这些粒子就会消失。

那么这些力是谁加的呢?这些“物理定律”“自然法则”又是谁制定的呢?

也有学者提出疑问,按照热力学第二定律──熵增定律,事物在没有外力干涉的情况下,都是从有序向无序发展,比如房间会越来越乱,手机会越来越慢,宇宙也会最终走向热寂。那么为什么在宇宙形成的初期,却是从无序走向有序呢?是冥冥中有什么力量在干涉吗?

其实,在古代人们大多是相信宇宙及天地万物是由神创造的。比如,中国的神话故事中就有“盘古开天地”“女娲用泥土造人”。而西方犹太教、基督教信仰认为上帝在6日之内创造了天地万物,并仿造自己的形象造了人。

只是,之后现代科学产生了,人们开始反对传统信仰,甚至开始否定神的存在。比如,“宇宙大爆炸”理论被接受后,不少人将其视为真理,并认为这说明了,没有神的存在宇宙照样能产生并发展。

这里呢,给大家介绍一个发生在英国著名的物理学家牛顿和天文学家哈雷之间的故事。不相信有神存在的哈雷去拜访虔诚信仰基督教的牛顿,被牛顿桌子上一个精美的太阳系模型所吸引,赞叹不已。哈雷问牛顿是谁打造了这个模型,牛顿却回答,没有人,一堆原材料放在那里,自行组合而成。哈雷当然不信,一直追问牛顿。这时牛顿才语重心长地说,“这个模型虽然精巧,但比起真正太阳系,实在算不了什么!你尚且相信一定有制造它的人,那么比这个模型精巧亿万倍的太阳系,岂不是全能的神,用高度智慧创造出来的?”哈雷顿时有所领悟。

是啊,我们在之前的节目中,也和大家一起探讨了宇宙有多大,相信看过的朋友都会对宇宙的浩瀚无穷惊叹不已。那么,如此宏大庄严,精妙无比的宇宙真的只是一次大爆炸之后,随机自我演化出来的吗?这个概率可能比猴子弹键盘,弹出百科全书还要小。

其实,科学和神学并不对立,只不过是站在不同的角度,不同层次去看待事物。科学在观察和研究事物的表现,并努力透过现象去找出内在的规律。但是人类目前的科学并不发达,所以呢对这个宇宙,这个世界的研究也是很有限的。这就如同盲人摸象,摸到象牙的说,大象长得像萝卜;摸到大象耳朵的,则说大象长得像簸箕;摸着鼻子的则认为大象是杵桩的模样;摸到象腿的则坚持大象明明就和柱子一样。然而,这些都不能代表大象真正的形象。科学也是如此,目前谁也无法说,科学已经洞察了宇宙的一切,对不对?所以,大家不妨以更开放的心态来看待这一切。

好了,今天的分享就到这里,未解之谜,我是扶摇,我们下期见。

参考文献:
《韦伯望远镜看到极古老星系 挑战宇宙起源学说》
《微波辐射中存在霍金点的明显证据》
《发现宇宙瘀伤》

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责任编辑:李梅#

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