宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

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爱因斯坦发表了“有限无边”的静态宇宙模型之后,开始全力解场方程,但他无论如何也解不出这个静态的,不随时间变化的“有限无边”的宇宙模型!怎么办呢?

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

宇宙斥力选项

正当他焦头烂额之际,突然想通了!广义相对论的场方程本质上还是万有引力定律的拓展,一个宇宙中如果只含“引力”,不含“斥力”,是不可能保持力学平衡的,不可能不随时间变化。

机智的他马上给场方程引入排斥效应,这个排斥效应的选项称之为“宇宙项”。起初老爱“天真的”认为,宇宙中没有排斥效应,太阳系,星系都没有发现排斥,所以不需要,现在发现解不出了,就匆忙把这一曾经抛弃的选项加了进来,非常轻松!

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

加入了宇宙项之后,爱因斯坦很快解出了静态的“有限无边”的宇宙模型!

当时舆论界,科学界为之欢呼雀跃,称:“我们伟大的爱因斯坦,在发表狭义和广义相对论后,又解出了宇宙的形态,整个宇宙都被他弄清楚了,爱因斯坦太伟大了!”

费里德曼和勒梅特“膨胀的宇宙”解

正当人们都为老爱欢呼时,1922年,苏联数学家费里德曼用不带宇宙项的场方程,解出了“膨胀”的宇宙,或“脉动”的宇宙,即涨缩交替的宇宙!

费里德曼解三种模型,一是有限无边的宇宙,它先膨胀后到最大值后转为收缩,或膨胀收缩交替的宇宙模型,即所谓脉动的宇宙。

另外两个解,宇宙都是无限无边的,会永远膨胀下去!

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

费里德曼发表论文,没想到“阴差阳错” ,审稿人居然是老爱,老爱认为他的理论是错的,自己已经解决了宇宙形态的问题了,并建议杂志社不要刊登这篇错误的论文!

费里德曼得知后写信给老爱,宣称自己的计算没有错误,并把稿件投给了一家小报社,该报社在物理界和天文界都没啥影响力,所以也没击起什么浪花!费里德曼在1925年逝世前都没有得到广泛的认可!

直到两年后的1927年,比利时神父勒梅特,用加了宇宙项的场方程,也得出了膨胀或脉动的宇宙模型!

这次不是老爱审稿,论文顺利刊登了出来。

1929年,美国天文学家哈勃得到了著名的哈勃定律,这条定律表明,宇宙确实在膨胀,不是静态的,是动态的!

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在事实面前,老爱低下了高傲的头,并公开承认错误,宣布自己的静态宇宙模型是错误的,认为宇宙是膨胀的或者是脉动的!

另外,爱因斯坦又宣布放弃了“宇宙项”!开始解不出来加入此选项,现在别人解出来了,又去掉此选项!哈哈,老爱急得“左右横跳”啊!并告知人们以后忘记“宇宙项”!

这个选项提出了也就不好收回去了,多一条选项,就多一个方程,也就多一些发表论文的机会!两种场方程实际差别不大,解了一个很容易模仿解出另外一个,所以后面人们两个都用!

说起这个“宇宙项”,就像潘多拉的盒子一样,“恶魔”放出来就很难塞回去了,以至于爱因斯坦对此非常遗憾并宣称:“引进宇宙项可能是我一生中犯的最大错误!”

勒梅特神父的“宇宙蛋”演化模型

勒梅特是神职人员。《圣经》上说,宇宙和人类都是上帝创造。他必须回答人们的问题,膨胀或脉动的宇宙,与“上帝创造宇宙”怎么协调呢?

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

神父解释道,上帝当时造出来的宇宙,当然不是现在的样子,上帝最初造的是“宇宙蛋”,而且是个高温发热的“蛋”,后来这个“蛋”逐渐膨胀,温度不断下降,最终演化成了现在这个宇宙!

值得注意的是,神父提到了一个思想“宇宙是演化”的!

这点很重要,自《进化论》发表后,人们渐渐认识到,人类也是进化的,由类人猿进化而成,而类人猿则由更原始的生物演化而来的!

同时,地质学家也发掘出重要信息,发现地质历史也是演化的,也就是说,整个地球,地理地质,生命都是演化而来的,经过漫长的岁月演化成现在的模样!

当然了,神父也是一种表观的描述,并没有涉及深刻的科学本质,对这个问题作出革命性创举的是苏联核物理学家伽莫夫!

伽莫夫的“核蛋”理论,也称“火球”理论,“大爆炸”理论的奠基者

继勒梅特的“宇宙蛋”思想传开后,伽莫夫心想,“宇宙蛋”会不会是一个“核蛋”呢?我把它叫做“核火球”好了,宇宙蛋的高温是不是核反应引起的呢?伽莫夫越想越觉得应该是这样,自己的看法有道理!

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

于是,伽莫夫指导自己的一位学生,并找来研究所的另一位核物理学家,三人一块研究“核火球”理论模型!

该理论模型认为,宇宙最初是一个高温的核火球,进行着激烈的核反应,在高温高压下火球不断膨胀,随后逐渐降温,核反应慢慢停止,在整个过程当中,形成了各种物质,最后演化成了今天的宇宙!

火球模型一开始受到不少批评,著名天体物理学家霍伊尔不同意他们的观点,嘲笑他们的模型为“大爆炸模型”。意思是,按照你们的观点,宇宙简直是一场大爆炸,干脆叫大爆炸模型算了。

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

没想到的是,这个名字以后就叫下来了,“大爆炸模型”这个称呼比“火球模型”更为著名!

伽莫夫对“大爆炸理论”的诠释

伽莫夫团队认为,宇宙初期,只有一种氢元素,在原始宇宙极高的温度下发生热核反应,宇宙看起来就像个核火球,随着宇宙膨胀,温度逐渐降低,最后热核反应就停止了。他们经过计算得出,热核反应结束后聚变为氦的元素有百分之二十多,其余几乎是氢元素。

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

此外,哈勃定律的发现也支持“大爆炸理论”。

最后他表明,虽然宇宙膨胀过程中温度会下降,但不会降低到绝对零度!经过计算,他们认为宇宙大爆炸后的余温大概在绝对温度5K左右。

天文学上意外的重要发现:宇宙微波背景辐射

当时有少数相信“大爆炸”学说的天文学家开始找寻大爆炸的余温,但一直没找到,天文观测也没发现什么蛛丝马迹!

直到1964年,美国射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊,在给自己设计的无线电装置,做降噪调试,以便更好的接收来自宇宙的无线电波,但无论怎么调试噪音都降不下来!

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

他们一气之下把整个装置都拆了重新检查,发现鸽子在装置核心部位筑了一个窝,还拉了一大堆鸽子粪,他们自以为找到了噪音的根源,就把鸽子窝拆了并清洗了鸽子粪,重新调试好装置,然而噪音基本没减弱。

他们终于意识到,他们检测到的噪音,不是装置造成的,而是宇宙空间中普遍存在的信号,最后他们公布了这一意料之外的发现。这就是著名的宇宙微波背景辐射,大爆炸的余温!

这个发现证明了伽莫夫的大爆炸余温的猜想,宇宙中存在着温度2.7K各向同性的微波背景辐射,与伽莫夫的计算相差无几!

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后记

宇宙学,天文学上的每一次重要发现,都离不开科学家们的孜孜不倦的探索,作为后知后觉的我们,非常荣幸能享受到前人的科学研究成果!感谢你们,可爱的科学家们!

结尾小尾巴,伽莫夫的“宇宙大爆炸”理论,经受了科学的检验,现代天文观测发现,宇宙中的氢元素,氦丰度,都和伽莫夫计算的基本吻合,加上符合哈勃定律的膨胀宇宙论,宇宙微波背景辐射的发现都印证了这一点!

宇宙初期是个“蛋”?伽莫夫的火球模型,膨胀的宇宙与大爆炸起源

后面发生的事,想必大家也知道了,就是对“大爆炸理论”各种修修补补的“宇宙学模型”。到现代尤其以霍金和彭罗斯的研究为代表,后面有机会我也会展现他们的宇宙观!

最后,相信小伙伴们对宇宙模型的概念已经有了初步的认知,或还有些许疑惑,比如说“大爆炸”前是什么?宇宙是怎么膨胀的?星系红移是多普勒效应吗?等等。别急,关注我,后续为你们提供更多解答!


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