老式電視的雪花為什麼能證明宇宙大爆炸?與宇宙微波背景輻射有關

天空之城 2021/01/11 檢舉 我要評論
 

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文/天空之城

 

80、90後在小時候,已經少不了電視機的陪伴。老式的黑白電視機是主流,這種電視機通常帶有兩根長長的天線,可以接收電視節目,甚至還能接收到領居家播放的碟片。

如果把老式電視機轉到沒有節目的頻道,或者每週二下午檢修的時候,就會出現滿屏的黑白雪花,並且還伴隨著滋啦滋啦的聲響。這個雪花的來歷並不簡單,在美國宇航局(NASA)官網上刊載的一篇文章指出,老式電視機的雪花竟然可以證明138億年前的宇宙大爆炸,我們小時候都曾見證過。這究竟是為什麼呢?

關於宇宙大爆炸,要從愛因斯坦說起。1915年,愛因斯坦創立了廣義相對論,這是比牛頓萬有引力定律適用范圍更加廣泛的引力理論。根據廣義相對論,物質和能量會導致平直的時空發生彎曲,一切事物的運動都會沿著彎曲空間前進,由此會產生引力效應。

如果把廣義相對論用於描述整個宇宙,結果就會得出一個令當時科學家出乎意料的結論——宇宙空間要麼正在膨脹,要麼正在坍縮,而不會像此前人們所普遍認為的那樣,宇宙空間是一成不變的。

1929年,哈勃通過測量銀河外星系的紅移值和距離,發現宇宙中的星系很少有藍移的,這意味著很少有星系在靠近銀河系,絕大部分都在遠離。不僅如此,星系的退行速度正比於距離。

哈勃的發現直接證明了宇宙空間正在不斷膨脹。儘管宇宙中的星系沒有以很快的速度運動,但由於空間自身結構的擴張,使其在足夠遠的地方看來,將會以很快的速度退行。

這就好比一個氣球上的兩個點,即便它們在氣球上不動,但隨著氣球的膨脹變大,它們之間也會互相遠離而去,並且遠離速度會隨著距離的增加而變快。只要把氣球表面想像成三維的空間結構,氣球上的點想像成星系,即為宇宙的膨脹方式。

哈勃紅移不僅證實宇宙在膨脹,而且還能得出一個更重要的結論,宇宙有一個起源。不斷往回反推時間,宇宙會變得越來越小。直到時間的開端,整個宇宙將會縮小為一個無限小的奇點。由此可知,宇宙是從一個奇點中創生的。

既然最初的宇宙非常小,那麼,聚集著極高密度的物質和能量的早期宇宙一定非常熱。即便空間膨脹了非常久,當年的熱量也不會完全消散掉,一定還會有殘留的熱量,均勻地分佈在整個宇宙中,這被稱為宇宙微波背景輻射。

1965年,物理學家在檢修一台接收微波的天線時發現,無論怎麼處理,都會有一個奇怪的信號,它不會隨著時間而發生變化,也不會隨著天線朝向的變化而改變。最終證實,這正是理論預言中的宇宙微波背景輻射。

通過NASA普朗克衛星傳回的精確測量資料,宇宙目前的平均溫度僅為2.725 K,即-270.425 ℃,只比宇宙最低溫度絕對零度高出3度不到。基於宇宙微波背景輻射的資料,還能測出宇宙大爆炸的發生時間為138億年前。

138億年前,宇宙從緻密熾熱的奇點中誕生,隨著空間膨脹,宇宙逐漸變冷。38萬年後,宇宙變得足夠冷卻,光子不再被耦合,它們均勻地散播到整個宇宙中。

時至今日,這些宇宙最古老的光子還在宇宙中持續傳播,源源不斷地到達地球,並且被老式電視機的天線接收到,成為雪花的一部分。如果排除掉雪花中的所有干擾,最後無法消除的1%要歸因於宇宙微波背景輻射。從某種意義上來說,我們其實親眼見證過138億年前那場「開天闢地」的宇宙大爆炸。

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