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环球物理|【物理前沿】过去一百年中十个最伟大的进步( 二 )


到了20纪40年代 ， 大量的实验和观测资源都被用于间谍卫星、火箭和核技术的发展 ， 理论物理学家们仍在努力 。 1945年 ， 乔治·伽莫夫做出了宇宙膨胀的最终判断：如果如今宇宙正在膨胀 ， 温度正在下降 ， 那么宇宙必然曾经很热并且有很大的密度 。 接着 ， 必然存在着一个时间 ， 这个时间的宇宙的温度很高 ， 而且密度条件恰好使原子不能组合在一起 ， 在这个时间之前原子不能组合在一起 。 如果这是正确的话 ， 在任何星球形成之前 ， 形成宇宙的物质应当有一个最轻元素确定的比例 ， 并且应当存在某种残留物 ， 它发出的光渗透宇宙的各个方向 ， 而它的温度只比绝对零度高一点 。 这个框架就是我们如今知道的大爆炸理论 ， 是解释宇宙成因的最好解释 ， 它在20纪40年代被提出 。
环球物理|【物理前沿】过去一百年中十个最伟大的进步
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图源：美国国家科学基金会的尼科尔·拉格·富勒
但是到了20世纪50年代 ， “稳态模式”理论的提出对大爆炸理论提出了挑战 ， 这个理论由弗雷德·霍伊尔和其他科学家在同一时间提出 。 但是更令人吃惊的是他们认为当今地球上所有更重的元素的形成是在早期星星形成的时期 ， 而非是在更早时候那个宇宙处于高温高压的时期 。 霍伊尔和他的合作者威利·福勒、杰弗里还有 玛格丽特·伯比奇 ， 他们深入研究了元素是怎样通过星球中的核聚变构建出元素周期表 。 最令人吃惊的是 ， 他们预测了氢原子通过一个从未观察过的方式融合成为碳原子的现象：3-α过程 ， 产生了新状态的碳原子留存下来 。 这个现象在霍伊尔提出几年后由他本人发现 ， 这个现象被称为“碳的霍伊尔状态” 。 自此 ， 我们了解到我们地球上所有的较重元素的形成都在地球刚形成的早期 。
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图解：宇宙微波背景（CMB）在1965年被阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊发现 。 该图来源于美国国家航空航天局/威尔金森微波各向异性探测器（NASA/WMAP） 科学研究团队 。图源：forbes
20世纪60年代 ， 经过近20年的争论 ， 决定宇宙历史的关键现象被人们发现：宇宙大爆炸的残余光线被发现 ， 或者称为宇宙微波背景 。 这种统一的、2.725K辐射在1965年被阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊发现 ， 在发现之初两人均没有意识到这个重大发现 。 随着时间的推移 ， 这种射线完整的黑体光谱甚至它们的波动都被人们测量了 ， 展示出宇宙起源于一次大爆炸 。
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20世纪70年代 ， 在1979年的年尾 ， 一位年轻的科学家提出了一个他为之研究一生的理论 。 阿兰·古斯当时正在研究一些大爆炸理论无法解释的问题——为什么宇宙在空间上如此平坦 ， 为什么它在各个方向上具有相同的温度 ， 以及为什么宇宙中没有超高能量爆发过后留下的痕迹——由此他提出了宇宙暴胀理论 。 这个理论告诉我们在宇宙存在于高温高压状态之前 ， 处于一种指数形式的暴胀状态 ， 所有的能量都被束缚在宇宙本身的结构之中 。 在古斯的最初理论基础上加以延伸便可以得到现代宇宙暴胀的理论 ， 在之后的观察中——包括宇宙微波背景辐射的波动 ， 宇宙的大规模结构以及星系的聚集和形成——这些都证明了宇宙暴胀理论预测的正确性 。 我们的宇宙不仅仅起源于一次大爆炸 ， 而且在大爆炸前还存在着一个状态 。
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图源：美国国家航空航天局/欧洲航天局 哈勃空间望远镜
20世纪80年代 ， 关于天文科学的进展看起来并不是太多 ， 但是在1987年 ， 出现了近一百年来离地球最近的超新星 。 这也是出现的第一颗爆发之后我们用探测装置直接检测到中微子的超新星！我们曾在其他星系发现了许多超新星 ， 但是我们从来没有发现这样一颗离我们如此近的超新星 ， 距离近到它所释放的中微子在地球上可以观测到 。 这大约20个被观测到的中微子标志着中微子天文学的开端 ， 之后的发展中我们发现了中微子振荡、中微子的质量以及来自超过一百亿光年远的超新星释放出的中微子 。 在我们星系的下一个超新星爆发将会使我们能够检测到超过十万个中微子 。


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