老式电视的雪花为什么能证明宇宙大爆炸?

80、90后在小时候,已经少不了电视机的陪伴。老式的黑白电视机是主流,这种电视机通常带有两根长长的天线,可以接收电视节目,甚至还能接收到领居家播放的碟片。

如果把老式电视机转到没有节目的频道,或者每周二下午检修的时候,就会出现满屏的黑白雪花,并且还伴随着滋啦滋啦的声响。这个雪花的来历并不简单,在美国宇航局(NASA)官网上刊载的一篇文章指出,老式电视机的雪花竟然可以证明138亿年前的宇宙大爆炸,我们小时候都曾见证过。这究竟是为什么呢?

关于宇宙大爆炸,要从爱因斯坦说起。1915年,爱因斯坦创立了广义相对论,这是比牛顿万有引力定律适用范围更加广泛的引力理论。根据广义相对论,物质和能量会导致平直的时空发生弯曲,一切事物的运动都会沿着弯曲空间前进,由此会产生引力效应。

如果把广义相对论用于描述整个宇宙,结果就会得出一个令当时科学家出乎意料的结论——宇宙空间要么正在膨胀,要么正在坍缩,而不会像此前人们所普遍认为的那样,宇宙空间是一成不变的。

1929年,哈勃通过测量河外星系的红移值和距离,发现宇宙中的星系很少有蓝移的,这意味着很少有星系在靠近银河系,绝大部分都在远离。不仅如此,星系的退行速度正比于距离。

哈勃的发现直接证明了宇宙空间正在不断膨胀。尽管宇宙中的星系没有以很快的速度运动,但由于空间自身结构的扩张,使其在足够远的地方看来,将会以很快的速度退行。

这就好比一个气球上的两个点,即便它们在气球上不动,但随着气球的膨胀变大,它们之间也会互相远离而去,并且远离速度会随着距离的增加而变快。只要把气球表面想象成三维的空间结构,气球上的点想象成星系,即为宇宙的膨胀方式。

哈勃红移不仅证实宇宙在膨胀,而且还能得出一个更重要的结论,宇宙有一个起源。不断往回反推时间,宇宙会变得越来越小。直到时间的开端,整个宇宙将会缩小为一个无限小的奇点。由此可知,宇宙是从一个奇点中创生的。

既然最初的宇宙非常小,那么,聚集着极高密度的物质和能量的早期宇宙一定非常热。即便空间膨胀了非常久,当年的热量也不会完全消散掉,一定还会有残留的热量,均匀地分布在整个宇宙中,这被称为宇宙微波背景辐射。

1965年,物理学家在检修一台接收微波的天线时发现,无论怎么处理,都会有一个奇怪的信号,它不会随着时间而发生变化,也不会随着天线朝向的变化而改变。最终证实,这正是理论预言中的宇宙微波背景辐射。

通过NASA普朗克卫星传回的精确测量数据,宇宙目前的平均温度仅为2.725 K,即-270.425 ℃,只比宇宙最低温度绝对零度高出3度不到。基于宇宙微波背景辐射的数据,还能测出宇宙大爆炸的发生时间为138亿年前。

138亿年前,宇宙从致密炽热的奇点中诞生,随着空间膨胀,宇宙逐渐变冷。38万年后,宇宙变得足够冷却,光子不再被耦合,它们均匀地散播到整个宇宙中。

时至今日,这些宇宙最古老的光子还在宇宙中持续传播,源源不断地到达地球,并且被老式电视机的天线接收到,成为雪花的一部分。如果排除掉雪花中的所有干扰,最后无法消除的1%要归因于宇宙微波背景辐射。从某种意义上来说,我们其实亲眼见证过138亿年前那场“开天辟地”的宇宙大爆炸。