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概述

  根据大爆炸宇宙学的理论来讲,在宇宙早期时,温度极高,达到了100 亿摄氏度。甚至物质密度也大到让
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整个宇宙体系达到平衡。宇宙间有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。当整个体系在不断膨胀时,空间温度并不断的下降。当温度降到大概10亿度时,中子并开始失去自由,它要么发生衰变,要么与质子结合成氢、氦等元素;化学元素也就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到 100万度后,早期形成化学元素的过程结束(见元素合成理论)。宇宙间的主要物质是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要成气态物质,气体逐渐凝聚成云,再进一步形成各种各样的恒星体系,也就是我们今天所看到的宇宙。

  以上理论是关于观测到的哈勃定律下星系远离的速度而来,同时又根据广义相对论的弗里德曼模型的观点而来,认为宇宙可能再次膨胀,延伸到过去。从这些观测结果的显示来看,宇宙是起始状态膨胀而产生的。在这个起始状态过程中,宇宙中的物质的密度和能量的温度极高。广义相对论认为在当中有一个引力奇点,但至于在那之前究竟发生了什么,物理学家对此的意见也并不统一。

  大爆炸一词在狭义上是指宇宙形成最初那段时间所经历的剧烈变化,大家对在这段时间计算是一下是大约在距今137亿(1.37 ×1010)年前所发生的;但在广义上指的是当今流行的揭示宇宙起源和膨胀的理论。这一理论直接推论的是我们今天所处的宇宙同昨天或者明天的宇宙并不相同。根据这一理论,在1948年乔治·盖莫夫预测到了宇宙有微波背景辐射的存在。1960年代,这一辐射被探测到了并且有利的证明了大爆炸理论的学说,也因此否定了另一个比较流行的稳恒态宇宙理论。

观测事实

  大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:

  ( 1 )大爆炸理论认为所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天
大爆炸理论
这一段时间为短,即应小于 200 亿年。各种天体年龄的测量也证明了这一点。

  ( 2 )观测到河外天体有系统性的谱线红移 , 而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。

  ( 3 )在各种不同的天体上,氦的丰度相当大,而且都是 30%度。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高说明这一事实。

  ( 4)根据宇宙膨胀速度以及氦的来讲丰度,可以具体的计算宇宙每一段历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言,今天的宇宙会很冷,只有绝对温度的几度。1965 年,果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射,温度约为 3K 。

发展历史

  大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的,在实验观测方面,1910年代,维斯特·斯里弗尔
大爆炸理论
(Vesto Slipher)和卡尔·韦海姆·怀兹(Carl WilhelmWirtz)证实了大多数旋涡星云正在远离地球,不过他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么,也不认为发现的星云其实是银河系外的其他星系。同时在理论上,爱因斯坦的广义相对论成功建立并推出没有稳定态宇宙。通过度量张量描述的宇宙不是膨胀就是收缩,爱因斯坦认为他自己解错了,并加入了一个宇宙学常数来进行改正。第一个不使用宇宙学常数,而真正认真将广义相对论运用到宇宙学中的是亚历山大·弗里德曼,他的方程所描述的宇宙称为Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙,其一直在不断地膨胀,那么可以合理地设想,它在过去应该比现在小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放,我们应该会发现,在很久很久以前的某个时候,所有的星辰都是聚合在一起的,宇宙最初是一个致密的物质核。1927年,比利时天主教牧师勒梅特独立推导出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,并在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的—这就是后来所谓的大爆炸。

  1929年,爱德文·哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件。哈勃证明这些旋涡星云其实是星系,并通过观测仙王座δ的星体测算出了他们之间的距离。他发现,星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比,这就是所谓哈勃定律。根据宇宙学的原理,当观测足够大的空间时,没有特殊方向和特殊点,因此哈勃定律说明宇宙在膨胀。这一观点存在两种互相对立的可能性:一种是由勒梅特提出,盖莫夫支持和完善的大爆炸理论;另一种则是霍伊尔的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里,新物质在星系远离留下的空间中不断产生,从而宇宙基本不变化。其实这个理论的提出是出于讽刺勒梅特的大爆炸理论的,最开始是在1949年通过BBC广播节目形式传播的,论文《物质的特性》(TheNature of Things)发表于1950年。

  之后的许多年,这两种理论并立,但观测事实开始支持一个演变子热密状态的宇宙。1965年宇宙微波背景
相对论创始人爱因斯坦
辐射的发现使人们认为大爆炸理论是宇宙起源和演变最好的理论。1970年以前,很多宇宙学家认为宇宙可能在膨胀以前先收缩,这样可以避免从弗里德曼模型推出一个无限致密的“荒谬”的奇点。比较有代表性的是RichardTolman的脉动宇宙模型(oscillatinguniverse)。1960年代末,史蒂芬·霍金等人证明这个假设行不通,因为奇异点是爱因斯坦引力理论的直接和重要推论。之后大多数宇宙物理学家开始接受广义相对论所描述的宇宙在时间上是有限的。但是,由于对于量子引力规律缺乏认识,现在还不能断定这个奇异点到底是真正集合意义上的无限小点,还是物理收缩过程可以无限进行下去,从而间接达到宇宙在时间上无限。

  现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关,或者是它的延伸,或者是进一步解释,例如大爆炸理论下星系如何产生,大爆炸时发生的物理过程,以及用大爆炸理论解释新观测结果等。90年代后期和二十一世纪初,由于望远镜技术的发展和人造探测器收集到大量数据,大爆炸理论又有了新的巨大突破。大爆炸时期宇宙的情况和数据可以计算得更加精确,并产生了很多意想不到的结果,比如宇宙的膨胀在加速。

详细内容

  大爆炸理论测算出宇宙的年龄是137±2亿年,这一计算是通过对Ia型超新星的观测,对宇宙背景辐射强度的测量,以及对星系相关函数的测量得出的。这三个独立测算所得到的结果一致,从而被认为是所谓更详细描述宇宙中星系性质的Lambda-CDMmodel的有力证据。早期的宇宙充满了同源同性的物质,其温度压强能量都极高。随着膨胀和冷却,宇宙物质经历了相变,这种相变与蒸气冷却时的凝结过程和水的凝固过程相似,不同之处在于前者发生在更基本的粒子层面上。

  对宇宙各处的氦、氘及其它元素等的观测,极好地证实了上述丰度值的普适性。简单的大爆炸模型与严格的天文观测间形成了美妙的一致。这一预言是大爆炸图景最大的成功。 至百万年前后,温度降至107~6K范围,宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K时,辐射减弱,中性原子形成,等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成,50亿年前后开始出现首批恒星,太阳系的形成则在100亿年前后。 

  随着时间的前进,在几乎是均匀分布的物质空间中,密度稍微大一点儿的区域通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,并形成今天的气体云、恒星、星系和其他天文学观测到的结构。具体过程决定于宇宙物质的形式和数量,其中形式可能有三种:冷暗物质、热暗物质和重子物质。

大爆炸宇宙论

  宇宙并非永恒存在而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。
大爆炸理论

  象历史学家一样,宇宙学家意识到开启未来的钥匙在于过去。

  早在1929年,埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现,即不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。换言之,宇宙正在不断膨胀。这意味着,在早先星体相互之间更加靠近。事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙无限紧密。

  1950年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是一种在各处同时发生,从一开时就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙,或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。

  根据大爆炸宇宙论,甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

  从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来,通过几十年的努力,宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史:

  大爆炸开始时:150-200亿年前,极小体积,极高密度,极高温度。

  大爆炸后10 -43 秒:宇宙从量子背景出现。

  大爆炸后10 -35 秒:同一场分解为强力、电弱力和引力。

  大爆炸后10 -5 秒:10万亿度,质子和中子形成。大爆炸宇宙模型(big-bang model)

  大爆炸后0.01秒:1000亿度,光子、电子、中微子为主,质子中子仅占10亿分之一,热平衡态,体系急剧膨胀,温度和密度不断下降。

  大爆炸后0.1秒后:300亿度,中子质子比从1.0下降到0.61。

  大爆炸后1秒后:100亿度,中微子向外逃逸,正负电子湮没反应出现,核力尚不足束缚中子和质子。

  大爆炸后13.8秒后:30亿度,氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成。

  大爆炸后35分钟后:3亿度,核过程停止,尚不能形成中性原子。

  大爆炸后30万年后:3000度,化学结合作用使中性原子形成,宇宙主要成分为气态物质,并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块,直至恒星和恒星系统。

  大爆炸理论模型得到若干重要观测事实的支持:

观测基础

  一般来说,大爆炸宇宙学理论有三个观测基础:

  星系红移为基础的哈勃膨胀;

  宇宙微波背景的细致测量;

  轻物质丰度。

  另外,观测到的宇宙大尺度结构的相关函数符合标准大爆炸理论。

哈勃定律和宇宙膨胀

  哈勃定律是物理宇宙论的陈述:来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈勃和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后,于1929年首先公式化的。它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据,和今天经常被援引作为支持大爆炸的一个重要证据。在宇宙学研究中,哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦把他方程中的宇宙常数去掉,并认为宇宙常数是“一生中最大的错误”。

宇宙微波背景辐射

  宇宙微波背景辐射是从离地球130亿光年(一光年约九兆四千六百亿公里)外的地方射过来,是宇宙
宇宙微波背景辐射
大爆炸刚发生之后的38万年产生的,在宇宙诞生之初,温度极高,随后逐渐冷却,目前相当于绝对温度2.7度(零下270.46摄氏度),是为“3K宇宙微波背景辐射”,被称为微波背景辐射的“余烬”,是宇宙中最古老的光。由于宇宙不断膨胀,根据广义相对论,宇宙微波背景辐射的波长会不断被拉长。

  原始物质丰度和星系演变和分布

疑点和反对意见

  宇宙大爆炸理论在其发展的过程中产生了一些疑点和问题,其中有些随着观测和理论的不断完善得到了解决,而成为了历史,但也有一些问题至今没有圆满解决,诸如星系晕尖点问题(Cuspyhalo problem)、冷暗物质的矮星系问题(dwarf galaxyproblem)等。有些人认为这些问题并不是大爆炸理论的致命问题,通过大爆炸理论的进一步发展可以得到解决。

  大爆炸理论的主要疑点和问题有:

  视野问题(horizon problem);

  均匀度问题(flatness problem);

  磁单极问题(Magnetic monopoles);

  重子不对称(Baryon asymmetry);

  球状星团的年龄(Globular cluster age);

  暗物质;

  暗能量。

宇宙的未来

  在发现暗能量之前,宇宙学家认为宇宙有两种未来。如果宇宙物质密度超过临界密度,宇宙会在膨胀到
异向性探测器观测到宇宙正加速膨胀
最大体积之后收缩,在收缩过程中,宇宙的密度和温度都会再次升高,最后终结于同爆炸开始相似的状态——一个致密致热的小球。或者如果宇宙物质密度等于或者小于临界密度,膨胀会逐渐减速,但永远不会停止。造星运动会随宇宙密度减小而逐渐停止,而宇宙的温度会趋近于绝对零度。黑洞被气化,宇宙的熵会增加到极点,再也不会有有组织的能量形式产生,这叫做热寂说。如果质子衰变存在,宇宙最后甚至连氢原子这种最基本最多的重子物质都会消失,而只剩下辐射。

  但现在在发现宇宙加速膨胀之后,人们有了新的推测:现今可观测的宇宙将离开我们的事件视界而同我们失去联系,最终结果还不清楚。Lambda-CDMmodel宇宙模型认为宇宙的暗能量以宇宙常数形式存在,并提出只有诸如星系等引力支配系统的物质会聚集,从而同样推出宇宙膨胀和冷却到最后将是热寂说。对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论(phantomenergy)则认为星系群甚至星系都会在大分离过程中被“撕”开。

  大爆炸理论-影响

  哲学上,有一些对大爆炸理论诠释完全主观和超越科学。一些诠释企图解释大爆炸的原因(第一因),被自然主义的哲学家批评为现代的世界起源神话。一些人相信大爆炸理论支持传统的世界起源观点,譬如在创世记所载的,另一些人认为所有大爆炸理论都与传统观点不合。

  大爆炸理论本身是纯粹的科学理论,不与宗教关连。但是一些基督教教会,包括罗马天主教教会已经接受大爆炸理论,把它作为哲学上宇宙起源的一种描述。庇护十二世教皇对推广大爆炸理论很热心,尽管当时的理论并不完善。

影响

  哲学上,有一些对大爆炸理论诠释完全主观和超越科学。一些诠释企图解释大爆炸的原因(第一因),被自然主义的哲学家批评为现代的世界起源神话。一些人相信大爆炸理论支持传统的世界起源观点,譬如在创世记所载的,另一些人认为所有大爆炸理论都与传统观点不合。大爆炸理论本身是纯粹的科学理论,不与宗教关连。但是一些基督教教会,包括罗马天主教教会已经接受大爆炸理论,把它作为哲学上宇宙起源的一种描述。庇护十二世教皇对推广大爆炸理论很热心,尽管当时的理论并不完善。

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