论宇宙大爆炸
宇宙大爆炸理论概览

宇宙大爆炸理论概览宇宙大爆炸理论是现代天体物理学中最重要的理论之一,它试图解释宇宙的起源和演化过程。
该理论认为,宇宙起源于一个极其高温高密度的初始状态,随后经历了一系列的膨胀和冷却过程,最终形成了我们今天所看到的宇宙。
宇宙大爆炸理论的提出宇宙大爆炸理论最早由比利时天文学家乔治·勒梅特尔在1927年提出。
他通过观测到星系的红移现象,发现宇宙正在膨胀,并由此推断出一个“原始原子”的概念。
然而,当时的科学界对于这个理论并没有给予太多关注。
直到1964年,美国天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在进行微波背景辐射实验时发现了一种与之前观测到的星系红移现象相符合的微波辐射。
这一发现被认为是对宇宙大爆炸理论的强有力支持,也使得该理论开始受到广泛关注。
宇宙大爆炸的过程根据宇宙大爆炸理论,宇宙的起源可以追溯到约138亿年前的一个极端高温高密度状态,被称为“奇点”。
在奇点之后,宇宙经历了以下几个重要的阶段:膨胀:在奇点之后,宇宙经历了一次快速膨胀的阶段,被称为“暴涨”。
在这个阶段,宇宙的体积迅速增大,同时温度和密度也在下降。
核合成:当宇宙膨胀到一定程度时,温度和密度下降到足够低的水平,原子核开始形成。
这个过程被称为“核合成”,在这个阶段,氢和氦等轻元素的核开始形成。
辐射主导时期:在核合成之后,宇宙进入了一个以辐射为主导的时期。
在这个时期,宇宙中充满了高能粒子和辐射。
物质主导时期:随着时间的推移,宇宙继续膨胀并冷却,辐射的能量密度逐渐下降,物质的能量密度开始占据主导地位。
在这个时期,宇宙中开始形成了星系和其他天体结构。
加速膨胀:近年来的观测结果表明,宇宙的膨胀速度正在加快。
这一发现被归因于一种被称为“暗能量”的神秘力量,它对宇宙的膨胀起到了推动作用。
宇宙大爆炸理论的意义宇宙大爆炸理论不仅解释了宇宙的起源和演化过程,还提供了许多重要的科学洞察。
以下是该理论的几个重要意义:宇宙演化:宇宙大爆炸理论为我们提供了一个框架,帮助我们理解宇宙从起源到现在的演化过程。
宇宙大爆炸的理论与证据

宇宙大爆炸的理论与证据宇宙大爆炸理论认为,在约138亿年前,整个宇宙诞生于一个极其炽热、密集的奇点,随后发生了一场爆炸,世界开始经历无尽的演化。
这套理论及其相关的研究成果,是人类探究宇宙最核心、最基础的科学探索之一。
一、宇宙大爆炸理论的产生据流传,最早提出宇宙大爆炸理论的是比利时天文学家乔治·勒梅特尔(Georges Lemaître)。
他在1927年发表的一篇论文中,首次提出将爆炸模型应用到宇宙研究中,哥本哈根学派的著名物理学家尼尔斯·玻尔并未对这一提议赞同。
随后,美国天文学家爱德华·哈勃发现了宇宙的膨胀,越远的星云运动越快,星系的移动速度与距离在许多方向上都呈现出线性关系。
“哈勃定律”成为后续学者推导宇宙学原理的重要依据。
二、大爆炸的几大证据1. 宇宙微波背景辐射在1965年发现的,是被认为是支持宇宙大爆炸的最有力印证。
它是宇宙早期形成后,所有物质对热辐射形成的残骸,能够检测到的辐射呈现均匀性,符合宇宙初期非常稠密、高温的预期。
这种形态与目前的辐射形态具有极高的相似度,展现了宇宙早期与现在的关系。
2. 宇宙丰度的天文观测在大爆炸模型基础上,有关质子、中子等原子核物质的丰度能够精确计算。
根据宇宙辐射和宇宙丰度的测量值,与计算结果进行得出的结论十分接近。
3. 星系和宇宙中的谱线偏移通过观测特定类别的恒星,可以通过观测它们的光谱来了解其移动状态、化学成分等信息。
观测数据表明,在光谱中,星系、银河中心等物体的光谱线偏移比较显著。
这种效应被称为“红移”,表明与地球距离越远的物体,运动越快。
这一现象验证了哈勃定律的预测,即宇宙正在快速膨胀。
4. 中子星合并产生的引力波探测在2017年,由美国国家科学基金会和欧洲分子生物医学研究所合作发布的研究最新成果,揭示了第一次探测到了引力波来自较远的中子星合并事件。
这一实验出现的意义是:精确探测到了当时宇宙自由电子发生重组的时刻。
宇宙大爆炸名词解释

宇宙大爆炸名词解释宇宙大爆炸,又称为大爆炸宇宙论,是关于宇宙起源和演化的理论。
这一理论的主要观点是宇宙起源于一个极度高温和高密度的状态,被称为“奇点”。
首先,让我们追溯到宇宙的最初时刻。
宇宙大爆炸理论认为宇宙起源于一个极度高温和高密度的状态,被称为“奇点”。
在这个理论中,“奇点”被认为是空间和时间的起点,它的密度无穷大,体积无穷小,并且包含着所有的物质和能量。
在大爆炸之前,我们无法使用现有的物理学理论来描述奇点的性质,因为它超出了我们的理解和想象范围。
接下来是宇宙大爆炸的过程。
当奇点爆炸时,它释放出巨大的能量和物质,宇宙开始急剧膨胀,并且宇宙中的所有物质和能量开始向各个方向扩张。
宇宙大爆炸理论认为宇宙的膨胀速度非常快,远超过光速。
同时,宇宙中的物质和能量也开始冷却和凝结,形成了各种不同的元素和天体。
那么,为什么我们需要宇宙大爆炸理论呢?首先,宇宙大爆炸理论提供了一种解释宇宙起源和演化的框架。
它帮助我们理解宇宙的起源、演化和最终命运。
其次,宇宙大爆炸理论也与许多观测结果相符合。
例如,宇宙中的元素比例、宇宙微波背景辐射等观测结果与宇宙大爆炸理论的预测相一致。
最后,宇宙大爆炸理论还帮助我们探索物理学的一些基本问题,如物质的本质、空间的性质和时间的起源等。
但是,宇宙大爆炸理论仍然有一些未解之谜和需要进一步研究的问题。
例如,我们不知道宇宙为什么会开始膨胀,也不知道宇宙中的暗物质和暗能量的本质。
此外,我们还需要更深入地研究宇宙的演化历史和最终命运。
总之,宇宙大爆炸理论是一种解释宇宙起源和演化的理论。
它为我们提供了一个框架来理解宇宙的起源、演化和最终命运,并且与许多观测结果相符合。
虽然仍有一些未解之谜和需要进一步研究的问题,但宇宙大爆炸理论为我们探索宇宙的奥秘提供了一个重要的工具。
宇宙起源大爆炸理论

宇宙起源大爆炸理论宇宙起源大爆炸理论,也被称为宇宙大爆炸理论,是目前被广泛接受的关于宇宙起源的理论。
该理论表明,宇宙起源于一个巨大的爆炸,即所谓的“大爆炸”。
这一理论提供了对宇宙形成、发展和演化的解释,并成为了现代宇宙学的基石之一。
在20世纪初,天文学家开始观察到宇宙的膨胀现象,他们发现远离地球的物体都在以相对速度远离我们,这意味着宇宙正在膨胀。
通过对这一膨胀现象进行逆推,科学家们提出了宇宙起源于一个巨大爆炸的理论。
根据宇宙起源大爆炸理论,大约在138亿年前,整个宇宙都被压缩在一个极为高温、高密度的“奇点”中。
这个奇点随着时间的推移,以极快的速度膨胀,释放出巨大的能量,形成了我们今天所看到的宇宙。
大爆炸之后,宇宙开始不断膨胀和冷却,原子核和电子逐渐结合形成了氢和氦等原始元素。
在宇宙起源大爆炸之后,宇宙经历了一系列的演化过程。
最开始的几百万年中,由于宇宙密度非常高,光无法穿过宇宙,因此宇宙处于黑暗中,并且没有可观测到的星系和行星。
随着宇宙膨胀的进行,宇宙逐渐冷却,光子和物质分离,光子开始自由传播,形成了可观测的宇宙背景辐射。
约10亿年后,宇宙开始形成了第一代恒星和星系,这标志着宇宙的第二个时代。
随着时间的推移,宇宙的膨胀速度逐渐下降,同时引力的作用使得星系间的距离逐渐增大。
关于宇宙的膨胀速度和演化过程,科学家提出了很多模型和理论,其中最为著名的是爱因斯坦的广义相对论。
广义相对论提供了解释宇宙膨胀的基本框架,但仍然存在许多未解之谜。
宇宙起源大爆炸理论对宇宙的研究有着重要的意义。
通过对宇宙的观测和研究,科学家们可以了解宇宙的起源、结构和演化过程。
例如,通过观测宇宙背景辐射,科学家们可以了解宇宙起源后的最早时期,并推断出宇宙的年龄和成分。
此外,宇宙大爆炸理论还为研究黑洞、暗物质、暗能量等宇宙学难题提供了基础。
总的来说,宇宙起源大爆炸理论是关于宇宙起源和演化的重要理论之一。
通过对宇宙膨胀现象的观测和研究,科学家们提出了这一理论,并通过实验证据的支持逐渐建立了它的地位。
宇宙大爆炸理论解析

宇宙大爆炸理论解析宇宙是一个令人着迷的存在,远离我们的日常生活,我们对它的了解仍然很有限。
然而,宇宙大爆炸理论给我们提供了一个可以窥探宇宙起源的窗口。
本文将详细解析这一理论,并尽力用通俗易懂的语言进行解释。
什么是宇宙大爆炸理论?宇宙大爆炸理论,也被称为“宇宙起源理论”,是一种关于宇宙起源和演化的科学理论。
该理论认为,整个宇宙起源于一个非常热、非常致密的状态,经历了一次巨大的爆炸,从而产生了我们现在所知的宇宙。
为什么是大爆炸?你也许会想,为什么要用“大爆炸”来形容宇宙的起源呢?这是因为根据现有的证据和理论计算,宇宙在诞生时确实经历了一次巨大的爆炸式膨胀。
这个爆炸产生了宇宙中所有物质和能量的初触形态,也是我们现在所观察到的宇宙的基础。
爆炸之后发生了什么?在大爆炸之后,宇宙经历了持续的膨胀和冷却。
当宇宙膨胀到足够稀薄的程度之后,物质开始凝聚形成原子,这个过程被称为“宇宙再电离”。
随着时间的推移,原子开始聚集形成恒星和星系,最终演化成我们熟悉的宇宙景象。
证据和支持宇宙大爆炸理论不仅是一种理论,还有大量的观测数据和实验证据来支持。
其中,关键的证据之一是宇宙微波背景辐射(CMB)的发现。
CMB是由大爆炸后释放出来的热辐射,在宇宙各个角落都可以观测到。
这一发现为宇宙大爆炸理论提供了强有力的支持。
超新星爆发的奥秘除了CMB,还有其他的观测证据也支持了宇宙大爆炸理论。
例如,科学家通过观测到遥远恒星爆发变成超新星的现象,发现了宇宙中的物质正在以加速的速度远离我们。
这表明了宇宙正在不断膨胀,并且膨胀的速度正在不断增加。
其他宇宙起源的理论虽然宇宙大爆炸理论是目前普遍接受的理论,但也有其他一些理论试图解释宇宙的起源。
例如,宇宙暗能量理论和宇宙膨胀理论等。
这些理论采用不同的假设和模型来解释宇宙的起源和演化,但仍需要进一步的观测和实验证据来验证。
宇宙大爆炸理论是目前被广泛接受的关于宇宙起源和演化的科学理论。
通过观测数据和实验证据的支持,我们可以窥探宇宙的起源和发展。
什么是宇宙大爆炸理论,它是如何影响我们的?

什么是宇宙大爆炸理论,它是如何影响我们的?宇宙大爆炸理论是现代天文学的核心理论之一,它揭示了宇宙的起源和演化历程,对我们的认知和科学研究产生了深远影响。
本文将对宇宙大爆炸理论进行科普介绍,并阐述其对我们的影响。
一、宇宙大爆炸理论简介宇宙大爆炸理论是指宇宙从一个无限小、无限密的初始点猛然膨胀而成的学说。
该理论一开始存在争议,但后来通过大量的实验观测和多学科的研究,逐渐得到了广泛的认可。
二、宇宙大爆炸理论的研究成果1.宇宙的起源宇宙大爆炸理论揭示了宇宙的起源,认为宇宙由一个起源点开始膨胀,因此我们可以大致了解宇宙的诞生。
后续的宇宙学研究和观测进一步证实了这一观点,并对宇宙的演化历程做出了详细解释。
2.暗物质宇宙大爆炸理论的研究帮助我们了解暗物质这个神秘的物质。
据信,暗物质占据宇宙中绝大部分的物质,但至今仍未被发现,这是目前天文学领域研究的重要课题。
3.宇宙微波背景辐射宇宙大爆炸理论的研究还发现了宇宙微波背景辐射。
科学家们认为,这是由于宇宙大爆炸的余热在宇宙膨胀过程中逐渐降温导致的。
这项研究为宇宙背景辐射的观测和研究提供了重要的指导和基础。
三、宇宙大爆炸理论的影响1.对哲学思考的启示宇宙大爆炸理论是对我们对宇宙及其起源的认知提出了挑战,并启示了我们不断探索宇宙的奥秘。
这种尝试当中涉及到一些哲学思考,让我们更深刻地认识到我们在宇宙中的渺小和无知。
同时,宇宙大爆炸理论的发现也引发了文学、影视、艺术等领域的创作和启示。
2.推动技术创新宇宙大爆炸理论的研究,推动了一系列先进技术的发展和创新。
例如,计算机模拟、粒子探测、射电天文学和红外天文学等技术的广泛应用。
这些技术的发展,不仅帮助我们更好地研究宇宙大爆炸理论,也推动了社会生产力的发展。
3.加深跨学科交叉研究宇宙大爆炸理论作为一个综合性学科领域,涉及物理、数学、天文学、化学、地质学等诸多学科。
它的研究促进了跨学科交叉的科研合作,提高了人类认识世界的综合能力,也使不同学科之间的联系和相互关联更加紧密。
宇宙大爆炸理论

宇宙大爆炸理论的起源和发展宇宙大爆炸理论,也被称为宇宙起源理论或宇宙演化理论,是关于宇宙起源和发展的主要科学理论之一。
该理论揭示了宇宙的起源、演化和结构,并提供了解释宇宙各种现象的基本框架。
以下是宇宙大爆炸理论的起源和发展的主要内容:起源和初始观点•宇宙大爆炸理论最早的雏形可以追溯到20世纪初的爱因斯坦的广义相对论。
爱因斯坦的方程组表明,宇宙是动态变化的,而不是静态不变的。
•1920年代,俄国天文学家亚历山大∙弗里德曼和比利时天文学家乔治∙勒梅特尔独立地提出了宇宙膨胀的观点,为宇宙大爆炸理论奠定了基础。
背景辐射的发现•1965年,美国天文学家阿诺∙彭齐亚斯和罗伯特∙威尔逊发现了宇宙背景辐射,这是一种来自宇宙微波背景的辐射,支持了宇宙早期的高温状态。
•背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了重要的实证证据,被认为是宇宙大爆炸的余热。
理论的发展和完善•宇宙大爆炸理论在20世纪中叶得到了进一步的发展和完善。
物理学家乔治∙卢梭和罗杰∙彭罗斯提出了宇宙初始奇点的概念,即宇宙的起源点。
•1960年代末至1970年代初,物理学家斯蒂芬∙霍金和罗杰∙彭罗斯的研究揭示了奇点定理,证明了宇宙大爆炸的存在。
•现代宇宙学的发展进一步完善了宇宙大爆炸理论,包括暗物质、暗能量、宇宙膨胀加速等概念。
当前的研究和挑战•当前,宇宙大爆炸理论仍然是宇宙学研究的重要基石。
科学家通过观测、实验和理论模型的研究,不断深化对宇宙起源和演化的理解。
•尽管宇宙大爆炸理论在解释宇宙起源和演化方面取得了巨大成功,但仍存在一些未解决的问题和挑战,如暗物质和暗能量的性质、宇宙膨胀的机制等。
宇宙大爆炸理论的起源和发展经历了多位科学家的贡献和多个阶段的演化,为我们提供了研究宇宙的重要框架,也激发了更多关于宇宙起源和未来命运的深入思考和研究。
宇宙大爆炸理论的基本原理和假设宇宙大爆炸理论是关于宇宙起源和演化的主要科学理论之一。
它基于一系列的基本原理和假设,通过观测、实验和理论模型的支持,提供了关于宇宙起源和演化的解释。
宇宙大爆炸理论解析

宇宙大爆炸理论解析宇宙大爆炸理论,也被称为宇宙起源理论,是目前被广泛接受的宇宙起源模型。
该理论认为,宇宙起源于一个极其高温高密度的奇点,随后经历了一次爆炸性的扩张,形成了我们今天所看到的宇宙。
本文将对宇宙大爆炸理论进行深入解析,探讨其背后的科学原理和相关证据。
一、宇宙大爆炸理论的提出宇宙大爆炸理论最早由比利时天文学家乔治·勒梅特尔和美国天文学家爱德华·霍勒特提出。
他们在1927年根据观测到的宇宙膨胀现象,提出了一个“原始原子”模型,认为宇宙曾经处于极端高温高密度的状态,随后经历了一次爆炸,从而诞生了宇宙。
随后,美国天文学家乔治·加莱和俄国天文学家亚历山大·弗里德曼分别独立提出了类似的宇宙起源理论。
弗里德曼还通过广义相对论方程组,推导出了宇宙膨胀的数学模型,为宇宙大爆炸理论提供了理论基础。
二、宇宙大爆炸理论的基本原理宇宙大爆炸理论的基本原理可以总结为以下几点:1. 起源于奇点:宇宙起源于一个奇点,即时间和空间的起点,处于极端高温高密度的状态。
2. 爆炸扩张:在奇点附近,宇宙经历了一次爆炸性的扩张,物质和能量迅速传播到宇宙各个角落。
3. 宇宙演化:随着时间的推移,宇宙逐渐冷却和膨胀,物质开始聚集形成星系、恒星和行星等天体。
4. 宇宙加速膨胀:近年来的观测数据表明,宇宙的膨胀速度正在加速,这可能是由于暗能量的存在所致。
5. 宇宙微波背景辐射:宇宙大爆炸理论成功预言了宇宙微波背景辐射的存在,这是宇宙起源时留下的辐射遗迹。
三、宇宙大爆炸理论的证据宇宙大爆炸理论得到了大量观测和实验的支持,以下是一些主要的证据:1. 宇宙膨胀:通过观测到的星系红移现象,科学家们发现宇宙正在膨胀,这与宇宙大爆炸理论相符。
2. 宇宙微波背景辐射:1965年,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,这是宇宙大爆炸的遗留辐射。
3. 夸克星系:宇宙大爆炸理论成功解释了夸克星系的形成,这是宇宙起源时期的物质状态。
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论宇宙大爆炸【摘要】宇宙大爆炸是一种学说,是根据天文观测研究后得到的一种设想。
大约在150亿年前,宇宙所有的物质都高度密集在一点,有着极高的温度,因而发生了巨大的爆炸。
大爆炸以后,物质开始向外大膨胀,就形成了今天我们看到的宇宙。
宇宙大爆炸模型只适用于宇宙的大尺度上,而它也意味着宇宙是无边的。
【关键词】宇宙;大爆炸;模型;理论;证据宇宙大爆炸模型是对宇宙产生和发展过程的一种科学假设,它描述了宇宙的发展过程,是一种理论预言。
它由1948年乔治·伽莫夫和他的两位研究生一起提出,是现今被普遍接受的宇宙模型,被称为标准宇宙模型。
宇宙大爆炸模型指出:宇宙产生于空间奇点,时间由此开始,空间也由此不断膨胀。
1.宇宙大爆炸模型的涵义伽莫夫等在美国《物理评论》杂志上发表了关于大爆炸宇宙学模型的文章:提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大,体积极小的物质迅速膨胀形成的,这是一个由热到冷、由密到稀和不断膨胀的过程,犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸。
宇宙大爆炸模型认为,大爆炸后的10^-43秒,宇宙中还没有任何粒子,只有时间、空间和真空场。
后10^-6秒,为强子时代,温度约为10^13k,夸克有条件结合成质子和中子等一类强子。
大爆炸后10^-2秒,为轻子时代,温度约为10^11k,产生重子的反应停止,重子增加。
4秒后,温度为10^9k,重子数目趋于稳定。
3分钟后,温度降到10^6k,中子和质子结合成氘核,氘核形成氦核。
这时,粒子发生反应的可能性很小,各粒子数丰度基本保持不变。
40万年后,进入“退耦代”,宇宙变透明,温度40000k,原子开始形成,核反应停止。
10亿年后,宇宙气态物质靠引力作用碰撞,形成星系与恒星。
100亿年后,银河系,太阳,行星开始形成,构成了今天的宇宙万物。
宇宙大爆炸模型是现代宇宙学中最有影响力的一种学说,比其它宇宙模型更能说明较多观测到的事实,在这个时期,宇宙不断地膨胀,温度从热到冷,密度从密到稀,当温度为10亿左右,中子开始失去自由存在的条件,要么发生衰变,要么与质子结合,化学元素就是从这一时期开始的。
[1]2.宇宙大爆炸模型的提出20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离人们而去。
1929年哈勃把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来,总结出了著名的哈勃定律:星系的退行速度v与它的距离r成正比,即v=Hr。
根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定,人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀,物质密度一直在变稀。
由此反推,宇宙的结构在某一时刻前是不存在的,它只能是演化的产物。
1948年美国物理学家伽莫夫、阿尔法、贝特等人发挥了勒梅特的思想,把宇宙的膨胀于物质的演化联系起来,提出了“宇宙大爆炸模型”。
因为它能较多他说明现时所观测到的事实,所以成为目前影响最大的宇宙学说。
由于伽莫夫、阿尔法和贝特三人的姓恰好是希腊字母的,因而被后人幽默的代表宇宙之始。
3.宇宙大爆炸模型的特征3.1.科学性假说来源于科学事实即宇宙天体红移现象和宇宙3k微波辐射背景的发现与科学理论即多普勒效应和热力学定律等,因而具有科学性。
3.2.假定性假说推测宇宙是由甚早期温度极高且密度极大,体积极小的物质迅速膨胀形成的,这是一个由热到冷、由密到稀和不断膨胀的过程,犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸,其推测具有假定性。
3.3.易变性在宇宙大爆炸假说的框架上,1992年,萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说,即母宇宙是空间闭合的,犹如一个黑洞,该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点,奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙,这体现了假说的易变性。
[2]4.宇宙大爆炸理论的证据4.1.宇宙的年龄如果星系目前正在彼此远离,那它们过去必定靠得更近,也就是说,较早时代的宇宙,物质密度会更高。
继续这一推理就意味着过去必定存在一个时刻,那时宇宙中的物质处于极其高密的状态。
按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度,就可估计出那一时刻距今约100—200亿年。
这段时间对所有星系来说是共同的,事实上它就是哈勃常数的倒数,那一时刻通常被称为“大爆炸”时刻,也就是我们宇宙的开端。
如果这一推论不错,那么宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙年龄”所界定的上限。
借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法,人们测量了地球上最古老的岩石、“阿彼罗11号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本,发现它们的年龄均不超过47亿年。
恒星的年龄可以从它们的发光功率和拥有的燃料储备来估计。
根据热核反应提供恒星能源的理论,人们估算出银河系中最老恒星的年龄约为100—150亿年。
用上述两种完全不同的方法得到的天体年龄竞与“宇宙年龄”协调一致,这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。
4.2.轻元素的丰度在大爆炸后一秒钟以前,宇宙不仅不可能存在星系、恒星,地球,甚至除氢核外也没有其他化学元素,只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙汤”。
[3]起初,中子和质子的数量几乎相等,随着温度的降低,两者的比例逐渐下降,在约3分钟时达到1:6左右。
当温度降到10亿K时,中子和质子合成氘核的反应开始,类似氢弹爆炸时发生的聚变过程迅速把所有的中子合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中。
由此不难算出,氦同氢的质量比应为1:4。
天文观测表明,无论宇宙的哪个角落,无论恒星还是星际物质中,氦与氢的比例均大体与此相符。
同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素,尽管数量小的多,但它们的丰度也具有类似的普适性。
这对大爆炸模型无疑又是一个有力的支持。
4.3.微波背景辐射大爆炸模型的另一个重要遗迹是微波背景辐射。
前面说过,大爆炸后最初几分钟,宇宙就像一个氢弹爆炸时产生的火球,处处充满了温度高达10亿k的光辐射。
因为处于热平衡中,这种辐射强度随波长的分布服从普朗克分布。
随着宇宙的膨胀,辐射温度不断下降,但始终保持黑体谱形和总体均勾性。
按伽莫夫等人的计算,作为这种过程的遗迹,目前的宇宙中应普遍存在温度约3k的背景黑体辐射。
由于这辐射的峰值波长在1毫米附近,处于微波波段,故又称为微波背景辐射。
令人遗憾的是,这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注。
直到1964年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时,他们起初并不清楚自己发现的意义。
后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息,才认识到这正是他们“踏破铁鞋无觅处”的宇宙背景辐射。
为了最后“验明正身”,20多年来,全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模的调查,形势逐渐明朗。
1989年,美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星,第一批测量数据表明:在从0.5毫米到5毫米的整个波段上,该辐射的谱分布与温度为2.735±0.06k的理想黑体完全相合;在扣除运动效应以后,天空不同方向的相对误差小于十万分之一。
[4]这就无容置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性。
它是热大爆炸模型最令人信服的证据,这一发现在现代宇宙学史上的地位只有宇宙膨胀的发现可以与之相比。
如果说,哈勃的发现打开了宇宙整体动力学演化研究的大门,那么彭齐亚斯和威尔逊的发现则打开了宇宙整体物理演化研究的大门。
4.4.星系演变和分布对星系和类星体的分类和分布的详细观测为大爆炸理论提供了强有力的支持证据。
理论和观测结果共同显示,最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后十亿年,从那以后更大的结构如星系团和超星系团开始形成。
由于恒星族群不断衰老和演化,我们所观测到的距离遥远的星系和那些距离较近的星系非常不同。
此外,即使距离上相近,相对较晚形成的星系也和那些在大爆炸之后较早形成的星系存在较大差异。
这些观测结果都和宇宙的稳恒态理论强烈抵触,而对恒星形成、星系和类星体分布以及大尺度结构的观测则通过大爆炸理论对宇宙结构形成的计算模拟结果符合得很好,从而使大爆炸理论的细节更趋完善。
4.5.其他证据人们通过对哈勃膨胀以及对微波背景辐射的观测,分别估算出了宇宙的年龄。
虽然这两个结果彼此曾经存在一些矛盾和争议,但最终还是取得了相当程度上的一致:两者都认为宇宙的年龄要稍大于最老的恒星的年龄。
两者的测量方法都是将恒星演化理论应用到球状星团上,并用放射性定年法测定每一颗第二星族恒星的年龄。
大爆炸理论预言了微波背景辐射的温度在过去曾经比现在要高,而对于位于高红移区域的气体云,通过观测它们对温度敏感的发射谱线已经证实了这个预言。
这个预言也意味着星系团中苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应的强度与红移并不直接相关;这一点从目前观测来看应该是近似正确,然而由于苏尼亚耶夫·泽尔多维奇效应的强度还和星系团的本身性质直接关联,并且星系团的性质在宇宙学的时间尺度上会发生根本的变化,因而导致无法精确检验这个猜想的正确性。
5.宇宙大爆炸理论的未来在发现暗能量之前,宇宙学家认为宇宙的未来存在有两种图景:如果宇宙能量密度超过临界密度,宇宙会在膨胀到最大体积之后坍缩,在坍缩过程中,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——即大挤压;相反,如果宇宙能量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。
恒星形成会因各个星系中的星际气体都被逐渐消耗而最终停止;恒星演化最终导致只剩下白矮星、中子星和黑洞。
相当缓慢地,这些致密星体彼此的碰撞会导致质量聚集而陆续产生更大的黑洞。
宇宙的平均温度会渐近地趋于绝对零度,从而达到所谓大冻结。
此外,倘若质子真像标准模型预言的那样是不稳定的,重子物质最终也会全部消失,宇宙中只留下辐射和黑洞,而最终黑洞也会因霍金辐射而全部蒸发。
宇宙的熵会增加到极点,以致于再也不会有自组织的能量形式产生,最终宇宙达到热寂状态。
现代观测发现宇宙加速膨胀之后,人们意识到现今可观测的宇宙越来越多的部分将膨胀到我们的事件视界以外而同我们失去联系,这一效应的最终结果还不清楚。
在ΛCDM模型中,暗能量以宇宙学常数的形式存在,这个理论认为只有诸如星系等引力束缚系统的物质会聚集,并随着宇宙的膨胀和冷却它们也会到达热寂。
对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论则认为最终星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物质都会在一直持续下去的膨胀中被撕开,即所谓大撕裂。
[5]虽然在宇宙学中大爆炸模型已经建立得相当完善,在将来它仍然非常有可能被修正,例如对于宇宙诞生最早期的那一刻人们还几乎一无所知。
彭罗斯-霍金奇点定理表明,在宇宙时间的开端必然存在一个奇点。
但是,这些理论都是在广义相对论正确的前提下才成立,而广义相对论在宇宙达到普朗克温度之前必须失效,而一个可能存在的量子引力理论则有希望避免产生奇点。