宇宙大爆炸

宇宙大爆炸 金融学院 卢家欢 26130223

【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。 现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质，形成了当今的宇宙形态，人类就是在这一宇宙演变中诞生的。 【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。