宇宙大爆炸

宇宙大爆炸(Big Bang)僅僅是一種學(xué)說(shuō)，是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想。 大約在150億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質(zhì)開(kāi)始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。大爆炸的整個(gè)過(guò)程是復(fù)雜的，現(xiàn)在只能從理論研究的基礎(chǔ)上描繪過(guò)去遠(yuǎn)古的宇宙發(fā)展史。在這150億年中先后誕生了星系團(tuán)、星系、我們的銀河系、恒星、太陽(yáng)系、行星、衛(wèi)星等?，F(xiàn)在我們看見(jiàn)的和看不見(jiàn)的一切天體和宇宙物質(zhì)，形成了當(dāng)今的宇宙形態(tài)，人類就是在這一宇宙演變中誕生的。

【觀點(diǎn)提出過(guò)程】

人們是怎樣能推測(cè)出曾經(jīng)可能有過(guò)宇宙大爆炸呢？這就要依賴天文學(xué)的觀測(cè)和研究。我們的太陽(yáng)只是銀河系中的一兩千億個(gè)恒星中的一個(gè)。像我們銀河系同類的恒星系 —— 河外星系還有千千萬(wàn)萬(wàn)。從觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了那些遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們而去，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，飛奔的速度越快，因而形成了膨脹的宇宙。

對(duì)此，人們開(kāi)始反思，如果把這些向四面八方遠(yuǎn)離中的星系運(yùn)動(dòng)倒過(guò)來(lái)看，它們可能當(dāng)初是從同一源頭發(fā)射出去的，是不是在宇宙之初發(fā)生過(guò)一次難以想象的宇宙大爆炸呢？后來(lái)又觀測(cè)到了充滿宇宙的微波背景輻射，就是說(shuō)大約在137億年前宇宙大爆炸所產(chǎn)生的余波雖然是微弱的但確實(shí)存在。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)宇宙大爆炸是個(gè)有力的支持。

宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)主要流派，它能較滿意地解釋宇宙學(xué)的一些根本問(wèn)題。宇宙大爆炸理論雖然在20世紀(jì)40年代才提出，但20年代以來(lái)就有了萌芽。20年代時(shí)，若干天文學(xué)者均觀測(cè)到，許多河外星系的光譜線與地球上同種元素的譜線相比，都有波長(zhǎng)變化，即紅移現(xiàn)象。

到了1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)出星系譜線紅移星與星系同地球之間的距離成正比的規(guī)律。他在理論中指出：如果認(rèn)為譜線紅移是多普勒效果的結(jié)果，則意味著河外星系都在離開(kāi)我們向遠(yuǎn)方退行，而且距離越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越快。這正是一幅宇宙膨脹的圖像。

1932年勒梅特首次提出了現(xiàn)代宇宙大爆炸理論：整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)“原始原子”中，后來(lái)發(fā)生了大爆炸，碎片向四面八方散開(kāi)，形成了我們的宇宙。美籍俄國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫第一次將廣義相對(duì)論融入到宇宙理論中，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型：宇宙開(kāi)始于高溫、高密度的原始物質(zhì)，最初的溫度超過(guò)幾十億度，隨著溫度的繼續(xù)下降，宇宙開(kāi)始膨脹。

大爆炸理論是關(guān)于宇宙形成的最有影響的一種學(xué)說(shuō)，大爆炸理論誕生于20世紀(jì)20年代，在40年代得到補(bǔ)充和發(fā)展，但一直寂寂無(wú)聞。 40年代美國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理論。該理論認(rèn)為，宇宙在遙遠(yuǎn)的過(guò)去曾處于一種極度高溫和極大密度的狀態(tài)，這種狀態(tài)被形象地稱為“原始火球”。所謂原始火球也就是一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，現(xiàn)在的宇宙仍會(huì)繼續(xù)膨脹，也就是無(wú)限大，有可能宇宙爆炸的能量散發(fā)到極限的時(shí)候，宇宙又會(huì)變成一個(gè)原始火焰即無(wú)限小的點(diǎn)以后，火球爆炸，宇宙就開(kāi)始膨脹，物質(zhì)密度逐漸變稀，溫度也逐漸降低，直到今天的狀態(tài)。這個(gè)理論能自然地說(shuō)明河外天體的譜線紅移現(xiàn)象，也能圓滿地解釋許多天體物理學(xué)問(wèn)題。直到50年代，人們才開(kāi)始廣泛注意這個(gè)理論。

60年代，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸理論的新的有力證據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射，后來(lái)他們證實(shí)宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時(shí)留下的遺跡，從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據(jù)。他們也因此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

20世紀(jì)科學(xué)的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現(xiàn)。他對(duì)于宇宙起源后10-43秒以來(lái)的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋. 宇宙的起源：最初是比原子還要小的奇點(diǎn)，然后是大爆炸，通過(guò)大爆炸的能量形成了一些基本粒子，這些粒子在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì)。至此，大爆炸宇宙模型成為最有說(shuō)服力的宇宙圖景理論。然而，至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實(shí)驗(yàn)的支持，而且我們尚不知曉宇宙開(kāi)始爆炸和爆炸前的圖景。

【理論觀點(diǎn)】

大爆炸理論的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過(guò)程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點(diǎn)，大爆炸的整個(gè)過(guò)程是：在宇宙的早期，溫度極高，在100億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大，整個(gè)宇宙體系達(dá)到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。但是因?yàn)檎麄€(gè)體系在不斷膨脹，結(jié)果溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時(shí)，中子開(kāi)始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素；化學(xué)元素就是從這一時(shí)期開(kāi)始形成的。溫度進(jìn)一步下降到100萬(wàn)度后，早期形成化學(xué)元素的過(guò)程結(jié)束（見(jiàn)元素合成理論）。宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度降到幾千度時(shí)，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐漸凝聚成氣云，再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系，成為我們今天看到的宇宙。

從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來(lái)，通過(guò)幾十年的努力，宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串?huà)出這樣一部宇宙歷史：

大爆炸開(kāi)始時(shí) 約137億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。

大爆炸后10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。

大爆炸后10-35秒 同一場(chǎng)分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。

大爆炸后10-5秒 10萬(wàn)億度，質(zhì)子和中子形成。

大爆炸后0.01秒 1000億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。

大爆炸后0.1秒后 300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后 100億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒(méi)反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。

大爆炸后13.8秒后 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。

大爆炸后35分鐘后 3億度，核過(guò)程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后30萬(wàn)年后 3000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。

大爆炸宇宙模型（big-bang model）

一種廣為認(rèn)可的宇宙演化理論。其要點(diǎn)是，宇宙是從溫度和密度都極高的狀態(tài)中由一次“大爆炸”產(chǎn)生的。時(shí)間至少發(fā)生在100億年前。這種模型基于兩個(gè)假設(shè)：第一是愛(ài)因斯坦提出的，能正確描述宇宙物質(zhì)的引力作用的廣義相對(duì)論；第二是所謂宇宙學(xué)原理，即宇宙中的觀測(cè)者所看到的事物既同觀測(cè)的方向無(wú)關(guān)也同所處的位置無(wú)關(guān)。這個(gè)原理只適用于宇宙的大尺度上，而它也意味著宇宙是無(wú)邊的。因此，宇宙的大爆炸源不是發(fā)生在空間的某一點(diǎn)，而是發(fā)生在同一時(shí)間的整個(gè)空間內(nèi)。有這兩個(gè)假設(shè)，就能計(jì)算出宇宙從某一確定時(shí)間（稱為普朗克時(shí)間）起始的歷史，而在此之前，何種物理規(guī)律在起作用至今還不清楚。宇宙從那時(shí)起迅速膨脹，使密度和溫度從原來(lái)極高的狀態(tài)降下來(lái)，緊接著，預(yù)示質(zhì)子衰變的一些過(guò)程也使物質(zhì)的數(shù)量遠(yuǎn)超過(guò)反物質(zhì)，如同我們今天所看到的一樣。許多基本粒子在這一階段也可能出現(xiàn)。過(guò)了幾秒鐘，宇宙溫度就降低到能形成某些原子核。這一理論還預(yù)言能形成一定數(shù)量的氫、氦和鋰的核素，豐度同今天所看到的一致。大約再過(guò)100萬(wàn)年后，宇宙進(jìn)一步冷卻，開(kāi)始形成原子，而充滿宇宙中的輻射則在宇宙空間自由傳播。這種輻射稱為宇宙微波背景輻射，它已經(jīng)被觀測(cè)所證實(shí)。除了原始物質(zhì)和輻射外大爆炸理論還預(yù)言，現(xiàn)在宇宙中應(yīng)充滿中微子，它們是無(wú)質(zhì)量或無(wú)電荷的基本粒子?，F(xiàn)在科學(xué)家們正在努力找尋這種物質(zhì)。

大爆炸模型能統(tǒng)一地說(shuō)明以下幾個(gè)觀測(cè)事實(shí)：

（a）理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時(shí)間為短，即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測(cè)量證明了這一點(diǎn)。

（b）觀測(cè)到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋，那么紅移就是宇宙膨脹的反映。

（c）在各種不同天體上，氦豐度相當(dāng)大，而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機(jī)制不足以說(shuō)明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高，則可以說(shuō)明這一事實(shí)。

（d）根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計(jì)算宇宙每一歷史時(shí)期的溫度。

按照大爆炸理論，宇宙是137億年前從一個(gè)極小的點(diǎn)誕生的，從那里誕生了時(shí)間和空間、質(zhì)量和能量，從而由物質(zhì)小微粒聚集成大團(tuán)的物質(zhì)，最終形成星系、恒星和行星等。在大爆炸發(fā)生前，宇宙中沒(méi)有物質(zhì)，沒(méi)有能量，甚至沒(méi)有生命。

但是，大爆炸理論無(wú)法回答現(xiàn)在的宇宙在大爆炸發(fā)生之前到底是什么樣，或者說(shuō)發(fā)生這次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理論，宇宙沒(méi)有開(kāi)端。它只是一個(gè)循環(huán)不斷的過(guò)程，從大爆炸到黑洞的周而復(fù)始，便是宇宙創(chuàng)生與毀滅并再創(chuàng)生的過(guò)程。

這只是一個(gè)設(shè)想，并不是一個(gè)完美的理論。

【論據(jù)】

大爆炸理論雖然并不成熟，但是仍然是主流的宇宙形成理論的關(guān)鍵就在于目前有一些證據(jù)支持大爆炸理論，比較傳統(tǒng)的證據(jù)如下所示：

（a）紅位移

從地球的任何方向看去，遙遠(yuǎn)的星系都在離開(kāi)我們而去，故可以推出宇宙在膨脹，且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離的速度越快。

（b）哈勃定律

哈勃定律就是一個(gè)關(guān)于星系之間相互遠(yuǎn)離速度和距離的確定的關(guān)系式。仍然是說(shuō)明宇宙的運(yùn)動(dòng)和膨脹。

V＝H×D

其中，V（Km/sec）是遠(yuǎn)離速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常數(shù)，為50；D（Mpc）是星系距離。1Mpc＝3.26百萬(wàn)光年。

（c）氫與氦的豐存度

由模型預(yù)測(cè)出氫占25％，氦占75％，已經(jīng)由試驗(yàn)證實(shí)。

（d）微量元素的豐存度

對(duì)這些微量元素，在模型中所推測(cè)的豐存度與實(shí)測(cè)的相同。

（e）3K的宇宙背景輻射

根據(jù)大爆炸學(xué)說(shuō)，宇宙因膨脹而冷卻，現(xiàn)今的宇宙中仍然應(yīng)該存在當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的輻射余燼，1965年，3K的背景輻射被測(cè)得。

（f）背景輻射的微量不均勻

證明宇宙最初的狀態(tài)并不均勻，所以才有現(xiàn)在的宇宙和現(xiàn)在星系和星團(tuán)的產(chǎn)生。

（g）宇宙大爆炸理論的新證據(jù)

在2000年12月份的英國(guó)《自然》雜志上，科學(xué)家們稱他們又發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)，可以用來(lái)證實(shí)宇宙大爆炸理論。

長(zhǎng)期以來(lái)，一直有一種理論認(rèn)為宇宙最初是一個(gè)質(zhì)量極大，體積極小，溫度極高的點(diǎn)，然后這個(gè)點(diǎn)發(fā)生了爆炸，隨著體積的膨脹，溫度不斷降低。至今，宇宙中還有大爆炸初期殘留的稱為“宇宙背景輻射”的宇宙射線。

科學(xué)家們?cè)诜治隽擞钪嬷幸粋€(gè)遙遠(yuǎn)的氣體云在數(shù)十億年前從一個(gè)類星體中吸收的光線后發(fā)現(xiàn)，其溫度確實(shí)比現(xiàn)在的宇宙溫度要高。他們發(fā)現(xiàn)，背景溫度約為-263. 89攝氏度，比現(xiàn)在測(cè)量的-273.33的宇宙溫度要高。

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