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大爆炸宇宙模型

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一種廣為認可的宇宙演化理論。其要點是,宇宙是從溫度和密度都極高的狀態中由一次「大爆炸」產生的。時間至少發生在100億年前。這種模型基於兩個假設:第一是愛因斯坦提出的,能正確描述宇宙物質的引力作用的廣義相對論。

1 大爆炸宇宙模型 -簡介

大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型(big-bang model)
    一種廣為認可的宇宙演化理論。其要點是,宇宙是從溫度和密度都極高的狀態中由一次「大爆炸」產生的。時間至少發生在100億年前。這種模型基於兩個假設:第一是愛因斯坦提出的,能正確描述宇宙物質的引力作用的廣義相對論;第二是所謂宇宙學原理,即宇宙中的觀測者所看到的事物既同觀測的方向無關也同所處的位置無關。這個原理只適用於宇宙的大尺度上,而它也意味著宇宙是無邊的。因此,宇宙的大爆炸源不是發生在空間的某一點,而是發生在同一時間的整個空間內。有這兩個假設,就能計算出宇宙從某一確定時間(稱為普朗克時間)起始的歷史,而在此之前,何種物理規律在起作用至今還不清楚。宇宙從那時起迅速膨脹,使密度和溫度從原來極高的狀態降下來,緊接著,預示質子衰變的一些過程也使物質的數量遠超過反物質,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。過了幾秒鐘,宇宙溫度就降低到能形成某些原子核。這一理論還預言能形成一定數量的氫、氦和鋰的核素,丰度同今天所看到的一致。大約再過100萬年後,宇宙進一步冷卻,開始形成原子,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,它已經被觀測所證實。除了原始物質和輻射外大爆炸理論還預言,現在宇宙中應充滿中微子,它們是無質量或無電荷的基本粒子。現在科學家們正在努力找尋這種物質。
    大爆炸與其他宇宙模型相比,它能說明較多的觀測事實。它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里,宇宙體系並不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規模巨大的爆發。
    根據大爆炸宇宙學的觀點,大爆炸的整個過程是:在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上。物質密度也相當大,整個宇宙體系達到平衡。宇宙間只有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質。但是因為整個體系在不斷膨脹,結果溫度很快下降。當溫度降到10億度左右時,中子開始失去自由存在的條,它要麼發生衰變,要麼與質子結合成重氫、氦等元素;化學元素就是從這一時期開始形成的。溫度進一步下降到100萬度后,早期形成化學元素的過程結束。宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當溫度降到幾千度時,輻射減退,宇宙間主要是氣態物質,氣體逐漸凝聚成氣雲,再進一步形成各種各樣的恆星體系,成為我們今天看到的宇宙。
  大爆炸模型能統一地說明以下幾個觀測事實:①大爆炸理論主張所有恆星都是在溫度下降后產生的,因而任何天體的年齡都應比自溫度下降至今天這一段時間為
短,即應小於200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。②觀測到河外天體有系統性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比。它說明宇宙中星系間彼此遠離,這種現象稱為星系退行,類似於在膨脹的氣球上,各點相互遠離。如果用多普勒效應來解釋,那麼紅移就是宇宙膨脹的反映。③在各種不同天體上,氦丰度相當大,而且大都是30%。用恆星核反應機制不足以說明為什麼有如此多的氦。而根據大爆炸理論,早期溫度很高,產生氦的效率也很高,則可以說明這一事實。④根據宇宙膨脹速度以及氦丰度等,可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。大爆炸理論的創始人之一伽莫夫曾預言,今天的宇宙已經很冷,只有絕對溫度幾度。1965年,果然在微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射,溫度約為3K。這一結果無論在定性上或者定量上都同大爆炸理論的預言相符。目前,科學界普遍對上述觀測依據予以接受。但是,在星系的起源和各向同性分佈等方面,大爆炸宇宙學還存在一些未解決的困難問題。
大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型圖1
大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型圖2
大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型圖3
大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型圖4
大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型圖5
大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型圖6
大爆炸宇宙模型原子核的組成粒子-內部結構模型圖

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