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大爆炸(英文:Big Bang)是描述宇宙誕生初始條件及其後續演化的宇宙學模型,這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為:宇宙是在過去有限的時間之前,由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的(根據2009年所得到的目前最佳的觀測結果,這些初始狀態大約存在發生於133億年至139億年前),並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。

1發展歷程

大爆炸模型圖冊

大爆炸模型圖冊
比利時牧師、物理學家喬治·勒梅特首先提出了關於宇宙起源的大爆炸理論,但他本人將其稱作「原生原子的假說」。這一模型的框架基於了愛因斯坦的廣義相對論,並在場方程的求解上作出了一定的簡化(例如空間的均一和各向同性)。描述這一模型的場方程由蘇聯物理學家亞歷山大·弗里德曼於1922年將廣義相對論應用在流體上給出。1929年,美國物理學家埃德溫·哈勃通過觀測發現從地球到達遙遠星系的距離正比於這些星系的紅移,這一膨脹宇宙的觀點也在1927年被勒梅特在理論上通過求解弗里德曼方程而提出,這個解後來被稱作弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規。哈勃的觀測表明,所有遙遠的星系和星團在視速度上都在遠離我們這一觀察點,並且距離越遠退行視速度越大。如果當前星系和星團間彼此的距離在不斷增大,則說明它們在過去的距離曾經很近。從這一觀點物理學家進一步推測:在過去宇宙曾經處於一個極高密度且極高溫度的狀態,在類似條件下大型粒子加速器上所進行的實驗結果則有力地支持了這一理論。然而,由於當前技術原因粒子加速器所能達到的高能範圍還十分有限,因而到目前為止,還沒有證據能夠直接或間接描述膨脹初始的極短時間內的宇宙狀態。從而,大爆炸理論還無法對宇宙的初始狀態作出任何描述和解釋,事實上它所能描述並解釋的是初始狀態之後宇宙的演化圖景。當前所觀測到的宇宙中輕元素的丰度,和理論所預言的宇宙早期快速膨脹並冷卻過程中最初的幾分鐘內,通過核反應所形成的這些元素的理論丰度值非常接近,定性並定量描述宇宙早期形成的輕元素的丰度的理論被稱作太初核合成。
大爆炸一詞首先是由英國天文學家弗雷德·霍伊爾所採用的。霍伊爾是與大爆炸對立的宇宙學模型——穩恆態理論的倡導者,他在1949年3月BBC的一次廣播節目中將勒梅特等人的理論稱作「這個大爆炸的觀點」。雖然有很多通俗軼事記錄霍伊爾這樣講是出於諷刺,但霍伊爾本人明確否認了這一點,他聲稱這只是為了著重說明這兩個模型的顯著不同之處。霍伊爾後來為恆星核合成的研究作出了重要貢獻,這是恆星內部通過核反應從輕元素製造出某些重元素的途徑。1964年宇宙微波背景輻射的發現,特別是當測得其頻譜從而繪製出它的黑體輻射曲線之後,大多數科學家都相信了這一支持大爆炸確實曾經發生的證據。

2幽默的「宇宙之始」代號——α,β,γ

1948年美國物理學家伽莫夫(George Gamow, 1904~1968)、阿爾法、貝特等人發揮了勒梅特的思想,把宇宙的膨脹於物質的演化聯繫起來,提出了「大爆炸宇宙模型」。因為它能較多他說明現時所觀測到的事實,所以成為目前影響最大的宇宙學說。由於伽莫夫、阿爾法、貝特三人的姓恰好是希臘字母的 ,因而被後人幽默的代表宇宙之始。

3宇宙大爆炸的描述

大爆炸—∞K—量子漲落

  大爆炸—∞K—量子漲落

1、 大爆炸——∞K——量子漲落
普朗克時間—10^32 K—GUT大統一

  普朗克時間—10^32 K—GUT大統一

2、普朗克時間——10^32 K——GUT大統一/第一次對稱破缺

10^-35秒10^28 K暴脹、弱電統一時期圖冊

10^-35秒10^28 K暴脹、弱電統一時期圖冊
3、 10^-35秒——10^28 K——暴脹、弱電統一、夸克-反夸克主導時期
10^-10秒—10^15 K—輕子形成

  10^-10秒—10^15 K—輕子形成

4、 10^-10秒——10^15 K——輕子形成
0.01秒—10^11K—重子形成

  0.01秒—10^11K—重子形成

5、 0.01秒——10^11K——重子形成
0.1秒—3×10^10K—中子衰變

  0.1秒—3×10^10K—中子衰變

6、 0.1秒——3×10^10K——中子衰變
7、 1秒——10^10K——質子/中子被強核力束縛形成氘核
8、 13.8秒——3×10^9K——氫核聚變成其它重原子核
9、 3分鐘——10^9K——物質和輻射耦合在一起
10、300000年——3000K——電子和核束縛在一起,物質和輻射去耦
11、10億年——3000K——恆星形成
12、100億年——10K——原子鏈接形成有機分子
13、120億年——3K——生命形成
14、120年~150億年——2.7K——生物進化
15、10^18年——10^-7K——黑洞-霍金輻射主導時期

10^24年~10^32年—10^-15K—質子衰變圖冊

10^24年~10^32年—10^-15K—質子衰變圖冊
16、10^24年~10^32年——10^-15K——質子衰變
17、10^100年——0K——黑洞衰變/熱寂
伽莫夫和他的支持者預言,大爆炸中所產生的輻射在遙遠的宇宙空間里必定仍然存在,大約相當於10K左右。後來3K宇宙背景輻射的發現給了人們很大的鼓舞,因為它使爆炸宇宙模型的這個預言成為真實。當然,大爆炸宇宙模型也同樣存在著許多尚待解決的疑難,它終究還只是一種假說。

4大爆炸理論的證據

輕元素的丰度

質子、中子、電子、光子等基本粒子圖冊

質子、中子、電子、光子等基本粒子圖冊
在大爆炸后一秒鐘以前,宇宙不僅不可能存在星系、恆星,地球,甚至除氫核外也沒有其他化學元素,只有處於熱平衡狀態下的由質子、中子、電子、光子等基本粒子混合而成的「宇宙湯」。起初,中子和質子的數量幾乎相等,隨著溫度的降低,兩者的比例逐漸下降,在約3分鐘時達到1:6左右。當溫度降到10億K時,中子和質子合成氘核的反應開始,類似氫彈爆炸時發生的聚變過程迅速把所有的中子合成到由兩個質子和兩個中子構成的氦核中。由此不難算出,氦同氫的質量比應為1:4。
天文觀測表明,無論宇宙的哪個角落,無論恆星還是星際物質中,氦與氫的比例均大體與此相符。同一時期合成的氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素,儘管數量小的多,但它們的丰度(即與氫的比例)也具有類似的普適性。這對大爆炸模型無疑又是一個有力的支持。

微波背景輻射

大爆炸模型的另一個重要遺迹是微波背景輻射。前面說過,大爆炸后最初幾分鐘,宇宙就像一個氫彈爆炸時產生的火球,處處充滿了溫度高達10億k的光輻射。因為處於熱平衡中,這種輻射強度隨波長的分佈服從普朗克分佈(或稱黑體譜)。隨著宇宙的膨脹,輻射溫度不斷下降,但始終保持黑體譜形和總體均勾性。按伽莫夫等人的計算,作為這種過程的遺迹,目前的宇宙中應普遍存在溫度約3k的背景黑體輻射。由於這輻射的峰值波長在1毫米附近,處於微波波段,故又稱為微波背景輻射。令人遺憾的是,這一重要預言在提出后的10多年中竟未引起人們的認真關注。直到1964年,美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架衛星通訊天線在7.35厘米波長處探測到一種來自宇宙空間的強度與方向無關的信號時,他們起初並不清楚自己發現的意義。後來普林斯頓大學的皮伯斯等得知這一消息,才認識到這正是他們「踏破鐵鞋無覓處」的宇宙背景輻射。為了最後「驗明正身」,20多年來,全世界天文學家對這種輻射的譜分佈和方向進行了大規模的調查,形勢逐漸明朗。1989年,美國宇航局專門為此發射了宇宙背景探測者衛星,第一批測量數據表明:在從0.5毫米到5毫米的整個波段上,該輻射的譜分佈與溫度為2.735±0.06k的理想黑體完全相合;在扣除運動效應以後,天空不同方向的相對誤差小於十萬分之一。這就無容置疑地證明了微波背景輻射的黑體性和普適性。它是熱大爆炸模型最令人信服的證據,這一發現在現代宇宙學史上的地位只有宇宙膨脹的發現可以與之相比。如果說,哈勃的發現打開了宇宙整體動力學演化研究的大門,那麼彭齊亞斯和威爾遜的發現則打開了宇宙整體物理演化研究的大門。
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