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大爆炸理論(Big Bang)是天體物理學對關於宇宙起源的理論。[1]也是 現代宇宙系中最有影響的一種學說,又稱大爆炸宇宙學。與其他宇宙模型相比,大爆炸宇宙學更能說明觀測的事實。它的主要觀點是認為我們的宇宙曾經有過一段從熱到冷的演化史的過程。在這個時期里,宇宙體系並不是靜止的,而是在不斷地膨脹,物質密度從密到稀地演化著。這一從熱到冷、從密到稀的過程就如同一次巨大的爆炸一樣。

1 大爆炸理論 -概述

大爆炸理論大爆炸理論
大爆炸理論(Big Bang)是天體物理學對關於宇宙起源的理論。 也是 現代宇宙系中最有影響的一種學說,又稱大爆炸宇宙學。與其他宇宙模型相比,大爆炸宇宙學更能說明觀測的事實。它的主要觀點是認為我們的宇宙曾經有過一段從熱到冷的演化史的過程。在這個時期里,宇宙體系並不是靜止的,而是在不斷地膨脹,物質密度從密到稀地演化著。這一從熱到冷、從密到稀的過程就如同一次巨大的爆炸一樣。
大爆炸理論(Big Bang)模型圖1大爆炸理論(Big Bang)模型圖1
大爆炸理論(Big Bang)模型圖2大爆炸理論(Big Bang)模型圖2
大爆炸理論(Big Bang)模型圖3大爆炸理論(Big Bang)模型圖3
大爆炸理論(Big Bang)模型圖4大爆炸理論(Big Bang)模型圖4
       根據大爆炸宇宙學的理論來講,在宇宙早期時,溫度極高,達到了100 億攝氏度。甚至物質密度也大到讓整個宇宙體系達到平衡。宇宙間有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質。當整個體系在不斷膨脹時,空間溫度並不斷的下降。當溫度降到大概10 億度時,中子並開始失去自由,它要麼發生衰變,要麼與質子結合成氫、氦等元素;化學元素也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(見元素合成理論)。宇宙間的主要物質是質子、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,宇宙間主要成氣態物質,氣體逐漸凝聚成雲,再進一步形成各種各樣的恆星體系,也就是我們今天所看到的宇宙。 
    以上理論是關於觀測到的哈勃定律下星系遠離的速度而來,同時又根據廣義相對論的弗里德曼模型的觀點而來,認為宇宙可能再次膨脹,延伸到過去。從這些觀測結果的顯示來看,宇宙是起始狀態膨脹而產生的。在這個起始狀態過程中,宇宙中的物質的密度和能量的溫度極高。廣義相對論認為在當中有一個引力奇點,但至於在那之前究竟發生了什麼,物理學家對此的意見也並不統一。 
    大爆炸一詞在狹義上是指宇宙形成最初那段時間所經歷的劇烈變化,大家對在這段時間計算是一下是大約在距今137億(1.37 × 1010)年前所發生的;但在廣義上指的是當今流行的揭示宇宙起源和膨脹的理論。這一理論直接推論的是我們今天所處的宇宙同昨天或者明天的宇宙並不相同。根據這一理論,在1948年喬治·蓋莫夫預測到了宇宙有微波背景輻射的存在。1960年代,這一輻射被探測到了並且有利的證明了大爆炸理論的學說,也因此否定了另一個比較流行的穩恆態宇宙理論。


觀測事實

大爆炸模型能統一地說明以下幾個觀測事實:

大爆炸理論(Big Bang)模型圖5大爆炸理論(Big Bang)模型圖5

( 1 )大爆炸理論認為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也證明了這一點。
( 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。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 )在各種不同的天體上,氦的丰度相當大,而且都是 30% 度。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說明這一事實。
( 4 )根據宇宙膨脹速度以及氦的來講丰度,可以具體的計算宇宙每一段歷史時期的溫度。大爆炸理論的創始人之一伽莫夫曾預言,今天的宇宙會很冷,只有絕對溫度的幾度。 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 。

大爆炸理論(Big Bang)模型圖6大爆炸理論(Big Bang)模型圖6


2 大爆炸理論 -發展歷史

大爆炸理論大爆炸理論
大爆炸理論是通過實驗觀測和理論推導發展的,在實驗觀測方面,1910年代,維斯特·斯里弗爾(Vesto Slipher)和卡爾·韋海姆·懷茲(Carl Wilhelm Wirtz)證實了大多數旋渦星雲正在遠離地球,不過他們並沒有因此聯想到這對宇宙學意味著什麼,也不認為發現的星雲其實是銀河系外的其他星系。同時在理論上,愛因斯坦的廣義相對論成功建立並推出沒有穩定態宇宙。通過度量張量描述的宇宙不是膨脹就是收縮,愛因斯坦認為他自己解錯了,並加入了一個宇宙學常數來進行改正。第一個不使用宇宙學常數,而真正認真將廣義相對論運用到宇宙學中的是亞歷山大·弗里德曼,他的方程所描述的宇宙稱為Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙,其一直在不斷地膨脹,那麼可以合理地設想,它在過去應該比現在小。如果能把宇宙史這部影片倒過來放,我們應該會發現,在很久很久以前的某個時候,所有的星辰都是聚合在一起的,宇宙最初是一個緻密的物質核。1927年,比利時天主教牧師勒梅特獨立推導出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,並在螺旋星雲後退現象的基礎上提出了宇宙是從一個「初級原子」「爆炸」而來的—這就是後來所謂的大爆炸。

1929年,愛德文·哈勃為勒梅特的理論提供了實驗條件。哈勃證明這些旋渦星雲其實是星系,並通過觀測仙王座δ的星體測算出了他們之間的距離。他發現,星系遠離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比,這就是所謂哈勃定律。根據宇宙學的原理,當觀測足夠大的空間時,沒有特殊方向和特殊點,因此哈勃定律說明宇宙在膨脹。這一觀點存在兩種互相對立的可能性:一種是由勒梅特提出,蓋莫夫支持和完善的大爆炸理論;另一種則是霍伊爾的穩恆態宇宙模型。在穩恆態宇宙模型里,新物質在星系遠離留下的空間中不斷產生,從而宇宙基本不變化。其實這個理論的提出是出於諷刺勒梅特的大爆炸理論的,最開始是在1949年通過BBC廣播節目形式傳播的,論文《物質的特性》(The Nature of Things)發表於1950年。
大爆炸理論相對論創始人愛因斯坦

之後的許多年,這兩種理論並立,但觀測事實開始支持一個演變子熱密狀態的宇宙。1965年宇宙微波背景輻射的發現使人們認為大爆炸理論是宇宙起源和演變最好的理論。1970年以前,很多宇宙學家認為宇宙可能在膨脹以前先收縮,這樣可以避免從弗里德曼模型推出一個無限緻密的「荒謬」的奇點。比較有代表性的是Richard Tolman的脈動宇宙模型(oscillating universe)。1960年代末,史蒂芬·霍金等人證明這個假設行不通,因為奇異點是愛因斯坦引力理論的直接和重要推論。之後大多數宇宙物理學家開始接受廣義相對論所描述的宇宙在時間上是有限的。但是,由於對於量子引力規律缺乏認識,現在還不能斷定這個奇異點到底是真正集合意義上的無限小點,還是物理收縮過程可以無限進行下去,從而間接達到宇宙在時間上無限。
大爆炸理論奇異點-內部結構模型圖


現在宇宙物理學的幾乎所有研究都與宇宙大爆炸理論有關,或者是它的延伸,或者是進一步解釋,例如大爆炸理論下星系如何產生,大爆炸時發生的物理過程,以及用大爆炸理論解釋新觀測結果等。90年代後期和二十一世紀初,由於望遠鏡技術的發展和人造探測器收集到大量數據,大爆炸理論又有了新的巨大突破。大爆炸時期宇宙的情況和數據可以計算得更加精確,併產生了很多意想不到的結果,比如宇宙的膨脹在加速。

3 大爆炸理論 -理論

大爆炸理論大爆炸理論

大爆炸理論測算出宇宙的年齡是137±2億年,這一計算是通過對Ia型超新星的觀測,對宇宙背景輻射強度的測量,以及對星系相關函數的測量得出的。這三個獨立測算所得到的結果一致,從而被認為是所謂更詳細描述宇宙中星系性質的Lambda-CDM model的有力證據。早期的宇宙充滿了同源同性的物質,其溫度壓強能量都極高。隨著膨脹和冷卻,宇宙物質經歷了相變,這種相變與蒸氣冷卻時的凝結過程和水的凝固過程相似,不同之處在於前者發生在更基本的粒子層面上。

對宇宙各處的氦、氘及其它元素等的觀測,極好地證實了上述丰度值的普適性。簡單的大爆炸模型與嚴格的天文觀測間形成了美妙的一致。這一預言是大爆炸圖景最大的成功。 至百萬年前後,溫度降至107~6K範圍,宇宙間瀰漫著由輕元素原子核和電子、質子等組成的等離子體。2.5億年後溫度降至103K時,輻射減弱,中性原子形成,等離子體複合成為正常氣體。至10億年前後星系開始形成,50億年前後開始出現首批恆星,太陽系的形成則在100億年前後。 
隨著時間的前進,在幾乎是均勻分佈的物質空間中,密度稍微大一點兒的區域通過引力作用吸引附近的物質,從而變得密度更大,並形成今天的氣體雲、恆星、星系和其他天文學觀測到的結構。具體過程決定於宇宙物質的形式和數量,其中形式可能有三種:冷暗物質、熱暗物質和重子物質。

大爆炸宇宙論

 宇宙並非永恆存在而是從虛無創生的思想在西方文化中可以說是根深蒂固。雖然希臘哲學家曾經考慮過永恆宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直堅持認為宇宙是上帝在過去某個特定時刻創造的。

大爆炸理論大爆炸理論

象歷史學家一樣,宇宙學家意識到開啟未來的鑰匙在於過去。

早在1929年,埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的發現,即不管你往哪個方向看,遠處的星系正急速地遠離我們而去。換言之,宇宙正在不斷膨脹。這意味著,在早先星體相互之間更加靠近。事實上,似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻,它們剛好在同一地方,所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻,當時宇宙無限緊密。

1950年前後,伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是習見於地球上發生在一個確定的點,然後向四周的空氣傳播開去的那種爆炸,而是一種在各處同時發生,從一開時就充滿整個空間的那種爆炸,爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙,或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。

根據大爆炸宇宙論,甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體,溫度極高,密度極大,且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標誌,因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低,使得原子核、原子乃至恆星系統得以相繼出現。

從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來,通過幾十年的努力,宇宙學家們為我們勾畫出這樣一部宇宙歷史:

大爆炸開始時:150-200億年前,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。

大爆炸后10 -35 秒:同一場分解為強力、電弱力和引力。

大爆炸宇宙模型(big-bang model)大爆炸宇宙模型(big-bang model)

大爆炸后10 -5 秒:10萬億度,質子和中子形成。

大爆炸后0.01秒:1000億度,光子、電子、中微子為主,質子中子僅佔10億分之一,熱平衡態,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,正負電子湮沒反應出現,核力尚不足束縛中子和質子。

大爆炸后13.8秒后:30億度,氘、氦類穩定原子核(化學元素)形成。

大爆炸后35分鐘后:3億度,核過程停止,尚不能形成中性原子。

大爆炸后30萬年後:3000度,化學結合作用使中性原子形成,宇宙主要成分為氣態物質,並逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體雲塊,直至恆星和恆星系統。

大爆炸理論模型得到若干重要觀測事實的支持:

4 大爆炸理論 -證據

一般來說,大爆炸宇宙學理論有三個觀測基礎:

星系紅移為基礎的哈勃膨脹;
宇宙微波背景的細緻測量;
輕物質丰度。
另外,觀測到的宇宙大尺度結構的相關函數符合標準大爆炸理論。

哈勃定律和宇宙膨脹
哈勃定律是物理宇宙論的陳述:來自遙遠星系光線的紅移與他們的距離成正比。這條定律是哈勃和米爾頓·修默生在接近十年的觀測之後,於1929年首先公式化的。它被認為是在擴展空間範例上的第一個觀察依據,和今天經常被援引作為支持大爆炸的一個重要證據。在宇宙學研究中,哈勃定律成為宇宙膨脹理論的基礎。在發現了宇宙膨脹這個事實后,愛因斯坦把他方程中的宇宙常數去掉,並認為宇宙常數是他「一生中最大的錯誤」。

宇宙微波背景輻射

大爆炸理論宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射是從離地球130億光年(一光年約九兆四千六百億公里)外的地方射過來,是宇宙大爆炸剛發生之後的38萬年產生的,在宇宙誕生之初,溫度極高,隨後逐漸冷卻,目前相當於絕對溫度2.7度(零下270.46攝氏度),是為「3K宇宙微波背景輻射」,被稱為微波背景輻射的「餘燼」,是宇宙中最古老的光。由於宇宙不斷膨脹,根據廣義相對論,宇宙微波背景輻射的波長會不斷被拉長。

原始物質丰度和星系演變和分佈

5 大爆炸理論 -最新研究成果

 

研究過程

  中國安徽宣城溪口農民李六四自發、自費研究地震十七年(截至2010年),他認為:「地震是由地幔中核變的及時效應造成的。煤炭是石油演變產生的,石油是天然氣演變產生的。溶洞是因為液體受熱轉化成氣體,其膨脹壓力造成的,地球生物是在早期地球的液態有機硅中誕生並進化而來的,宇宙大爆炸理論存在誤區。」其理論學說為《地球熱核演變說》。 他的學說有可能成為後人了解地球、地震等的理論基礎。但是,由於條件、知識的局限某些內容尚在研究、完善中。

主要內容


  宇宙中各天體在朝向宇宙中心的引力作用下,以遠遠超越光速的速度加速向宇宙中心進發,宇宙是收縮的,但是,由於是加速運動,對於某個天體而言,其前方的天體的速度更快,其後方的天體的速度更慢,所以如果人站在任何一個天體上觀察其它天體,就會發現絕大多數天體是遠離自己的運動,這就很容易產生「宇宙膨脹理論」的錯誤感覺,而大爆炸理論是建立在宇宙膨脹的理論基礎上的,所以宇宙大爆炸理論自然也就不攻自破了。

6 大爆炸理論 -疑點和反對意見

宇宙大爆炸理論在其發展的過程中產生了一些疑點和問題,其中有些隨著觀測和理論的不斷完善得到了解決,而成為了歷史,但也有一些問題至今沒有圓滿解決,諸如星系暈尖點問題(Cuspy halo problem)、冷暗物質的矮星系問題(dwarf galaxy problem)等。有些人認為這些問題並不是大爆炸理論的致命問題,通過大爆炸理論的進一步發展可以得到解決。

大爆炸理論的主要疑點和問題有:

視野問題(horizon problem);
均勻度問題(flatness problem);
磁單極問題(Magnetic monopoles);
重子不對稱(baryon asymmetry);
球狀星團的年齡(Globular cluster age);
暗物質;
暗能量。

7 大爆炸理論 -宇宙的未來

大爆炸理論異向性探測器(WMAP)觀測到的宇宙正在加速膨脹的現象

在發現暗能量之前,宇宙學家認為宇宙有兩種未來。如果宇宙物質密度超過臨界密度,宇宙會在膨脹到最大體積之後收縮,在收縮過程中,宇宙的密度和溫度都會再次升高,最後終結於同爆炸開始相似的狀態——一個緻密致熱的小球。或者如果宇宙物質密度等於或者小於臨界密度,膨脹會逐漸減速,但永遠不會停止。造星運動會隨宇宙密度減小而逐漸停止,而宇宙的溫度會趨近於絕對零度。黑洞被氣化,宇宙的熵會增加到極點,再也不會有有組織的能量形式產生,這叫做熱寂說。如果質子衰變存在,宇宙最後甚至連氫原子這種最基本最多的重子物質都會消失,而只剩下輻射。

但現在在發現宇宙加速膨脹之後,人們有了新的推測:現今可觀測的宇宙將離開我們的事件視界而同我們失去聯繫,最終結果還不清楚。Lambda-CDM model宇宙模型認為宇宙的暗能量以宇宙常數形式存在,並提出只有諸如星系等引力支配系統的物質會聚集,從而同樣推出宇宙膨脹和冷卻到最後將是熱寂說。對暗能量的其他解釋,例如幻影能量理論(phantom energy)則認為星系群甚至星系都會在大分離過程中被「撕」開。

8 大爆炸理論 -影響

哲學上,有一些對大爆炸理論詮釋完全主觀和超越科學。一些詮釋企圖解釋大爆炸的原因(第一因),被自然主義的哲學家批評為現代的世界起源神話。一些人相信大爆炸理論支持傳統的世界起源觀點,譬如在創世記所載的,另一些人認為所有大爆炸理論都與傳統觀點不合。

大爆炸理論本身是純粹的科學理論,不與宗教關連。但是一些基督教教會,包括羅馬天主教教會已經接受大爆炸理論,把它作為哲學上宇宙起源的一種描述。庇護十二世教皇對推廣大爆炸理論很熱心,儘管當時的理論並不完善。

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