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大爆炸理论

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  根据大爆炸理论,宇宙是由一个致密致热的奇点膨胀到现在的状态的。大爆炸理论(Big Bang)是宇宙物理学关于宇宙起源的理论。根据大爆炸理论,宇宙是在大约140亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度,同时根据广义相对论的弗里德曼模型,宇宙空间可能膨胀。延伸(数学上同插值相反)到过去,这些观测结果显示宇宙是从一个起始状态膨胀而来。在这个起始状态中,宇宙的物质和能量的温度和密度极高。至于在此之前发生了什么,广义相对论认为有一个引力奇点,但物理学家对此意见并不统一。
  大爆炸一词在狭义上是指宇宙形成最初一段时间所经历的剧烈变化,这段时间通过计算大概在距今137亿(1.37 × 1010)年前;但在广义上指当今流行的揭示宇宙起源和膨胀的理论。这一理论的直接推论是我们今天所处的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同。根据这一理论,乔治·盖莫夫在1948年预测了宇宙微波背景辐射的存在。1960年代,这一辐射被探测到,有力地支持了大爆炸理论,从而否定了另一个比较流行的稳恒态宇宙理论。
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发展历史编辑本段回目录

  大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的,在实验观测方面,1910年代,维斯特·斯里弗尔(Vesto Slipher)和卡尔·韦海姆·怀兹(Carl Wilhelm Wirtz)证实了大多数旋涡星云正在远离地球,不过他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么,也不认为发现的星云其实是银河系外的其他星系。同时在理论上,爱因斯坦的广义相对论成功建立并推出没有稳定态宇宙。通过度量张量描述的宇宙不是膨胀就是收缩,爱因斯坦认为他自己解错了,并加入了一个宇宙学常数来进行改正。第一个不使用宇宙学常数,而真正认真将广义相对论运用到宇宙学中的是亚历山大·弗里德曼,他的方程所描述的宇宙称为Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙,其一直在不断地膨胀,那么可以合理地设想,它在过去应该比现在小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放,我们应该会发现,在很久很久以前的某个时候,所有的星辰都是聚合在一起的,宇宙最初是一个致密的物质核。1927年,比利时天主教牧师勒梅特独立推导出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,并在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的—这就是后来所谓的大爆炸。
  1929年,爱德文·哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件。哈勃证明这些旋涡星云其实是星系,并通过观测仙王座δ的星体测算出了他们之间的距离。他发现,星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比,这就是所谓哈勃定律。根据宇宙学的原理,当观测足够大的空间时,没有特殊方向和特殊点,因此哈勃定律说明宇宙在膨胀。这一观点存在两种互相对立的可能性:一种是由勒梅特提出,盖莫夫支持和完善的大爆炸理论;另一种则是霍伊尔的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里,新物质在星系远离留下的空间中不断产生,从而宇宙基本不变化。其实这个理论的提出是出于讽刺勒梅特的大爆炸理论的,最开始是在1949年通过BBC广播节目形式传播的,论文《物质的特性》(The Nature of Things)发表于1950年。
  之后的许多年,这两种理论并立,但观测事实开始支持一个演变子热密状态的宇宙。1965年宇宙微波背景辐射的发现使人们认为大爆炸理论是宇宙起源和演变最好的理论。1970年以前,很多宇宙学家认为宇宙可能在膨胀以前先收缩,这样可以避免从弗里德曼模型推出一个无限致密的“荒谬”的奇点。比较有代表性的是Richard Tolman的脉动宇宙模型(oscillating universe)。1960年代末,史蒂芬·霍金等人证明这个假设行不通,因为奇异点是爱因斯坦引力理论的直接和重要推论。之后大多数宇宙物理学家开始接受广义相对论所描述的宇宙在时间上是有限的。但是,由于对于量子引力规律缺乏认识,现在还不能断定这个奇异点到底是真正集合意义上的无限小点,还是物理收缩过程可以无限进行下去,从而间接达到宇宙在时间上无限。
  现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关,或者是它的延伸,或者是进一步解释,例如大爆炸理论下星系如何产生,大爆炸时发生的物理过程,以及用大爆炸理论解释新观测结果等。90年代后期和二十一世纪初,由于望远镜技术的发展和人造探测器收集到大量数据,大爆炸理论又有了新的巨大突破。大爆炸时期宇宙的情况和数据可以计算得更加精确,并产生了很多意想不到的结果,比如宇宙的膨胀在加速。参阅暗能量。

理论编辑本段回目录

  大爆炸理论测算出宇宙的年龄是137±2亿年,这一计算是通过对Ia型超新星的观测,对宇宙背景辐射强度的测量,以及对星系相关函数的测量得出的。这三个独立测算所得到的结果一致,从而被认为是所谓更详细描述宇宙中星系性质的Lambda-CDM model的有力证据。早期的宇宙充满了同源同性的物质,其温度压强能量都极高。随着膨胀和冷却,宇宙物质经历了相变,这种相变与蒸气冷却时的凝结过程和水的凝固过程相似,不同之处在于前者发生在更基本的粒子层面上。

影响编辑本段回目录

  
  最初的1秒钟是宇宙史上的一道分水岭。在此时刻以后,宇宙的温度已降到一定程度,能用我们现有的物理知识来描述,从而获得一幅大致准确的宇宙鸟瞰图。而在1秒钟之前,致密、高热的宇宙是一堆人类尚无力了解其行为的粒子,现有的物理规律不足以描述其行为。这是黑箱式的1秒钟。
  在1秒钟之前,宇宙中应该存在着等量的质子和中子,因为弱相互作用会使质子与中子相互转化,维持其数目的平衡。但到了1秒钟时,膨胀速度变得太大了,弱相互作用不能再维持质子与中子数的平衡。由于中子比质子稍重一些,质子转变为中子需要消耗较多能量,比中子转变为质子困难一些。然后,弱相互作用停止,中子和质子不再大量互相转换,留下的中子与质子相对数目有一个确定的比值--大概是1比6。
  在最初1秒过后、3分钟之内,中子和质子进行剧烈的聚合反应,形成氘核、氦核和锂核,主要是形成氦核。这个过程用完了所有的中子,余下的质子就成了氢原子核。3分钟过后,宇宙的温度降到10亿度以下,物质密度也迅速下降,这类核反应遂告中止。计算表明,最初三分钟里大约有22-24%的物质形成的氦4,剩下的物质几乎全部保持氢的形式,仅有十万分之几成为氦3和氘,还有百亿分之几成为锂。
  因此,大爆炸模型预言宇宙中应有22-24%的物质为氦,余大绝大部分为氢。最初三分钟里形成的氢和氦,构成了宇宙中99%以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素,只占宇宙总质量的不到1%,它们大部分是在大爆炸之后很久于恒星的内部形成的。
  对宇宙各处的氦、氘及其它元素等的观测,极好地证实了上述丰度值的普适性。简单的大爆炸模型与严格的天文观测间形成了美妙的一致。这一预言是大爆炸图景最大的成功。 至百万年前后,温度降至107~6K范围,宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K时,辐射减弱,中性原子形成,等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成,50亿年前后开始出现首批恒星,太阳系的形成则在100亿年前后。 
  随着时间的前进,在几乎是均匀分布的物质空间中,密度稍微大一点儿的区域通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,并形成今天的气体云、恒星、星系和其他天文学观测到的结构。具体过程决定于宇宙物质的形式和数量,其中形式可能有三种:冷暗物质、热暗物质和重子物质。

证据 编辑本段回目录


  一般来说,大爆炸宇宙学理论有三个观测基础:
  星系红移为基础的哈勃膨胀;
  宇宙微波背景的细致测量;
  轻物质丰度(参见太初核合成(Big Bang nucleosynthesis))。
  另外,观测到的宇宙大尺度结构的相关函数符合标准大爆炸理论。

哈勃定律和宇宙膨胀 编辑本段回目录


  哈勃定律是物理宇宙论的陈述:来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈勃和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后,于1929年首先公式化的。 它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据,和今天经常被援引作为支持大爆炸的一个重要证据。在宇宙学研究中,哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦把他方程中的宇宙常数去掉,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”。
[编辑本段]疑点和反对意见
  宇宙大爆炸理论在其发展的过程中产生了一些疑点和问题,其中有些随着观测和理论的不断完善得到了解决,而成为了历史,但也有一些问题至今没有圆满解决,诸如星系晕尖点问题(Cuspy halo problem)、冷暗物质的矮星系问题(dwarf galaxy problem)等。有些人认为这些问题并不是大爆炸理论的致命问题,通过大爆炸理论的进一步发展可以得到解决。

大爆炸理论的主要疑点和问题有: 编辑本段回目录


  视野问题(horizon problem);
  均匀度问题(flatness problem);
  磁单极问题(Magnetic monopoles);
  重子不对称(Baryon asymmetry);
  球状星团的年龄(Globular cluster age);
  大爆炸之前的宇宙 (Universe before big explosions);

暗物质 编辑本段回目录


  暗能量。
  暗物质 Dark Matter
  什么是暗物质?暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5%左右)。暗物质无法直接观测得到,但它却能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设,但直到目前还没有得到充分的证明。
  几十年前,暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过,最近对星系以及亚星系结构的分析显示,这一假设和观测结果之间存在着差异,这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型,为暗物质本性的研究带来新的曙光。
  大约65年前,第一次发现了暗物质存在的证据。当时,弗里兹·扎维奇发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。
  在引入宇宙膨胀理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时,宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上,观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
  当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲,它们的组成是完全不同的。更重要的是,像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此,暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后,两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现,宇宙正在加速膨胀。由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP)的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分。
  暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论,在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的几何,以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话,情况就完全不同了。首先,总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙的几何特性。其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位,但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正时宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去。
  不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
  另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
  在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04。
  但是如果我们不了解暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的,暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。

宇宙的未来 编辑本段回目录


  在发现暗能量之前,宇宙学家认为宇宙有两种未来。如果宇宙物质密度超过临界密度,宇宙会在膨胀到最大体积之后收缩,在收缩过程中,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——一个致密致热的小球。或者如果宇宙物质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。造星运动会随宇宙密度减小而逐渐停止,而宇宙的温度会趋近于绝对零度。黑洞被气化,宇宙的熵会增加到极点,再也不会有有组织的能量形式产生,这叫做热寂说。如果质子衰变存在,宇宙最后甚至连氢原子这种最基本最多的重子物质都会消失,而只剩下辐射。
  但现在在发现宇宙加速膨胀之后,人们有了新的推测:现今可观测的宇宙将离开我们的事件视界而同我们失去联系,最终结果还不清楚。Lambda-CDM model宇宙模型认为宇宙的暗能量以宇宙常数形式存在,并提出只有诸如星系等重力支配系统的物质会聚集,从而同样推出宇宙膨胀和冷却到最后将是热寂说。对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论(phantom energy)则认为星系群甚至星系都会在大分离过程中被“撕”开。

哲学和宗教意义 编辑本段回目录


  哲学上,有一些对大爆炸理论诠释完全主观和超越科学。一些诠释企图解释大爆炸的原因(第一因),被自然主义的哲学家批评为现代的世界起源神话。一些人相信大爆炸理论支持传统的世界起源观点,譬如在创世记所载的,另一些人认为所有大爆炸理论都与传统观点不合。
  大爆炸理论本身是纯粹的科学理论,不与宗教关连。但是一些基督教教会,包括罗马天主教教会已经接受大爆炸理论,把它作为哲学上宇宙起源的一种描述。庇护十二世教皇对推广大爆炸理论很热心,尽管当时的理论并不完善。
  根据佛教理论,“大爆炸”并不存在。由于因果律的连续性,宇宙为“过去无始,未来无终。”“引力奇点”不会凭空产生,而爆炸背后必有“因”。

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