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宇宙大爆炸理论与宇宙起源

2010-11-09 已有4349人阅读

关键字:宇宙大爆炸理论与宇宙起源   

宇宙是如何起源的?自古以来一直是人类最感兴趣和不懈探索的问题.历史上曾经出现过各种各样的神话传说,但宇宙的起源本身却是一个科学问题.20世纪以来,由于科学技术的发展,人们在对宇宙观测中取得了越来越多的重大发现,从而逐渐建立起科学的宇宙模型棗大爆炸宇宙学模型.

    一、提出大爆炸宇宙学模型的背景

   20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离人们而去.1929年哈勃把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来,总结出了著名的哈勃定律:星系的退行速度v与它的距离r成正比,即v=Hr.

    根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定,人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀,物质密度一直在变稀.由此反推,宇宙的结构在某一时刻前是不存在的,它只能是演化的产物.因而1948年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙学模型.

    二、大爆炸宇宙学模型

    1948年,伽莫夫等在美国《物理评论》杂志上发表了关于大爆炸宇宙学模型的文章:提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大,体积极小的物质迅速膨胀形成的,这是一个由热到冷、由密到稀,不断膨胀的过程,尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸.

    根据这一学说,在宇宙的最早期,即距今大约150亿年前,今天所观测到的全部物质世界统统都集中在一个很小的范围内,温度极高,密度极大.大爆炸开始后0.01秒,宇宙的温度约为1000亿摄氏度,其物质的主要成分为轻粒子(如光子、电子或中微子),而质子和中子只占十亿分之一.所有这些粒子都处于热平衡状态.由于整个体系在快速膨胀,因此温度很快下降.大爆炸后0.1秒,温度下降到300亿摄氏度,中子与质子之比从原来的1下降到0.61.1秒钟后,温度已下降到100亿摄氏度.随着密度的减小,中微子不再处于热平衡状态,开始向外逃逸.电子棗正电子对开始发生湮没反应,中子与质子之比进一步下降到0.3.但这时温度还太高,核子仍不足以把中子和质子束缚在一起.大爆炸后13.8秒,宇宙温度下降到30亿摄氏度.这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核.化学元素从这时候开始形成.35分钟后,宇宙温度进一步下降到3亿摄氏度,核形成停止了.氦和自由质子的质量之比大致保持在0.22~0.28这一范围内.由于温度还很高,质子仍不能和电子结合起来形成中性原子.中性原子大约是在大爆炸发生后30万年才开始形成的,这时 的温度已降到3 000摄氏度,化学结合作用已足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子中.到这一阶段,宇宙的主要成份是气态物质,随着温度的进一步降低,它们慢慢地凝聚成密度较高的气体云,到109年后,进一步形成各种星系,1010年形成恒星系统.这些恒星系统又经历了漫长的演化,才形成了我们今天所看到的宇宙.

    三、大爆炸宇宙学模型的成就

    宇宙早期的温度极高,今天的温度已降到极低(绝对温度3K).如此巨大的温度跨度是任何实验室条件都无法办到的.但是人们可以把已有的关于粒子物理、核物理、等离子体物理以及其他的物理知识应用于不同的宇宙演化阶段来预言各种宇宙学效应 .例如,大爆炸核合成及微波背景辐射等.通过多年的天文观测,这些预言已逐渐被证实,从而成为大爆炸宇宙模型的有力证据.

    1.大尺度的均匀和各向同性

    这是大爆炸宇宙模型的基础,对宇宙大尺度结构的观测结果已经证实宇宙学原理的正确性.即宇宙在大尺度上一定是均匀各向同性,1989年发射的COBE卫星对微波背景辐射的精密测量进一步表明在10-4精度内宇宙是各向均匀、同性的.

    2.哈勃定律

    从哈勃定律得到启示建立的大爆炸宇宙模型反过来可以预言这种定律.它已被28000个星系的红移(或退行速度)与距离的关系的观测数据所证实.

    3.宇宙的年龄

    宇宙既然是在一次大爆炸中诞生,那就可以谈论它的年龄.大爆炸宇宙学预言宇宙今天的年龄约为150亿年,宇宙中的结构,例如恒星、星系等,都是在宇宙形成以后逐渐形成的,所以它们的年龄必须小于宇宙年龄.近年来,人们通过采用多种不同的方式来测定星系和恒星的年龄,例如测量放射性元素及其衰变产物在星体中的丰度等,最后得到的结果是完全一致的.即星系和恒星的年龄,都在几十亿年的数量级,这与宇宙的年龄是相容的.

   4.大爆炸的核合成

    大爆炸宇宙学认为最初的宇宙中,既没有分子,也没有原子.第一批原子核是在大爆炸后10-2秒到3分钟这一时间内,由质子和中子组合而成并遗留至今的 .因而预言了宇宙中轻元素的丰度(如氦的丰度约为25%,氢的丰度约为75%).多年来人们对天体范围内的轻元素丰度的观测结果,正好与大爆炸的预言相一致.从而成为大爆炸宇宙学的最早证据.

    5.微波背景辐射

    大爆炸宇宙学模型认为温度降低到3000K左右时,中性原子将大量形成,光子与他们失去耦合,从而作为宇宙中的一个独立组分存留下来.伽莫夫预言,这种作为历史遗迹的背景光子应当可以在今天观测到,并估计出大约温度为10K .

    1964年就在物理学家们计划用辐射计观测这种背景辐射的时候,美国贝尔电话实验室的两位工程师,彭齐亚斯和威尔逊在安装调试卫星天线的过程中,发现天空各个不同方向上都存在一种不变的相当于3.5K的黑体辐射背景(即微波背景辐射).他们因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖.后来,1989年发射的COBE(宇宙背景探测者)卫星则最终测定出在10-4精度内宇宙背景辐射是各向同性的,且测得背景光子的温度为2.7K,于是从理论上预言的,在4×105年时留下的遗迹终于被实测充分证实了,这也成为大爆炸宇宙学的最强有力的证据.  

    大爆炸宇宙学模型发展至今,特别是关于轻元素丰度的解释和微波背景辐射的测量,说明大爆炸宇宙学模型正在走向成熟.但这并不能说明该理论无可挑剔.相反,大爆炸理论存在诸多包括视界问题、平坦性问题(现已被暴涨理论所解释)、奇性问题、磁单极子问题、重子 不对称问题、暗物质问题和宇宙常数等困难,这些有待于进一步研究.相信对这些问题的不断解决,必将进一步完善大爆炸宇宙学模型.

      参考文献

    1   俞允强.大爆炸宇宙学.北京:高等教育出版,1995

    2  S·温伯格.宇宙最初三分钟.北京:科学出版社,1981

    3   冯麟保.宇宙学引论.北京:科学出版,1994

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