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宇宙大爆炸知识百科

2018-06-08 14:28:38

宇宙大爆炸是一种关于宇宙起源的学说,是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约在150亿年前,宇宙所有的物质都高度密集在一点,有着极高的温度,因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后,物质开始向外大膨胀,就形成了今天我们看到的宇宙。

理论起源

比利时神父、物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论,但他本人将其称作“原生原子的假说”。这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论,又在场方程的求解上作出了一定的简化。宇宙大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论的倡导者,他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。

实验观测

在实验观测方面,1912年维斯托·斯里弗尔首次测量了一个“旋涡星云”的多普勒频移,其后他和卡尔·韦海姆·怀兹证实了绝大多数类似的星云都在退离地球。不过斯里弗尔并没有因此联想到这个观测结果对宇宙学的意义,这也是由于在当时,人们就这些“星云”是否是我们的银河系之外的“岛宇宙”这一问题存在着高度争议。

哈勃定律

1924年起,哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件:他在威尔逊山天文台利用口径250厘米的胡克望远镜费心建造了一系列天文距离指示仪,这是宇宙距离尺度的前身。这些仪器使他能够通过观测星系的红移量来推测星系与地球之间的距离。他在1929年发现,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。而勒梅特在理论推测,根据宇宙学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。

二十世纪九十年代后期和二十一世纪初,望远镜技术的重大发展和如宇宙背景探测者(COBE)、哈勃太空望远镜(HST)和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)等空间探测器收集到的大量数据使大爆炸理论又有了新的大突破。宇宙学家从而可以更为精确地测量大爆炸模型中的各种参数,并从中发现了很多意想不到的结果,比如宇宙的膨胀正在加速。

大爆炸年表

通过广义相对论将宇宙的膨胀进行时间反演,则可得出宇宙在过去有限的时间之前曾经处于一个密度和温度都无限高的状态,称之为奇点,奇点的存在意味着广义相对论理论在这里不适用。而仍然存在争论的问题是,借助广义相对论我们能在多大程度上理解接近奇点的物理学——可以肯定的是不会早于普朗克时期。宇宙极早期这一高温高密的相态被称作“大爆炸”,这被看作是我们宇宙的诞生时期。通过观测Ia型超新星来测量宇宙的膨胀,对宇宙微波背景辐射温度涨落的测量,以及对星系之间相关函数的测量,科学家计算出宇宙的年龄大约为137.3±1.2亿年。这三个独立测算所得到的结果相符,从而为具体描述宇宙所包含物质比例的ΛCDM模型提供了有力证据。

极早期

关于大爆炸模型中极早期宇宙的相态问题,至今(2012年)人们仍充满了猜测。在大多数常见的模型中,宇宙诞生初期是由均匀且各向同性的高密高温高压物质构成的,并在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却。大约在膨胀进行到10^-37秒时,产生了一种相变使宇宙发生暴涨,在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。当暴涨结束后,构成宇宙的物质包括夸克-胶子等离子体,以及其他所有基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热,以至于粒子都在做着相对论性的高速随机运动,而粒子-反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭,从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的(宇宙中的总重子数为零)。直到其后的某个时刻,一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现,它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上,这一过程被称作重子数产生。这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。

大爆炸发生的几分钟后

在大爆炸发生的几分钟后,宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级,密度降低到大约空气密度的水平。少数质子和所有中子结合,组成氘和氦的原子核,这个过程叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合,形成了氢的原子核。随着宇宙的冷却,宇宙能量密度的主要来自静止质量产生的引力的贡献,并超过原先光子以辐射形式的能量密度。在大约37.9万年之后,电子和原子核结合成为原子,而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播,这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。

虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布,但仍存在某些密度稍大的区域,因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构。这一过程的具体细节取决于宇宙中物质的形式和数量,其中形式可能有三种:冷暗物质、热暗物质和重子物质。来自WMAP的目前最佳观测结果表明,宇宙中占主导地位的物质形式是冷暗物质,而其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%。

当今的宇宙被一种被称作暗能量的未知能量形式主导着,暗能量被认为渗透到空间中的每一个角落。观测显示,当今宇宙的总能量密度中有72%的部分是以暗能量这一形式存在的。根据推测,在宇宙非常年轻时暗能量就已经存在,但此时的宇宙尺度很小而物质间彼此距离很近,因而在那时引力的效果显著从而减缓了宇宙的膨胀。但经过了几十上百亿年的膨胀,不断增长的暗能量开始让宇宙膨胀缓慢加速。表述暗能量的最简洁方法是在爱因斯坦引力场方程中添加所谓宇宙常数项

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,但这仍然无法回答暗能量的构成、形成机制等问题,以及与此伴随的一些更基础问题:例如关于它状态方程的细节,以及它与粒子物理学中标准模型的内在联系,这些未解决的问题仍然有待理论和实验观测的进一步研究。暗能量。对Ia型超新星红移-星等之间关系的测量揭示了宇宙自现有年龄的一半时,它的膨胀开始加速。如要解释这种加速膨胀,广义相对论要求宇宙中的大部分能量都具有一个能够提供负压的因子,即所谓“暗能量”。

暴涨时期以后

所有在暴涨时期以后的宇宙演化,都可以用宇宙学中的ΛCDM模型来非常精确地描述,这一模型来自广义相对论和量子力学各自独立的框架。如前所述,目前还没有广泛支持的模型能够描述大爆炸后大约10^-15秒之内的宇宙,一般认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子引力理论来突破这一难题。如何才能理解这一极早期宇宙的物理图景是当今物理学的最大未解决问题之一。

视界

宇宙大爆炸时空的一个重要特点就是视界的存在:由于宇宙具有有限的年龄,并且光具有有限的速度,从而可能存在某些过去的事件无法通过光向我们传递信息。从这一分析可知,存在这样一个极限或称为过去视界,只有在这个极限距离以内的事件才有可能被观测到。另一方面,由于空间在不断膨胀,并且越遥远的物体退行速度越大,从而导致从我们这里发出的光有可能永远也无法到达那里。从这一分析可知,存在这样一个极限或称为未来视界,只有在这个极限距离以内的事件才有可能被我们所影响。假如宇宙的膨胀一直加速下去,宇宙也会存在一个未来视界。

宇宙的未来

在发现暗能量之前,宇宙学家认为宇宙的未来存在有两种图景:如果宇宙能量密度超过临界密度,宇宙会在膨胀到最大体积之后坍缩,在坍缩过程中,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——即大挤压;相反,如果宇宙能量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。恒星形成会因各个星系中的星际气体都被逐渐消耗而最终停止;恒星演化最终导致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相当缓慢地,这些致密星体彼此的碰撞会导致质量聚集而陆续产生更大的黑洞。宇宙的平均温度会渐近地趋于绝对零度,从而达到所谓大冻结。此外,倘若质子真像标准模型预言的那样是不稳定的,重子物质最终也会全部消失,宇宙中只留下辐射和黑洞,而最终黑洞也会因霍金辐射而全部蒸发。宇宙的熵会增加到极点,以致于再也不会有自组织的能量形式产生,最终宇宙达到热寂状态。

现代观测发现宇宙加速膨胀之后,人们意识到现今可观测的宇宙越来越多的部分将膨胀到我们的事件视界以外而同我们失去联系,这一效应的最终结果还不清楚。在ΛCDM模型中,暗能量以宇宙学常数的形式存在,这个理论认为只有诸如星系等引力束缚系统的物质会聚集,并随着宇宙的膨胀和冷却它们也会到达热寂。对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论则认为最终星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物质都会在一直持续下去的膨胀中被撕开,即所谓大撕裂。

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