浅谈宇宙大爆炸理论

浅谈宇宙大爆炸理论

机械12-1 121014122 孙静

我们从哪里来？宇宙是什么样的？这自有人类以来的永恒疑问。从西方的海龟驮大陆，到中国的天圆地方，诞生了远古的神话和宗教。十七世纪，开普勒、胡克等人继续为太阳系勾勒大概的轮廓。最终伟大的牛顿建立了完美的经典力学大厦。那时人们确信宇宙间所有的规律都已发现殆尽，所有星系的运动都可纳入牛顿力学的体系中。这一时期人们相信宇宙是无限广大和永恒的存在，也许这使人有某种安全感。但是用牛顿力学解释宇宙有个致命的疑问，如果万有引力是正确的，为什么星系不会因为万有引力聚拢到一起？无论宇宙有没有一个中心，只要时间足够长，星系总会慢慢靠拢，最后碰撞、毁灭。这给现代天文学提出了挑战，但是即使是当时最具有革命精神的人，也无法想象今后的颠覆性的发现。

大爆炸理论（Big Bang）是天体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。

“大爆炸宇宙论”认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。[1] 1927年，比利时天主教神父勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年，美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。

现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。该理论的创始人之一是伽莫夫。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙由大约200亿年前发生的一次大爆炸形成。

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 ×10^10）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·伽莫夫在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。

大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的。

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系正在退离地球，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。1927年，比利时天主教牧师勒梅特独立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，埃德温·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，并通过观测造父变星测算出了他们的距离。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。

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于热密状态的宇宙。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。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。

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。

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。

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。