寰宇之始——大爆炸宇宙学模型简述

寰 宇 之 始——大爆炸宇宙模型简述很久以前，人类便开始认知和探索宇宙，想象宇宙是什么样子，怎么诞生的。

正因如此，才诞生了众多的宇宙学模型，它们都代表了一定时期，一定认识下对宇宙的描述。

但是，真正把宇宙模型纳入完整的数学模型并且较符合观测结果的只有一个——大爆炸宇宙模型。

大爆炸宇宙学模型是怎样建立和发展的？这要从整整90年前一个偶然的发现开始。

膨胀的宇宙1924年，埃德温·哈勃在测定了仙女座大星系的距离后，又着手测量了其他一些星系的距离，并且测定了它们的光谱。

结果显示，除了近邻的少数几个星系以外，其他所有星系的光谱都出现了红移，而且星系的距离越远，红移越大。

根据多普勒效应可知，光谱红移说明星系在远离我们，而红移越大，星系远离的速度就越大。

哈勃把它总结成一条经验公式——哈勃定律v=H0d。

但是哈勃没能解释其奥秘所在，哈勃能说的只有：我们的宇宙在膨胀。

哈勃所做的这一工作奠定了大爆炸宇宙模型的基石。

大爆炸宇宙学说的建立哈勃总结出哈勃定律是在1929年，而在两年前，比利时物理学家乔治·勒梅特提出了“宇宙源于大爆炸”的猜想。

勒梅特猜想，宇宙起源于一个原子的放射性裂变，裂变使物质向四周散开，形成了今天的宇宙。

随后勒梅特利用弗里德曼方程求解证实了这一观点——现在称之为罗伯逊—沃尔克度规。

度规还显示，宇宙的三维结构可以是球状，平直和双曲面三种状态。

哈勃的观测结果证实了“大爆炸”的猜想，因为根据哈勃定律的反演，在有限时间之前宇宙必然处于体积无限小，密度无限大的紧缩状态。

这一观点得到了乔治·伽莫夫的支持和完善。

伽莫夫把相对论，爱因斯坦场方程，罗伯逊—沃尔克度规和物态方程（假设它在宇宙范围内是普适的）联合在一起，代入弗里德曼方程，得到了热大爆炸的宇宙学模型。

热大爆炸宇宙学模型显示，宇宙体系并非静止，宇宙处在一个由热到冷，由密变疏的过程中，最初物质只能以亚原子粒子的形式存在，随着宇宙逐渐冷却，亚原子粒子结合成原子，释放光子，原子结合成分子，分子聚集成物质，再形成恒星，星系……释放出的光子在宇宙中自由传播，形成宇宙的微波背景辐射，该辐射在今天应该留有残迹。

但是在当时，这一学说缺少强有力的证据支持，因此并没有得到广泛接受。

给我证据伽莫夫最早提出大爆炸宇宙模型时，支持的证据只有哈勃定律。

这一学说要获得广泛认可，需要更多证据。

证据在二十世纪六十年代出现了……1965年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在贝尔实验室调试一架为早期卫星通讯设计的天线时，意外测到了相当于6.7K的黑体辐射的背景噪声。

他们知道其中2.4K来自大气，0.9K来自天线内部的电阻损耗，还剩下3.5K不明来源，但可以肯定的是它来自一个极为遥远的方向，而且各个方向都是均一的，没有季节性变化。

辐射来自哪里？幸运的是贝尔实验室就在普林斯顿大学的旁边，而普林斯顿大学的罗伯特·迪克领导一个小组正在寻找宇宙大爆炸的证据。

当得知彭齐亚斯和威尔逊的工作后，迪克确认这就是他们要找的证据，因为伽莫夫已经预言了今天的宇宙应该会残留约3K的微波背景辐射，探测到了这一辐射是对大爆炸模型的一个强有力的支持。

还有更多的证据支持。

早在1947年，休斯等人就在研究宇宙中各元素的丰度。

结果显示，现在宇宙中各种元素的丰度与恒星演化理论不符，尤其是氦元素丰度极高，锂和铍的含量却很低。

但是，大爆炸模型却预言了宇宙在形成之初有过一次大规模核合成，核合成后到恒星形成之前这一阶段中氢元素约占76%，氦约占24%，锂和铍不足千万分之一。

当科学家把这一“原初宇宙丰度”减去之后，剩余重元素（包括氦）的丰度恰好等于恒星形成的重元素丰度，由此肯定了原初宇宙丰度的准确性。

从此，宇宙元素丰度也成了支持大爆炸宇宙学说的有力证据。

最近的证据则是原初引力波。

原初引力波作用到微波背景光子，会产生一种叫作B模式的特殊偏振模式，其他形式的扰动都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。

观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。

B模式的存在间接证明了大爆炸的存在。

标准宇宙学模型探讨标准宇宙学模型之前先补充一条假设以简化模型：宇宙学原理：大尺度空间范围上宇宙是均匀且同性的。

时间温度/K 时期主要事件0 ∞奇点大爆炸开始10-44s 1032普朗克时期粒子产生10-36s 1028大统一时期重子不对称形成10-6s 1013强子时期质子-反质子湮没1s 1010轻子时期電子-反電子湮没3min 109核合成时期形成2H，3He，4He3*105y 3*103解耦时期電子与光子解耦，宇宙透明化普朗克时期：此时期内的时间和宇宙是量子化的，但是量子引力理论目前尚未建立，因此目前对这一时期的宇宙完全是猜测。

主要猜想引力在此时间内与其他相互作用分离，引力能转化产生基本粒子。

大统一时期：在此时期内电磁力，强力和弱力仍然统一，此时正物质和反物质分别形成，但是形成的正物质略多于反物质（重子不对称）。

强子时期：强子（重子）之间作用占优势的时期，此时正重子与反重子湮灭，少数正重子保留下来（重子不对称的结果）。

轻子时期：轻子之间作用占优势的时期，正轻子与反轻子湮灭。

核合成时期：原初宇宙各种元素合成的时期，合成的元素有76%H，24%He，0.000001%Li+Be。

形成“原初宇宙丰度”。

解耦时期：光子与电子失去耦合，宇宙对光子透明化。

物质密度超过辐射密度。

微波背景辐射形成。

大爆炸宇宙模型的体系基本确立。

存在问题但是标准宇宙模型还不足以解释全部问题：各向同性疑难：微波背景辐射极其均匀，需要物质之间频繁的相互作用才能实现。

但是相互作用的速度不会超过光速，因此，以宇宙尺度之大必然有众多距离足够远的区域无相互作用。

这些无相互作用的区域之间怎样保持一致？平直性疑难：在宇宙的早期平均密度对临界密度ρ0的偏差会在之后的大爆炸中迅速放大，现在应该很显著。

然而现在宇宙的平均密度极其接近于ρ0，这表明在宇宙的早期宇宙密度与ρ0相差不超过10-49——宇宙为何如此平直？这样就需要修正标准宇宙学模型——暴胀模型。

完善，再完善暴胀模型：从理论上推测，电磁力，强力与弱力在高温高密度下可合并为一种力（大统一），随着宇宙膨胀，温度降低，强相互作用力从“大统一”分离导致宇宙产生“相变”，在相变产生的能量和电磁力的共同作用下宇宙迅速膨胀，称之为“暴胀”，宇宙尺度骤增40多个数量级。

暴胀从10-35s开始，持续到10-30s之后宇宙达到标准模型的尺度，暴胀停止，此后沿用标准宇宙学模型。

由于暴胀开始前宇宙尺度足够小，宇宙可以在大统一的环境下实现各向同性，因此各向同性疑难不存在；暴胀造成的尺度剧增可以使我们的视野被限制在宇宙的极小一部分区域内，在此区域内宇宙的曲率趋于零，正如足够大的球体观察不到曲率一样，因此平直性疑难被消除。

暴胀模型算是给了两大疑难一个较为“科学”的解释，给标准宇宙学模型作了貌似“合理”的修正。

暗物质就在物理学家们忙着修正暴胀模型的时候，观测数据又给大家带来了新的麻烦。

这个麻烦源自宇宙的密度。

前面讲过，现在的宇宙几乎是平直的，ρ=ρ0。

如果只计算可见物质和电磁辐射能量的密度，现在的宇宙密度要远远小于ρ0。

而现在的宇宙是平直的，缺少的部分密度怎么解释？这就必须要计入大量的“暗物质”——电磁辐射探测不到的物质——以增大宇宙密度。

由此引入暗物质定义：暗物质就是不与电磁场发生相互作用的物质，亦即不发出电磁辐射的物质。

唯一的探测手段就是引力。

其实暗物质早在研究漩涡星系旋转状态时就已经发现了。

假设漩涡星系全部的物质都可以参与电磁相互作用（“亮”），那么这些物质都可以在电磁辐射的波段上探测到，它们的质量和密度可以用万有引力定律计算。

而且这些物质越靠近核心越集中，根据万有引力定律可以计算，漩涡星系外围恒星旋转的线速度要远远小于靠近核心部分的横行的线速度。

但是，实际上外围恒星的线速度并没有比内侧恒星的线速度小，怎么解释？只能说明星系外围还有大量电磁辐射“看不到”的物质——“暗物质”就这样被发现。

现在，可见物质的密度不足以解释宇宙的平直性，只能借助于暗物质来解释宇宙为什么是平直的。

“暗物质”究竟是什么？由于它不发出电磁辐射，引力能给出的信息也是少之又少，因此科学家们对暗物质本性的解释基本属于猜测。

一般认为暗物质是一些弱作用重粒子（WIMP），比较被看好的有轴子（Axion），中性子（Newtralino）等等。

有人认为中微子也可以被计入其中。

这些粒子不参与电磁相互作用（弱作用），质量又大于轻子，因此被普遍认为是暗物质的可能候选体。

根据可见物质计算得出的宇宙密度仅相当于ρ0的1/7，因此可推测暗物质的比重将达到宇宙总质量的6/7——暗物质远远多于我们可见的常态物质。

暗能量一波未平，一波又起。

根据标准宇宙学模型，宇宙膨胀到一定程度后，引力将成为在宇宙中占主导的相互作用类型，在引力的作用下宇宙将发生减速膨胀。

暴胀理论继承了这一观点。

但是，对Ia型超新星的观测证明，宇宙在加速膨胀！怎么解释？肯定有我们看不到的能量！由此引入暗能量的定义：暗能量，一般认为它是充斥空间的，具有负压强，在长程上等效于负引力的未知能量。

“暗能量”又是什么？暗能量起源于“爱因斯坦一生中最大的错误”——宇宙学常数。

爱因斯坦方程中保持宇宙静态的加速度Λ可以说是“暗能量”源头最简单的解释。

若将宇宙学常数引入爱因斯坦方程式：则爱因斯坦方程式的右端必须加上相应的负引力项（Λ/3）。

如果宇宙中只存在一般正常的物质，即ρ+3P>0 且Λ=0，则宇宙膨胀的加速度小于零，表明宇宙膨胀的速率因重力的作用而减小；反之，若Λ>0 且足够大，一般正常物质的重力相吸效应将被此宇宙学常数克服，进而驱动宇宙加速膨胀。

（注意：这里的暗能量不再是爱因斯坦假设的维持宇宙平衡的宇宙学常数，而是新定义的一个加速度，它的作用是加快宇宙的膨胀而非维持宇宙平衡）。

暗能量的本质则至今未知。

由大尺度的观测资料，例如遥远的超新星爆发等，可进一步推导出暗能量的效应。

目前已知关于暗能量的观测结果显示：（I）在95%的可能性下，暗能量物态方程的上限为W<-O.7，并倾向于以宇宙学常数代表暗能量，即W= -1；（II）因为“一致性问题”，暗能量占主导地位的时代才刚刚开始不久，因此探索暗能量的最佳红移区间为低红移的z=0.2-2的范围；（III）由于光子的最后散射截面位于Z≈1100前后短暂的时空范畴，自该截面发射的宇宙微波背景辐射对于暗能量的探索虽可提供一定的帮助，却无法解释随时间变化的物态方程W；（IV）只要系统误差能处理好，星系及星系团的数量与Ia型超新星对物态方程的测度具有相同的效力；（V）弱重力透镜效应（weak gravitational lensing）是研究随时间变化的物态方程的很好的方法。