宇宙大爆炸理论

宇宙大爆炸理论
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摘要
致密致热的奇点膨胀
[1]致密致热的奇点膨胀宇宙是由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。

1929年，美国天文学家哈勃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。

宇宙并非永恒存在而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。

虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。

简介
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”。

虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺，但霍伊尔本人明确否认了这一点，他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。

霍伊尔后来为恒星核合成的研究做出了重要贡献，这是恒星内部通过核反应利用轻元素制造出某些重元素的途径。

1964年发现的宇宙微波背景辐射是支持大爆炸确实发生的重要证据，特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。

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一、经典的宇宙观念
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。

托勒密的天球模型认为地球是宇宙的中心，天上的太阳和其他行星绕着地球在不同层次的同心球面上运行，最高层的星星们则保持不动。

这是个粗糙但有效的宇宙模型，更关键的是，符合基督教关于人间和天堂的描述。

现代天文学的开创要从哥白尼等算起，借助更先进的光学望远镜，伽利略终于发现地球并非宇宙中心，地球和其他行星是围绕着太阳运转的。

再到十七世纪，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，其在天文学中的威望在发现冥王星后达到顶峰。

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。

二、大爆炸理论及其反对者
大爆炸的猜想正式登台。

这个起点，人们猜想宇宙起始于一个非常小的点（奇点），并在一次惊天动地的大爆炸中诞生，之后一直膨胀至今。

有人肯定要问，那宇宙诞生之前有什么？宇宙之外有什么呢？大爆炸理论认为，这种问法是错误的。

按照爱因斯坦的相对论，时间和空间是合为一体的四维时空，则大爆炸的奇异点既是空间的起始点，又是时间的起始点。

宇宙包含一切，没有宇宙之前，也没有宇宙之外。

从星系退行的速度和星系间的距离可以反推宇宙的年龄，现在的看法，宇宙年龄大概为140亿年左右。

任何新理论的出现都要遭到保守者的反对，也只有经受这些考验，一个科学理论才能走向成熟。

大爆炸理论也不例外，它提出之初，就不断遭到多数物理学家的反对，认为太违背永恒宇宙的信仰。

相反大爆炸理论受到罗马教廷的欢迎，认为是上帝创造世界的间接证明。

爱因斯坦也是稳恒宇宙的支持者，他为了得出了一个符合广义相对论的稳恒态宇宙模型，不惜假设了一个宇宙常数产生斥力以抵消引力的影响。

这个凭空假设的宇宙常数使整个理论显得可疑。

很多年后，当大爆炸理论最终被大家接受时，爱因斯坦称这个假设是他一生中犯的最大错误。

稳恒态宇宙理论另一个无法解释的问题是，夜空为什么这么黑？什么意思呢，如果宇宙永恒存在，按照目前观察到的恒星分布的密度，夜晚的星光应该很亮很密集，夜空将亮如白昼，而实际上我们只看到稀疏的星光。

有人反驳说远处星星的光在传播途中被星际尘埃吸收了，但如果宇宙永恒存在，经过足够长的时间，尘埃总会被加热到足够热，也会发光，天空应该还是很亮。

大爆炸理论解释说，由于宇宙膨胀得很快，恒星年龄也有限，目前远处恒星的光线还没来得及传到地球上，所以我们看不到太多的星星。

另一位稳恒宇宙的支持者质霍伊尔质疑大爆炸理论无法解释构成我们宇宙的各种元素是如何形成的，他提出了一个恒星炉模型。

在这个模型中恒星是个大氢气球，在万有引力作用下，氢气聚集成恒星，恒星中心高温高压，氢原子在这里发生核聚变反应生成氦，反应产生的压力正好抵抗外有引力，产生的热使恒星发光。

在恒星老年，氦元素继续聚变成氮、氧、硫，最终合成铁。

当核聚变燃料烧完时，质量较小的恒星会先膨胀成一颗红巨星，再变成一颗黯淡的白矮星，主要由碳和氧构成，依靠电子简并压来抵抗万有引力。

而超过钱德拉塞卡极限（约1.38倍太阳质量）的恒星会死于一场剧烈爆炸，亮度急剧上升（太阳亮度的50亿倍），此时的恒星称为“超新星”，名字叫新星，其实是垂死的挣扎。

根据史书记载，公元185年，中国人观察到半人马座超新星爆发，亮度超过金星（《后汉书》：“客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消”），369年又发现仙后座超新星爆发，亮度超过木星，其后又分别在1006（《宋史》：“景德三年四月戊寅，周伯星见，出氐南，骑官西一度，状如半月，有芒角，煌煌然可以鉴物，历库楼东”）、1054（《宋会要》：“至和元年五月己酉，出天关东南可数寸，岁余稍没。

”）和1604年观察到豺狼座、金牛座和蛇夫座超新星爆发。

恒星死亡时，将这些核聚变合成元素喷发出来，再经过凝结形成新的恒星或行星。

地球也是在恒星炉中锻造出来的，我们身上每个原子，都曾经是某颗恒星的一部分。

行星被别的恒星俘获，构成了包括我们太阳
系在内的星系。

超新星的结局为中子星或黑洞。

由于万有引力的压力太大，超新星在短暂的爆发后朝中心“坍塌”，连电子都被挤压到原子核中，电子与质子中和变成中子，整个星体变成一个挨一个的中子形成的中子星，其密度如此大，一调羹这种物质就比地球总质量大好多倍。

某些中子星由于自传和复杂的磁场作用，会周期性辐射高能射线脉冲，又称为脉冲星。

恒星炉模型非常好的解释了构成行星的各种元素的由来，但没法解释形成恒星的氢是如何来的，而且按照这个理论的计算，宇宙中恒星炉产生的元素氦的丰度（就是所占总物质的比例）没有实际上观察到的那么大。

霍伊尔又假设氢是持续不断的从宇宙中创造出来的，这个凭空的假设和爱因斯坦的宇宙常数一样缺乏依据。

而大爆炸理论认为，氢和氦都是在宇宙诞生后极短时间内被制造出来的。

《圣经——创世纪》中说“上帝说要有光，于是便有了光”。

按照大爆炸理论，宇宙诞生之初，没有物质，只有以辐射形式存在的能量。

在宇宙早期极高的能量密度下，爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2，原子弹和氢弹就是一丁点物质转化成能量的结果）使得能量与物质间维持持续不断的相互转化，达到一种热平衡，光子与核子间的比例约为10亿比1。

而且高温下物质也表现得极像辐射，可以认为宇宙此时是一锅炙热的宇宙汤。

具体来说，宇宙诞生1微秒后，随宇宙膨胀，温度下降到1万亿度，光开始转化成最基本的物质，如电子正电子中子质子中微子等。

3分钟后，温度下降到1千万度左右，这时基本粒子开始结合形成最基本的原子核氢、氦以及少量的锂，宇宙的基本成分从此固定了。

但直到约38万年之后，宇宙温度变成1万度时，原子核才能和电子结合形成原子。

再往后，它们随宇宙膨胀而分散，但相邻的星云又在引力作用下聚集、凝结成恒星，大约在宇宙诞生后10亿年，宇宙中第一个星系形成，此时温度已经下降到零下200度。

150亿年后的今天，温度约零下270度，我们的太阳是第二或第三代恒星了。

在这一模型下计算得到元素氦的丰度正和我们今天的观测相符，从而霍伊尔的恒星炉理论反过来进一步支持了大爆炸理论。

恒星炉模型还有更深刻的意义，在研究恒星演化过程中，彭罗斯发现约数倍于太阳质量的大质量恒星不可避免的要崩塌到一个奇点上去形成所谓的黑洞，将此过程的发生顺序反过来就是一种爆炸。

霍金将彭罗斯的结果应用在宇宙上，发现在广义相对论下，宇宙必然诞生于一次唯一的奇点大爆炸。

这样宇宙大爆炸理论终于接近完善了。

单单黑洞这个话题就值得开个专题来讲。

黑洞，顾名思义，就是某种不可见的空洞，最主要的性质是其引力如此之大，以至于光线都无法从中逃脱，空间弯曲为一个闭合曲面。

在黑洞中一切已知的物理定律都失效，我们所能观察到的实际上是不可观察的事件的集合的边界，即黑洞的视界。

“黑洞无毛”，一切物质落入黑洞之后就丧失原有的信息，黑洞仅携带面积、质量、温度、自转等少数几个可观测量，这似乎违反热力学第二定律——孤立系统熵增原理。

然而黑洞有温度和熵，即也有辐射，以一种奇怪的方式遵从热力学第二定律，黑洞并非那么黑的。

物质被吸入黑洞过程中被加速及加热，产生强烈辐射，以高能辐射喷流形式从黑洞转轴方向喷射出来，据信可产生可观测的伽玛射线。

即使黑洞附近空无一物，黑洞视界附近也会偶然产生虚
实粒子对，具有负能量的粒子被黑洞吸收，正能量粒子逃离，从而使黑洞来起来有辐射，并损失能量。

黑洞蒸发速度或辐射功率随质量的增大而减
小。

大型黑洞质量可有太阳的一亿倍，温度甚至比宇宙微波背景辐射还低，故其蒸发小于吸收。

银河系中心被怀疑存在这样的巨型黑洞，否则无法解
释银河系本身自转的速度为什么这么大。

事实上，科学家甚至估计宇宙中
黑洞的数量比恒星还多。

某些微型黑洞可能产生于宇宙大爆炸初期偶然的高温高压环境下，称为“太初黑洞”，它有很强的辐射，实际上是白热的。

最小的微型黑洞可能比原子还小。

而一些中等大小的太初黑洞可能残存到现在，并有可能通过伽玛射线辐射观察到。

编辑本段最新研究成果
研究过程
中国安徽宣城溪口农民李六四自发、自费研究地震十七年（截至2010年），他认为：“地震是由地幔中核变的及时效应造成的。

煤炭是石油演变产生的，石油是天然气演变产生的。

溶洞是因为液体受热转化成气体，其膨胀压力造成的，地球生物是在早期地球的液态有机硅中诞生并进化而来的，宇宙大爆炸理论存在误区。

”其理论学说为《地球热核演变说》。

他的学说有可能成为后人了解地球、地震等的理论基础。

但是，由于条件、知识的局限某些内容尚在研究、完善中。

主要内容
宇宙中各天体在朝向宇宙中心的引力作用下，以远远超越光速的速度加速向宇宙中心进发，宇宙是收缩的，但是，由于是加速运动，对于某个
天体而言，其前方的天体的速度更快，其后方的天体的速度更慢，所以如果人站在任何一个天体上观察其它天体，就会发现绝大多数天体是远离自己的运动，这就很容易产生“宇宙膨胀理论”的错误感觉，而大爆炸理论是建立在宇宙膨胀的理论基础上的，所以宇宙大爆炸理论自然也就不攻自破了。

编辑本段宇宙大爆炸理论
所有的天体都有其诞生和发展变化至直衰亡的历史。

按天体物理学家的论断，宇宙空间也是在一次灾变中降生的，在一次绝无仅有的大爆
炸中“诞生”的。

在大爆炸时刻，宇宙的体积是零，所以其温度是无限热的。

大爆炸开始后，随着宇宙的膨胀，辐射的温度随之降低。

大爆炸1秒钟之后，温度降低到了100亿度，这个温度是太阳中心的1千倍。

此时的宇宙中主要包含光子、电子、中微子和它们的反粒子（光子的反粒子就是它本身），以及少量的质子和中子。

此时粒子的能量极高，它们相互碰撞并产生大量不同种类的正反粒子对。

这些正反粒子对碰到一起时又会湮灭。

但此时它们的产生率远大于湮灭率。

顺便一提的是，中微子和反中微子之间以及它们和其它粒子之间的相互作用非常微弱，所以它们并没有互相湮灭掉，以致于直到今天它们仍然存在。

中微子的质量被认为是零，但1981年前苏联和1998、1999年日本的研究显示，中微子可能具有微小的质量。

如果被证实的话，有助于我们间接地探测到它们。

它们是“暗物质”的一种形式，具有足够的引力去阻止宇宙的膨胀并使其坍缩。

宇宙继续膨胀，温度的降低使得粒子不再具有如此高的能量。

它们开始结合。

与此同时，大部分正反电子相互湮灭，并产生了更多的光子。

大爆炸100秒后，温度降到了10亿度，这相当于最热的恒星的内部温度。

质子和中子由于强相互作用力（核力）而结合。

一个质子和一个中子组成氚核（重氢）；氚核再和一个质子和一个中子形成氦核。

根据计算，大约有四分之一的质子和中子转变为氦核，以及少量更重元素，如锂和铍。

其余的中子衰变为质子，也就是氢核。

几个钟头之后氦和其它元素的产生停止下来。

在这之后的100
万年左右，宇宙什么也没有发生，只是膨胀。

当温度降低到了几千度时，电子和原子核不能再抵抗彼此间相互的吸引力而结合成原子。

由于宇宙存在着小范围的不均匀，区域性的坍缩开始发生。

其中一些区域在区域外物体引力的作用下开始缓慢的旋转。

当坍缩的区域逐渐缩小，由于角动量的守恒，它自转的速度就逐渐加快。

当区域变得足够小时，自转的速度足以平衡引力的作用，象我们银河系这样的碟状星系就诞生了。

另外一些区域由于没有得到旋转而形成椭圆形星系。

这种星系的整体不发生旋转，但它的个别部分稳定地绕着它的中心旋转，因而也能平衡引力坍缩。

由于星系中的星云仍有不均匀性，它们被分割为更小的星云，并进一步收缩形成恒星。

恒星由于引力坍缩产生的高温引发核聚变，聚变产生的能量又抵抗了继续收缩的趋势，恒星进入稳定地燃烧。

质量越大的恒星燃烧的越快，因为它需要释放更多的能量才能平衡自身更强的引力。

它们甚至会在1亿年这样短的时间里耗尽自己的燃料。

恒星有时会发生被称为“超新星”的巨大喷发，这种喷发令其它一切恒星都显得黯淡无光。

这时一些恒星在晚期产生的重元素就会被抛回到星系中，并成为下一代恒星的原料。

我们的太阳就是第二或第三代恒星，它含有大约2%的这种重元素。

还有少量的重元素聚集并形成了绕恒星公转的行星，我们的地球也是其中之一。

对于宇宙的起源，我们仍然有很多问题：第一、为什么宇宙在大尺度如此的均匀？背景辐射的温度也一样？除非宇宙的不同区域刚好从同样的温度开始！第二、又为什么我们的宇宙会以如此接近临界的速率膨胀？如果它在大爆炸后1秒钟的时刻其膨胀速率只要小十亿亿分之一，那么我们的宇宙早以坍缩！第三、我们的宇宙非常光滑和规则，而从概率上来讲，紊乱的和无规则宇宙的数量应该占绝对优势，因为宇宙初始状态的选择是随机的。

我们为何恰巧遇到这样渺茫的几率呢？
为了解释这些现象，麻省理工学院的学者阿伦·固斯提出了“暴涨宇宙模型”。

他认为，早期的宇宙不是象现在这样以递减的速率膨胀，而是存在着一个快速膨胀的时期，宇宙的加速度膨胀使其半径在远远小于1秒钟的时间里增大了100万亿亿亿（1的后面跟30个0）倍。

固斯认为，大爆炸的状态是非常热和相当紊乱的。

这些高温表明宇宙中的粒子具有极高的能量。

在如此的高温下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁力都被统一成为一个力；当宇宙膨胀并变冷，力之间的对称性由于粒子能量降低而被破坏，强力、弱力和电磁力变得彼此不同。

这就好象液态水在各个方向上性质都相同，而结冰形成晶体后，就变成了各向异性，水的对称性在低能态被破坏了。

当宇宙暴涨时，它所有的不规则性都被抹平，就如同吹涨一个气球时，它上面的皱摺都被抹平一样。

暴涨模型还能解释为什么宇宙中存在着这么多物质。

在量子理论里，粒子可以从“粒子——反粒子对”的形式从能量中创生出来。

这些粒子和反粒子具有正能量，而这些粒子的质量产生的引力场具有负能量（因为靠得较近的物体比分开得较远的物体能量低），宇宙的总能量为零，这保证了能量守恒不被破坏。

零的倍数仍然为零，在暴涨时期宇宙体积急剧加倍的过程中，可以制造粒子的总能量变得非常之大，以致于我们的宇宙现在大约拥有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1后面跟80个零）个粒子。

固斯是这样形容这件事的：“宇宙是最彻底的免费午餐！”
编辑本段理论起源
大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。

宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的（根据2010年所得到的最佳观测结果，这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年前），并经过不断的膨胀到达今天的状态。

比利时牧师、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（例如空间的均匀和各向同性）。

1922年，苏联物理学家亚历山大·弗里德曼
用广义相对论描述了流体，从而给出了这一模型的场方程。

1929年，美
国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现，从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的红移，从而推导出膨胀宇宙的观点。

1927年时勒梅特通过
求解弗里德曼方程已经在理论上提出了同样的观点，这个解后来被称作弗里德曼－勒梅特－罗伯逊－沃尔克度规。

哈勃的观测表明，所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点，并且距离越远退行视速度越大。

如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们在过去曾经距离很近。

从这一观点物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于
一个密度极高且温度极高的状态，大型粒子加速器在类似条件下所进行的实验结果则有力地支持了这一理论。

然而，由于当前技术原因粒子加速器所能达到的高能范围还十分有限，因而到目前为止，还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。

编辑本段动机和发展
大爆炸理论是通过对宇宙结构的实验观测和理论推导发展而来的。

在实验观测方面，1912年维斯托·斯里弗尔（Vesto Slipher）首次测量了一个“旋涡星云”（“旋涡星云”是当时对旋涡星系的旧称法）的多普勒频移，其后他和卡尔·韦海姆·怀兹（Carl Wilhelm Wirtz）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。

在理论研究方面，1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，发表了
标志着物理宇宙学诞生的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》。

然而从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的，这和当时静态宇宙的主流观点并不符合，爱因斯坦为此在场方程中加入了一个宇宙学常数来进行修正。

1922年，苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇
宙在大尺度上均匀和各向同性，利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程，在这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。

通过选取合适的状态方程，从弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨胀的。

1924年，埃德温·哈勃测量了最近的“旋涡星云”距地球的距离，其结
果证实了它们在银河系之外，本质是其他的星系。

1927年，比利时物理
学家、天主教牧师乔治·勒梅特在不了解弗里德曼工作的情况下独立提出了星云后退现象的原因是宇宙在膨胀。

1931年勒梅特进一步指出，宇宙正在进行的膨胀意味着它在时间反演上会发生坍缩，这种情形会一直发生下去直到它不能再坍缩为止，此时宇宙中的所有质量都会集中到一个几何尺寸很小的“原生原子”上，时间和空间的结构就是从这个“原生原子”
产生的。

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。

二十世纪三十年代，还出现了一些尝试解释哈勃所观测现象的非主流宇宙模型，例如米尔恩宇宙、振荡宇宙（最早由弗里德曼提出，后来的主要推广者是阿尔伯特·爱因斯坦和理查德·托尔曼）、弗里茨·兹威基的衰减光子假说。