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  晨夢(mèng)星夢(mèng) 2012-06-20 00:00:00

  宇宙大爆炸(Big Bang)是一種學(xué)說(shuō)，是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想。 大約在150億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質(zhì)開(kāi)始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。 宇宙大爆炸，簡(jiǎn)稱大爆炸（英文：Big Bang），是描述宇宙誕生初始條件及其后續(xù)演化的宇宙學(xué)模型，這一模型得到了當(dāng)今科學(xué)研究和觀測(cè)Z廣泛且Z精確的支持。宇宙學(xué)家通常所指的大爆炸觀點(diǎn)為：宇宙是在過(guò)去有限的時(shí)間之前，由一個(gè)密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演變而來(lái)的（根據(jù)2010年所得到的Z佳的觀測(cè)結(jié)果，這些初始狀態(tài)大約存在發(fā)生于300億年至230億年前），并經(jīng)過(guò)不斷的膨脹與繁衍到達(dá)今天的狀態(tài)。 　　比利時(shí)牧師、物理學(xué)家喬治·勒梅特首先提出了關(guān)于宇宙起源（The Beginning of the Universe）的大爆炸理論（The Big Bang Theory），但他本人將其稱作“原生原子的假說(shuō)”。這一模型的框架基于了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，并在場(chǎng)方程的求解上作出了一定的簡(jiǎn)化（例如空間的均一和各向同性）。描述這一模型的場(chǎng)方程由蘇聯(lián)物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼于1922年將廣義相對(duì)論應(yīng)用在流體上給出。1929年，美國(guó)物理學(xué)家埃德溫·哈勃通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)從地球到達(dá)遙遠(yuǎn)星系（galaxy）的距離正比于這些星系的紅移（redshift），這一膨脹宇宙的觀點(diǎn)也在1927年被勒梅特在理論上通過(guò)求解弗里德曼方程而提出，這個(gè)解后來(lái)被稱作弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(guī)。哈勃的觀測(cè)表明，所有遙遠(yuǎn)的星系和星團(tuán)在視線速度上都在遠(yuǎn)離我們這一觀察點(diǎn)，并且距離越遠(yuǎn)退行視速度越大。如果當(dāng)前星系和星團(tuán)間彼此的距離在不斷增大，則說(shuō)明它們?cè)谶^(guò)去的距離曾經(jīng)很近。從這一觀點(diǎn)物理學(xué)家進(jìn)一步推測(cè)：在過(guò)去宇宙曾經(jīng)處于一個(gè)極高密度且極高溫度的狀態(tài)，在類似條件下大型粒子加速器上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則有力地支持了這一理論。然而，由于當(dāng)前技術(shù)原因粒子加速器所能達(dá)到的高能范圍還十分有限，因而到目前為止，還沒(méi)有證據(jù)能夠直接或間接描述膨脹初始的極短時(shí)間內(nèi)的宇宙狀態(tài)。從而，大爆炸理論還無(wú)法對(duì)宇宙的初始狀態(tài)作出任何描述和解釋，事實(shí)上它所能描述并解釋的是初始狀態(tài)之后宇宙的演化圖景。當(dāng)前所觀測(cè)到的宇宙中輕元素的豐度，和理論所預(yù)言的宇宙早期快速膨脹并冷卻過(guò)程中Z初的幾分鐘內(nèi)，通過(guò)核反應(yīng)所形成的這些元素的理論豐度值非常接近，定性并定量描述宇宙早期形成的輕元素的豐度的理論被稱作太初核合成。 　　大爆炸一詞首先是由英國(guó)天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾（Sir Fred Hoyle）所采用的?；粢翣柺桥c大爆炸對(duì)立的宇宙學(xué)模型——穩(wěn)恒態(tài)理論（Steady State Theory）的倡導(dǎo)者，他在1949年3月BBC的一次廣播節(jié)目中將勒梅特等人的理論稱作“這個(gè)大爆炸的觀點(diǎn)”。雖然有很多通俗軼事記錄霍伊爾這樣講是出于諷刺，但霍伊爾本人明確否認(rèn)了這一點(diǎn)，他聲稱這只是為了著重說(shuō)明這兩個(gè)模型的顯著不同之處?；粢翣柡髞?lái)為恒星核合成的研究作出了重要貢獻(xiàn)，這是恒星內(nèi)部通過(guò)核反應(yīng)從輕元素制造出某些重元素的途徑。1964年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)是支持大爆炸確實(shí)曾經(jīng)發(fā)生的重要證據(jù)，特別是當(dāng)測(cè)得其頻譜從而繪制出它的黑體輻射曲線之后，大多數(shù)科學(xué)家都開(kāi)始相信大爆炸理論了。 宇宙大爆炸 大爆炸理論是通過(guò)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論推導(dǎo)發(fā)展而來(lái)的。在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，1912年維斯托·斯里弗爾（Vesto Slipher）首次測(cè)量了一個(gè)“旋渦星云”（“旋渦星云”是當(dāng)時(shí)對(duì)旋渦星系的舊稱法）的多普勒頻移，其后他和卡爾·韋海姆·懷茲（Carl Wilhelm Wirtz）證實(shí)了絕大多數(shù)類似的星云都在退離地球。不過(guò)斯里弗爾并沒(méi)有因此聯(lián)想到這個(gè)觀測(cè)結(jié)果對(duì)宇宙學(xué)的意義，這也是由于在當(dāng)時(shí)，人們就這些“星云”是否是我們的銀河系之外的“島宇宙”這一問(wèn)題存在著高度爭(zhēng)議。在理論研究方面，1917年愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論理論應(yīng)用到整個(gè)宇宙，發(fā)表了標(biāo)志著物理宇宙學(xué)建立的論文《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所做的考察》。然而從廣義相對(duì)論出發(fā)建立的宇宙模型不是靜態(tài)的，這和當(dāng)時(shí)相信靜態(tài)宇宙的主流觀點(diǎn)并不符合，愛(ài)因斯坦為此在場(chǎng)方程中加入了一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)來(lái)進(jìn)行修正。1922年，蘇聯(lián)宇宙學(xué)家、數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗里德曼假設(shè)了宇宙在大尺度上的均勻和各向同性，利用引力場(chǎng)方程推導(dǎo)出描述空間上均一且各向同性的弗里德曼方程，并且在這一組方程中宇宙學(xué)常數(shù)是可以消掉的。通過(guò)選取合適的狀態(tài)方程，從弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨脹的。1924年，埃德溫·哈勃對(duì)Z近的“旋渦星云”距地球的距離進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果證實(shí)了它們?cè)阢y河系之外，本質(zhì)是其他的星系。1927年，比利時(shí)物理學(xué)家、天主教牧師喬治·勒梅特在不了解弗里德曼工作的情況下獨(dú)立提出了星云后退現(xiàn)象的原因是宇宙的膨脹。1931年勒梅特進(jìn)一步指出，宇宙正在進(jìn)行的膨脹意味著它在時(shí)間反演上會(huì)發(fā)生坍縮，這種情形會(huì)一直發(fā)生下去直到它不能再坍縮為止，此時(shí)宇宙中的所有質(zhì)量都會(huì)集中到一個(gè)幾何尺寸很小的“原生原子”上，時(shí)間和空間的結(jié)構(gòu)就是從這個(gè)“原生原子”產(chǎn)生的。 　　1924年起，哈勃為勒梅特的理論提供了實(shí)驗(yàn)條件：他在威爾遜山天文臺(tái)利用口徑250厘米的胡克望遠(yuǎn)鏡費(fèi)心建造了一系列天文距離指示儀，這是宇宙距離尺度的前身。這些儀器使他能夠通過(guò)觀測(cè)星系的紅移量來(lái)推測(cè)星系到地球的距離。他在1929年發(fā)現(xiàn)，星系遠(yuǎn)離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比，這就是所謂哈勃定律。而勒梅特在理論推測(cè)，根據(jù)宇宙學(xué)原理當(dāng)觀測(cè)足夠大的空間時(shí)，沒(méi)有特殊方向和特殊點(diǎn)，因此哈勃定律說(shuō)明宇宙在膨脹。 　　二十世紀(jì)三十年代，還出現(xiàn)了一些嘗試解釋哈勃所觀測(cè)到現(xiàn)象的非主流宇宙模型，例如米爾恩宇宙、振蕩宇宙（Z早由弗里德曼提出，后來(lái)的主要推廣者是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦和理查德·托爾曼）、弗里茨·茲威基的衰減光子假說(shuō)。 　　第二次世界大戰(zhàn)以后，宇宙膨脹的觀點(diǎn)引出了兩種互相對(duì)立的可能理論：一種理論是由勒梅特提出，喬治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理論。伽莫夫提出了太初核合成理論，而他的同事拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼則理論上預(yù)言了宇宙微波背景輻射的存在。另一種理論則是英國(guó)天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾等人提出的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。在穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型里，新物質(zhì)在星系遠(yuǎn)離留下的空間中不斷產(chǎn)生，從而宇宙在任何時(shí)候看上去都基本不變化。具有諷刺意味的是，大爆炸理論的名稱卻是來(lái)自霍伊爾提到勒梅特的理論時(shí)所用的稱呼，他在1949年3月的一期BBC廣播節(jié)目《物質(zhì)的特性》（The Nature of Things）中將勒梅特等人的理論稱作“這個(gè)大爆炸的觀點(diǎn)”。之后的許多年，這兩種理論并立，但射電源計(jì)數(shù)等一系列觀測(cè)證據(jù)使天平逐漸向大爆炸理論傾斜。1965年，宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)更使絕大多數(shù)物理學(xué)家都相信：大爆炸是能描述宇宙起源和演化Z好的理論?，F(xiàn)在宇宙物理學(xué)的幾乎所有研究都與宇宙大爆炸理論有關(guān)，或者是它的延伸，或者是進(jìn)一步解釋，例如大爆炸理論的框架下星系如何產(chǎn)生，早期和極早期宇宙的物理定律，以及用大爆炸理論解釋新觀測(cè)結(jié)果等。 　　二十世紀(jì)九十年代后期和二十一世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的重大發(fā)展和如宇宙背景探測(cè)者（COBE）、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）和威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）等空間探測(cè)器收集到的大量數(shù)據(jù)使大爆炸理論又有了新的大突破。宇宙學(xué)家從而可以更為精確地測(cè)量大爆炸模型中的各種參數(shù)，并從中發(fā)現(xiàn)了很多意想不到的結(jié)果，比如宇宙的膨脹正在加速。

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