宇宙大爆炸 The Big Bang Theory

大爆炸宇宙論認為：宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於137億年前一次大爆炸後膨脹形成的。1927年，比利時天文學家和宇宙學家勒梅特（Georges Lema?tre）首次提出了宇宙大爆炸假說。1929年，美國天文學家哈勃根據假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，並推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。

現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。該理論的創始人之一是伽莫夫。1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認為宇宙由大約140億年前發生的一次大爆炸形成。上世紀末，對Ia超新星的觀測顯示，宇宙正在加速膨脹，因為宇宙可能大部分由暗能量組成。

爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲，星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。

「宇宙並非永恆存在，而是從虛無創生」的思想在西方文化中可以說是根深蒂固。雖然希臘哲學家曾經考慮過永恆宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直堅持認為宇宙是上帝在過去某個特定時刻創造的。

大爆炸理論的建立基於了兩個基本假設：物理定律的普適性和宇宙學原理。宇宙學原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。

這些觀點起初是作為先驗的公理被引入的，現今已有相關研究工作試圖對它們進行驗證。例如對第一個假設而言，已有實驗證實在宇宙誕生以來的絕大多數時間內，精細結構常數的相對誤差值不會超過10^（-5）。此外，通過對太陽系和雙星系統的觀測，廣義相對論已經得到了非常精確的實驗驗證；而在更廣闊的宇宙學尺度上，大爆炸理論在多個方面經驗性取得的成功也是對廣義相對論的有力支持。

假設從地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙學原理可以從一個更簡單的哥白尼原理中導出。哥白尼原理是指不存在一個受偏好的（或者說特別的）觀測者或觀測位置。根據對微波背景輻射的觀測，宇宙學原理已經被證實在10^(-5)的量級上成立，而宇宙在大尺度上觀測到的均勻性則在10%的量級。

初始階段

許多人不知道的是，與大爆炸理論已經成為常識的今天相比，在該理論剛剛提出之後的很長一段時間，世界科學界對其的態度是「嗤之以鼻」的。

這種奇怪的現象，是因為當時的科學界受進化論推翻「上帝創造論」的哲學思潮影響，盲目地反對傳統理論，不承認如《聖經》所言，宇宙是有一個起點的。這一時期的西方科學界普遍堅持宇宙和物質是恆定不變、無始無終的。因此對於所有涉及說宇宙和萬物都「有一個起點」的理論一概不予承認。包括像愛因斯坦這樣的大科學家也受其影響。愛因斯坦在總結引力場方程，發現這個Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式將推導出宇宙其實是一個有著從未停止的物質變化的動態宇宙，於是在該公式中又強加了一個「宇宙常數」，以維持靜態宇宙的計算結果。也就是說，最初的場方程其實是這樣的：∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv，其中常數「∧」為宇宙常數。

驗證階段

但是自從1922年美國天文學家埃德溫·哈勃開始觀測到到「紅移現象」開始，有關「宇宙膨脹」的觀點開始形成。

1929年，埃德溫·哈勃總結出了一個具有里程碑意義的發現，即：不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去，而近處的星系正在向我們靠近。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙處於一個密度無限的奇點。

聽聞此事的愛因斯坦很快來到哈勃工作的威爾遜天文台，在哈勃的帶領下親自進行了紅移現象的觀測。訪問結束後，愛因斯坦公開承認了自己主觀意識影響科學結論的錯誤，並去掉了場方程中的宇宙常數，於是就有了我們今天所熟知的愛因斯坦場方程（Einstein Field Equation）。

成熟階段

1948年前後，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是習見於地球上發生在一個確定的點，然後向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發生，從一開始就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。

根據大爆炸宇宙論，早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標誌，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恆星系統得以相繼出現。

爆炸簡史

編輯

大爆炸開始時：約150億年前，體積無限小，密度無限大，溫度無限高，時空曲率無限大的點，稱為奇點。空間和時間誕生於某種超時空——部分宇宙學家稱之為量子真空（假真空），其充滿著與海森堡不確定性原理相符的量子能量擾動。[2]

大爆炸後10-43秒（普朗克時間）：約1032度，宇宙從量子漲落背景出現，這個階段稱為普朗克時間。在此之前，宇宙的密度可能超過每立方厘米1094克，超過質子密度1078倍，物理學上所有的力都是一種。（超對稱）在這個階段，宇宙已經冷卻到引力可以分離出來，開始獨立存在，存在傳遞引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力（強、弱相互作用和電磁相互作用）仍為一體。[2]

大爆炸後10-35秒：約1027度，暴漲期（第一推動），引力已分離，夸克、玻色子、輕子形成。此階段宇宙已經冷卻到強相互作用可以分離出來，而弱相互作用及電磁相互作用仍然統一於所謂電弱相互作用。宇宙也發生了暴漲，暴漲僅持續了10-33秒，在此瞬間，宇宙經歷了100次加倍（2100）

，得到的尺度是先前尺度的1030倍（暴漲的是宇宙本身，即空間與時間本身，並不違反光速藩籬）。暴漲前宇宙還在光子的相互聯繫範圍內，可以平滑掉所有粗糙的點，暴漲停止時，今天所探測的東西已經在各自小區域穩定下來，而這被稱為暴漲理論。[2]

大爆炸後10-12秒：約1015度，粒子期，質子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、電子、夸克以及膠子穩定下來。宇宙變得足夠冷，電弱相互作用分解為電磁相互作用和弱相互作用。輕子家族（電子、中微子以及相應的反粒子）需要等宇宙繼續冷卻10-4秒才能從與其他粒子的平衡相中分離出來。其中中微子一旦從物質中退耦，將自由穿越空間，原則上可以探測到這些原初中微子。[2]

大爆炸後0.01秒：約1000億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅佔10億分之一，熱平衡態，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。

大爆炸後0.1秒後：約300億度，中子質子比從1.0下降到0.61。

大爆炸後1秒後：約100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現，核力尚不足束縛中子和質子。

大爆炸後10秒後：約30億度，核時期，氫、氦類穩定原子核（化學元素）形成。當宇宙冷卻到109開爾文以下（約100秒後），粒子轉變不可能發生了。核合成計算指出，重子密度僅占拓撲平宇宙所需物質的2%~5%，強烈暗示了其他物質能量的形式（非重子暗物質和暗能量）充滿了宇宙[2] 。

大爆炸後35分鐘後：約3億度，原初核合成過程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸後1011秒（104年），溫度約為105開爾文，物質期。在宇宙早期歷史中，光主宰著各能量形式。隨著宇宙膨脹，電磁輻射的波長被拉長，相應光子能量也跟著減小。輻射能量密度與尺度（R）和體積（4πR3/3）的乘積成反比例減小，即安1/R4減小，而物質的能量密度只是簡單地與體積成1/R3反比例減小。一萬年後，物質密度追上輻射密度且超越它，從那時起，宇宙和它的動力學開始為物質所主導。[2]

大爆炸後30萬年後：約3000度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態物質，並逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體雲塊，直至恆星和恆星系統。

量子真空在暴漲期達到全盛，之後便以暗能量的形式瀰漫於全宇宙，且隨著物質和輻射密度迅速減小，暗能量越來越明顯。暗能量可能佔據宇宙總能量密度的2/3[1] ，從而推動了宇宙加速膨脹。

大爆炸理論的科學性令人不得不信服。最直接的證據來自對遙遠星系光線特徵的研究。20年代，天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）研究了維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）所作的觀測。他注意到，遠星系的顏色比近星系的要稍紅些。哈勃仔細測量了這種紅化，並作了一張圖。他發現，這種紅化（紅移）是系統性的，星系離我們越遠，它就顯得越紅。

光的顏色與它的波長有關。在白光光譜中藍光位於短波端，紅光位於長波端。遙遠星系的紅化意味著它們的光波波長已稍微變長了。在仔細測定許多星系光譜中特徵譜線的位置後，哈勃證實了這個效應。他認為，光波變長是由於宇宙正在膨脹的結果。哈勃的這個重大發現就奠定了現代宇宙學的基礎。

膨脹中宇宙的性質使許多人困惑不解。從地球的角度來看，好像遙遠的星系都正飛快地遠離我們而去。但是，這並不意味著地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨脹圖像都是相同的。可以說每一點都是中心，又沒有一點是中心（解釋得最好的是一幅畫：三維空間的切割）。我們最好把它想像成星系間的空間在伸長或膨脹，而不是星系在空間中運動。這一點與我們日常生活中見到的源於一點的爆炸不同。

空間可以伸長這一事實看上去似乎離奇古怪，不過這卻是1915年愛因斯坦廣義相對論發表以來科學家們早就熟知的概念。廣義相對論認為，引力實際上是空間（嚴格地說是時空）彎曲或變形的一種表現。從某種意義上來說空間是有彈性的，可以按某種方式彎曲或伸長，具體情況取決於物質的排列。這個思想已為觀測所充分證實。

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