宇宙大爆炸理论的证据

伤我心太深

　　宇宙大爆炸的证据
　　宇宙大爆炸(简称“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物理学家最广泛的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点是：认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奇点突然爆炸，并经过不断的膨胀及演化而达到今天的状态。

　　比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特根据爱因斯坦广义相对论，首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论。1929年，美国著名的天文物理学家埃德温·哈勃通过观测发现，所有星系正在加速远离地球，所有遥远的星系和星系团距离我们越远其退行速度越大。如果当星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们曾经的距离在过去很近。物理学家从这一观点进一步推测，宇宙曾经处于一个密度极高且温度极高的状态。1964年发现宇宙微波背景辐射后，成为间接证明宇宙大爆炸学说的又一依据。特别是当测出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并开始流行起来。

　　现代宇宙大爆炸学说认为宇宙是137亿年前诞生的，宇宙起源于一个奇点，它是宇宙一切的起点，包括时间和空间。在大爆炸开始的瞬间之前，宇宙被压缩在一个“奇点”——体积为零、密度无限大的点中。在大爆炸之前，没有物质、空间和时间。宇宙所有的物质集中于一点，温度非常高，大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，形成了今天我们看到的宇宙。

　　宇宙大爆炸的时间进程：





　　大爆炸开始时约137亿年前，体积极小，密度极高，温度极高。大爆炸时标10-43秒，宇宙从量子背景出现。大爆炸时标10-35秒，统一场分解为强力、电弱力和引力。



　　宇宙在“大爆炸”发生后片刻及其微小的时间被尺寸仅数十厘米，宇宙大爆炸模型

　　大爆炸时标10-5秒，10万亿度，质子和中子形成。大爆炸时标0.0001秒有湮灭成光子。在达到平衡状态时，粒子总数大致与光子总数相等，未经湮灭的强子破碎为“夸克”，此时夸克处于没有任何相互作用的“渐进自由状态”。宇宙中的粒子品种有：正反夸克，正反电子，正反中微子。最后，有十亿分之一的正粒子存留下来。

　　大爆炸时标0.01秒1000亿度，以光子、电子、中微子为主，质子、中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。小于强子阈温大于轻子阈温。光子产生强子的反应已经停止，强子不再破碎为夸克，质子中子各占一半，但由于正反质子、正反中子不断湮灭，强子数量减少。中子与、质子不断相互转化，到1.09秒时，温度100亿开，质子：中子=76：24。

　　大爆炸时标0.1秒后300亿度，中子、质子之比从1.0下降到0.61。大爆炸时标1秒后100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。
　　大爆炸时标13.8秒后温度小于30亿度，氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成，物质被创造的任务完成。中子衰变现象出现，衰变成质子加电子加反中微子。这时质子：中子=83：17。

　　大爆炸时标3分46秒，温度9亿度，反粒子全部湮灭，光子：物质粒子=10亿：1，中子不再衰变，质子：中子=87：13(一直到现在);这时出现了一个非常重要的演化：由2个质子和2个中子生成1个氦原子核，中子因受核力约束而保存下来。宇宙进入核合成时代。(如果没有氦核产生，中子将全部衰变，也没有以后其它的原子核)

　　大爆炸时标35分钟后3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。

　　大爆炸时标30万—70万年，温度4000—3000开，能量和物质处于热平衡状态。开始出现稳定的氢氦原子核，宇宙进入复合时代。在后期宇宙逐步转变为以物质为主的时代。(光子随着温度的降低而可以自由穿行，即今天的3开宇宙背景辐射)

　　时标4亿~5亿年，温度100开。物质粒子开始凝聚，引力逐渐增大，度过“黑暗时代”后，第一批恒星星系形成。

　　随着第一批恒星的形成，原子在恒星的内部发生了核聚变反应，进而出现了氦、碳、氧、镁、铁等元素原子核。核聚变是指由质量小的原子(主要是指氘或氚)，在一定条件下(如超高温和高压)，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大能量释放的一种核反应形式。

　　(值得注意的是，不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同，太阳主要为氢-氦聚变，重一点的会引发碳-氧-镁聚变，再重的会引发下一轮聚变。总的顺序大致依次为：氢-氦-碳-氧-镁-硅-铁。但无论恒星多重，最终的聚变结果只能是铁，恒星内部不能产生比铁更重的原子核!)

　　凡是元素周期表上有的(除人造元素外)，都是在恒星大炼炉里形成的，铁以后的原子核，只能在超爆中产生。

　　宇宙大爆炸的证据之一微波背景辐射：宇宙微波背景辐射(又称3K背景辐射)也叫CMB，是一种充满整个宇宙的电磁辐射。科学家认为这种放射物是大爆炸的产物，这种放射物好像是太空在每个地方发出的无线噪音，宇宙微波背景被认为是大爆炸存在的最佳证据。

　　大爆炸学说认为：宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年。宇宙的温度是极高的，之后随着宇宙膨胀冷却慢慢降温，到现在约137亿年后大约还残留着3K左右的热辐射。

　　辐射黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。

　　这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性。在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2-0.3%;其次是大尺度上的各向同性。沿天体各个不同方向，辐射强度的起伏小于0.3%。各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的太空之间，应当存在过相互的联系。如果假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应在2.7K的温度。宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论以强有力的支持。




　　【161】宇宙微波背景辐射

　　美国“宇宙微波背景辐射探测器”于2001年发射升空，主要用于探测“大爆炸”发生后残留在宇宙中的各种背景辐射。通过微波各向异性探测器的最新精确测量结果显示，宇宙微波背景辐射的温度是2.7k左右，就是通常大家所讲的零下270.3摄氏度左右，比物理意义上的绝对零度-273度仅仅高2.7度左右。频率属于微波范围，微波背景辐射最重要的特征是具有黑体辐射谱，它在0.3厘米-75厘米波段时，可以在地面上直接测到;大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到;在小于0.3厘米波段时，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。

　　宇宙背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义。它给大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学的“四大发现”。



　　【162】宇宙微波辐射的背景图案图片来源：维基百科，公版NASA WMAP Science Team，资料参考来源：《天文学家借9年卫星数据绘制宇宙“婴儿照”》腾讯科技，2012年12月24日。

　　微波辐射背景辐射图好比一幅宇宙蓝图，描绘了现今存在的星团、超星团星系。不同的颜色代表着不同的温度和空间中物质的不同密度，这种空间的密度差，叫做各向异性。宇宙微波的背景辐射覆盖着整个天空，隐藏在银河系的光芒下，是科学家去除掉银河系的干扰后，才最终得到了这些微波的背景辐射数据。不过最大的问题就在于，这些数据能否真实反映宇宙诞生初期的情况。

　　2003射在不同方向上的涨落的测量表明，宇宙的年龄是137±1亿年，在宇宙的组成成分中：4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是71公里每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平直的，它经历过暴涨的过程，并且会一直膨胀下去。

　　根据1989年11月升空的微波背景探测卫星测量到的结果，宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度。并且还验证了，在扣除掉这个速度对测量结果带来的影响以及银河系内物质辐射的干扰之后，宇宙背景辐射具有高度各向同性，温度涨落的幅度只有大约百万分之五。目前公认的理论认为，这个温度涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落，它随着宇宙的暴涨而放大到宇宙学的尺度上，并且正是由于温度的涨落，造成物质宇宙物质分布的不均匀性，最终得以形成诸如星系团等的一类大尺度星际结构。

　　任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体，以此作为热辐射研究的标准物体。黑体辐射是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然现实中黑体仍然要向外辐射)。




　　【163】黑体辐




【164】黑体辐射与各向同性

　　黑体谱现象表明微波背景辐射是极大的时空范围内的事件，因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性，在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2-0.3%;其次是大尺度上的各向同性，沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。各向同性说明在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系。

　　宇宙大爆炸的证据之二——红移现象：红移在物理学和天文学领域是指物体的电磁辐射由于某种原因，波长增加的现象。科学家认为星系在宇宙中运行的时候，天体的光或者其他电磁辐射可能由于运动、引力效应等被拉伸而使波长变长。因为速度不同，相对于地球来说，有的属于远离，有的属于靠近，光线也会被拉长或者压缩，分别被称为红移与蓝移。



　　【165】如果这根弹簧比作光子，大家知道所谓红移就是光的弹簧被拉长了，反之就是蓝移。图片来源：维基百科，版权CC BY-SA 3.0作者：UserVlad2i, mapos.



　　【166】光源相对观测者的运动导致红移和蓝移图片来源：维基百科，版权CC BY-SA 3.0作者：Ales Tosovsky.
　　一个运动物体，发出的声波的波长(声调)也有与此完全相似的变化。朝向你运动的物体发出的声波被压缩，因而声调较高;离你而去的物体的声波被拉伸，因而声调较低。任何遇到过急救车或警车的人，当笛长鸣擦身而过时，都会产生这种现象，声波和电磁辐射的上述现象都叫做多普勒效应。美国天文学家哈勃于1929年确认遥远的星系均远离我们所在的银河系而去，同时它们的红移随着它们的距离增大而成正比地增加，这一普遍规律称为哈勃定律。它成为星系退行速度及其和地球的距离之间的相关的基础。这就是说，一个天体发射的光所显示的红移越大，该天体的距离越远，它的退行速度也越大。

　　红移有多普勒红移、引力红移和宇宙学红移。多普勒红移是由于辐射源在固定的空间中远离我们所造成的，引力红移是由于光子摆脱引力场向外辐射所造成的，宇宙学红移是由于宇宙空间自身的膨胀所造成的，对于不同的研究对象，牵涉到不同的红移。

　　多普勒红移是指物体和观察者之间的相对运动可以导致红移，与此相对应的红移称为多普勒红移，是由多普勒效应引起的。

　　通常引力红移都比较小，只有在中子星或者黑洞周围，这一效应才会比较大。对于遥远的星系来说，宇宙学红移是很容易区别的，但是在星系随着空间膨胀远离我们的时候，由于其自身的运动，在宇宙学红移中也会掺杂进多普勒红移。

　　根据广义相对论，光从重力场中发射出来时也会发生红移现象，这种红移称为重力红移。一般说来，为了从其他红移中区别引力红移，你可以将这个天体的大小与其质量相同的黑洞进行大小比较。类似星云和星系这样的天体，它们的半径是相同质量黑洞半径的千亿倍，因此其红移的量级也大约是静止频率的千亿分之一。对于普通的恒星而言，它们的半径是同质量黑洞半径的十万倍左右，这已经接近目前光谱观测分辨率的极限了。中子星和白矮星的半径大约是同质量黑洞半径的10倍和3 000倍，其引力红移的量级可以达到静止波长的1/10和1/1000。



　　【167】图为遥远的星系在可见光波段的光谱(图片来源：维基百科，版权CC BY-SA 3.0作者：Dr. Schorsch)

　　二十世纪初，美国天文学家埃德温·哈勃发现，观测到的绝大多数星系的光谱线存在红移现象。这是由于宇宙空间在膨胀，使天体发出的光波被拉长，谱线因此“变红”，这称为宇宙学红移，并由此得到哈勃定律。我们说的红移，主要指的就是宇宙学红移。二十世纪六十年代发现了一类具有极高红移值的天体——类星体，成为近代天文学中非常活跃的研究领域。

　　宇宙大爆炸证据之三——原始物质丰度：采用大爆炸模型可以计算氦-4、氦-3、氘和锂-7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占含量的比例。所有这些轻元素的丰度都取决于一个参数，即早期宇宙中辐射(光子)与物质(重子)的比例，而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关。大爆炸理论所推测的轻元素比例(注意这里是元素的总质量之比而非数量之比)大约为：氦-4/氢=0.25，氘/氢=10-3，氦-3/氢=10-4，锂-7/氢=10-7。

　　将实际测量到的各种轻元素丰度和从光子重子比例推算出的理论值两者比较，可以发现至少是粗略符合。其中理论值和测量值符合最好的是氘元素，氦-4的理论值和测量值接近但仍有差别，锂-7则是差了两倍，即对于后两种元素的情形存在着明显的系统随机误差。尽管如此，大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度与实际观测可以认为是基本符合，这是对大爆炸理论的强有力的支持，因为到目前为止还没有第二种理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度。而从大爆炸理论所预言的宇宙中可被“调控”的氦元素含量也不可能超出或低于现有丰度的20%至30%。事实上很多观测也没有排除大爆炸以外的理论可以解释，例如为什么早期宇宙(即在恒星形成之前，从而对物质的研究可以排除恒星核合成的影响)中氦的丰度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3，而且比例又是常数。

　　宇宙大爆炸证据之四——星系演变和分布：对星系和类星体的分类和分布的详细观测为大爆炸理论提供了强有力的支持证据。理论和观测结果共同显示，最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后十亿年，从那以后更大的结构如星系团和超星系团开始形成。由于恒星族群不断衰老和演化，我们所观测到的距离遥远的星系和那些距离较近的星系非常不同。此外，即使距离上相近，相对较晚形成的星系也和那些在大爆炸之后较早形成的星系存在较大差异。这些观测结果都和宇宙的稳恒态理论强烈抵触，而对恒星形成、星系和类星体分布以及大尺度结构的观测，则通过大爆炸理论对宇宙结构形成的计算模拟结果符合得很好，从而使大爆炸理论的细节更趋完善。