宇宙论：宇宙大爆炸

zyby

宇宙论是研究宇宙的大尺度结构和演化的学科。当我们巡视遥远的太空深处时，也就是在沿着时间上溯。我们所看到的那些最远的星系，它是很久很久以前当它们发出的光开始其漫长的太空旅行时的面貌。既然庞大的星系都曾经是年轻的，故宇宙结构如何产生的问题就同宇宙论不可分割地联系在一起。研究宇宙中可观测的结构(从巨大的星系团到太阳系)的起源属于天体演化学的领域。有待查明的根本问题包括:宇宙是何时和怎样发端的，星系是如何形成并获得我们观测到的形态及尺度分布的，恒星是如何诞生的，行星和生命是如何演化的等等。

现代宇宙学模型

现代宇宙学的先驱代表人物是史蒂芬霍金。史蒂芬霍金在《大设计》中开篇说明"哲学已死"，否认了纯哲学和宗教可以解释自然，这也表明各大宗教只是古代精神世界探索未知，追求解脱的体系，而非客观真理。

史蒂芬霍金在书中完全否定了"上帝"创造宇宙一说。在《时间简史》中，史蒂芬霍金对于宗教的态度相对比较模糊，而《大设计》在开篇宣布"哲学已死"之后，也对"上帝"的存在作出了自己毫无保留的判断。史蒂芬霍金的结论，宇宙不是"上帝"创造的，很明确地写道:"宇宙创造过程中，"上帝"没有位置。没有必要借助"上帝"来为宇宙按下启动键。"史蒂芬霍金认为支持"宇宙大爆炸"理论的物理学定律向传统宗教信仰发起了挑战，"由于存在万有引力等定律，因此宇宙能够，而且将是从无到有自己创造了自己。自然发生说是有物而非无物存在的原因，这是宇宙和人类存在的原因。没必要借助"上帝"引燃蓝色导火线，让宇宙诞生。" 《大设计》是史蒂芬霍金在《时间简史》之后的最重要的著作，它凝结了史蒂芬霍金20多年来对科学和哲学的思考成果。在该书其他著作中史蒂芬霍金推崇利用数学和物理手段寻找一个大一统理论，并且证明"宇宙是偶然诞生的，不需要上帝"，"宇宙的数学模型是有限无界"。

史蒂芬霍金在演讲中说道:宇宙起源的问题有点像这个古老的问题:先有鸡呢，还是先有蛋。换句话说，即是何物创生宇宙，又是何物创生该物呢?也许宇宙，或者创生它的东西已经存在了无限久的时间，并不需要被创生。直到不久之前，科学家们还一直试图回避这样的问题，觉得它们与其说是属于科学，不如说是属于形而上学或宗教的问题，然而，人们在过去几年发现，科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的。在那种情形下，宇宙可以是自足的，并由科学定律所完全确定。奇点相当于宇宙的边界，而宇宙若无边界，则无奇点，宇宙是一个四维球面，完全自足自洽。

物理学家吴忠超说:无边界量子宇宙学已经把"造物主"或"上帝"从宇宙创生的场景中祛除，而这新方法在某种意义上又将我们推上万物之灵的宝座。从M理论迄今作为终极理论的唯一合格候选者到宇宙的存在和创生，人类已经如此清晰地理解宇宙和我们的存在，这真正是理性的胜利。事实上，任何文化创造，无论是艺术的还是科学的，恐怕都不及理解我们自身存在这个命题伟大。

大爆炸理论

不同的宇宙学原理导致迥然不同的宇宙图景。哥白尼宇宙学原理是大爆炸理论的基础。的确，大爆炸理论实际上先于宇宙膨胀的发现。如果要求宇宙处处均匀各向同性，我们就唯一地得出大爆炸宇宙论。实际上有两种不同的大爆炸宇宙论模型。按第一种模型，宇宙将永远膨胀下去。按第二种模型，宇宙最后将重新收缩。在这两种模型中，使宇宙趋向再收缩的引力都是由初始爆炸的力抗衡着，后者在永远膨胀的模型中相对较强，而在注定要再收缩的模型中相对较弱。

按照大爆炸理论，宇宙学原理，后者要求宇宙在一切时期显示出相同的面貌。建立稳恒态宇宙论就是为了满足完美宇宙学原理的要求。这种理论是1948年由海尔曼·邦迪、托马斯·哥尔德和弗雷得·霍依耳引入的。它假设物质不断地以准确的速率产生出来恰好维持宇宙中各处相同的平均物质密度，从而预言宇宙在一切时代都具有相同的面貌。稳恒态理论(至少它的初始形式)是一个非常大胆的理论。大爆炸理论最薄弱的一环，即初始创生的时刻被暴露出来了。既然大爆炸理论可以断言宇宙是在遥远而有限的过去一瞬间创生的，那为什么不能同样合理地断言任何时刻任何地方都在发生创造呢?

稳恒态宇宙论被否定

观测证据是任何理论最严格的仲裁者，它终于否定了稳恒态宇宙论的这个大胆断言。在1950年，由于进行了更精巧更有鉴别力的天文观测，稳恒态理论的提倡者逐渐修改了它的形式。因为这个理论变得越来越牵强，只剩下一些最固执的支持者还相信它。最后，稳恒态宇宙论在1965年被宇宙微波背景辐射的发现推翻了，这一发现为宇宙早期的炽热阶段提供了不容置辩的证据。稳恒态宇宙论只不过是在现代宇宙论发展过程中的一个有相当历史意义的插曲而已。

虽然人们一直敦促稳恒态理论的提出者同意宇宙膨胀开始于百亿年前的一瞬，但是关于早期宇宙行为的无数种可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙学原理只能用可观测的宇宙来评判，而大爆炸理论对后者提供了极好的描述。不过，在宇宙还很年轻的早期，我们可以想象一种宇宙论和标准大爆炸模型的均匀各向同性膨胀非常不同。这种膨胀是各向异性的:在某个优先的方向上迅速膨胀而同时在另外的方向上坍缩。或者，宇宙也可能是非常不均匀的;在较密的区域可以发生局部的坍缩而形成黑洞。我们没有科学上的理由偏爱简单而规则的大爆炸模型而讨厌宇宙可能有较离奇的开端。这两种可能性同我们的物理规律都不矛盾，而天文观测也还不能鉴别它们。

大爆炸理论揭示了宇宙演化的壮阔景象。宇宙膨胀大约开始于200亿年前。这个初始时刻及其以前的条件纯属猜测的范畴。早期宇宙非常炽热、非常致密，同时也许还是很不规则的。这种不规则性和各向异性逐渐消失了。在大爆炸后数分钟内出现了一些核反应，宇宙中几乎所有的氦就是在那时合成的。随着膨胀的进行，宇宙逐渐变冷，就像热空气边膨胀边冷却一样。宇宙背景辐射就是这个早期时代的遗迹。人们一直恰当地把它称为原始火球的剩余辐射。根据一种宇宙演化的方案，随着宇宙中物质的冷却，它终将凝聚为原星系。原星系分裂为恒星并聚在一起成为范围广阔的巨大集团。随着头几代恒星的诞生和死亡，逐渐合成了碳、氧、硅、铁这类重元素。当恒星演化为红巨星时，它们便抛出凝结为尘粒的物质。从气体和尘埃云中形成了新一代的恒星。至少在一个这样的星云里，冷的尘埃坍缩成一个环绕恒星的薄盘。尘粒通过合并彼此附着并累积成较大的物体，这些物体在彼此引力的吸引下长大，形成从小行星到大行星的形形色色天体，这些天体就构成了太阳系。

大爆炸理论引导我们追溯整个宇宙的演化，从时间的头几毫秒到地球的形成和生命的出现，再走向可能是无限的未来。

大爆炸开始时:

150-200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。

大爆炸后:

10-43秒 宇宙从量子背景出现。

10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。

10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。

0.01秒 1000亿度，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。

0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

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。

13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成。

35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后30万年后3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

本文选自：今日头条