大爆炸宇宙論

大爆炸宇宙論

“大爆炸宇宙論”(The Big Bang Theory)是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。

基本信息

簡介

“大爆炸宇宙論”(The Big Bang Theory)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 Lemaître)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。  

產生原理

大爆炸宇宙論 大爆炸宇宙論

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。

基本假設

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。

研究歷程

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

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逾時空——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。  

大爆炸後10 秒(普朗克時間):約10 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10 克,超過質子密度10 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。  

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大爆炸後10 秒:約10 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 秒,在此瞬間,宇宙經歷了100次加倍(2 ),得到的尺度是先前尺度的10 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。  

大爆炸後10 秒:約10 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 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國中微子。  

大爆炸後0.01秒:約1000億度,光子、電子、中微子為主,質子中子僅占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10 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   。

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10 秒(10 年),溫度約為10 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(4πR /3)的乘積成反比例減小,即安1/R 減小,而物質的能量密度只是簡單地與體積成1/R 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。  

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。暗能量可能占據宇宙總能量密度的2/3   ,從而推動了宇宙加速膨脹。  

觀測事實

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。

相關概念

膨脹空間

膨脹空間的基本概念可通過一項簡單的模擬來加以理解。想像在一條鬆緊帶上縫有一排紐扣。假定從鬆緊帶的兩端把它拉長,結果所有的紐扣都彼此遠離。不論我們選擇從哪個紐扣來看,它鄰側的紐扣似乎都在遠離,而且這種膨脹是處處相同的,不存在特殊的中心。當然,我們在畫這排紐扣時,它有一個中心紐扣,但這與系統的膨脹方式毫不相干。只要把這條帶紐扣的鬆緊帶無限加長,或環成一個圓圈,這箇中心便不再存在了。

從任意一個紐扣來看,離它最近的[url紐扣以某種速度退行,再下一個紐扣則以兩倍數度退行,依此類推。在你看來,紐扣離得越遠,它退行得越快。因此這種膨脹意味著退行速度與距離成正比-這是一個極為重要的關係。藉助這個圖像,我們就可想像出光波是,難怪哈勃發現,紅移量與距離成正比,同這個簡單的圖像模擬結果完全一致。

視界

大爆炸時空的一個重要特點就是視界的存在:由於宇宙具有有限的年齡,並且光具有有限的速度,從而可能存在某些過去的事件無法通過光向我們傳遞信息。從這一分析可知,存在這樣一個極限或稱為過去視界,只有在這個極限距離以內的事件才有可能被觀測到。另一方面,由於空間在不斷膨脹,並且越遙遠的物體退行速度越大,從而導致從我們這裡發出的光有可能永遠也無法到達那裡。從這一分析可知,存在這樣一個極限或稱為未來視界,只有在這個極限距離以內的事件才有可能被我們所影響。以上兩種視界的存在與否取決於描述我們宇宙的FLRW模型的具體形式:我們現有對極早期宇宙的認知意味著宇宙應當存在一個過去視界,不過在實驗中我們的觀測仍然被早期宇宙對電磁波的不透明性所限制,這導致我們在過去視界因空間膨脹而退行的情形下依然無法通過電磁波觀測到更久遠的事件。另一方面,假如宇宙的膨脹一直加速下去,宇宙也會存在一個未來視界。

微波輻射(1978年諾貝爾物理獎)

宇宙微波背景輻射 宇宙微波背景輻射

早在四十年代末,大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫認為,我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘餘輻射中,其溫度約為6K。正如一個火爐雖然不再有火了,還可以冒一點熱氣。

1964年,美國貝爾電話公司年輕的工程師-彭齊亞斯和威爾遜,在調試他們那巨大的喇叭形天線時,出乎意料地接收到一種無線電干擾噪聲,各個方向上信號的強度都一樣,而且歷時數月而無變化。

難道是儀器本身有毛病嗎?或者是棲息在天線上的鴿子引起的?他們把天線拆開重新組裝,依然接收到那種無法解釋的噪聲。這種噪聲的波長在微波波段,對應於有效溫度為3.5K的黑體輻射出的電磁波(它的譜與達到某種熱平衡態的熔爐內的發光情況精確相符,這種輻射就是物理學家說熟知的"黑體輻射")。他們分析後認為,這種噪聲肯定不是來自人造衛星,也不可能來自太陽、銀河系或某個河外星系射電源,因為在轉動天線時,噪聲強度始終不變。

後來,經過進一步測量和計算。得出輻射溫度是2.7K,一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。這一發現,使許多從事大爆炸宇宙論研究的科學家們獲得了極大的鼓舞。因為彭齊亞斯和威爾遜等人的觀測竟與理論預言的溫度如此接近,正是對宇宙大爆炸論的一個非常有力的支持!這是繼1929年哈勃發現星系譜線紅移後的又一個重大的天文發現。

宇宙微波背景輻射的發現,為觀測宇宙開闢了一個新領域,也為各種宇宙模型提供了一個新的觀測約束,它因此被列為20世紀60年代天文學四大發現之一。彭齊亞斯和威爾遜於1978年獲得了諾貝爾物理學獎。瑞典科學院在頒獎決定中指出:這一發現,使我們能夠獲得很久以前宇宙創生時期所發生的宇宙過程的信息。

氦豐度

最後還有一個證實熾熱高密度宇宙起源理論的證據。只要知道今天熱輻射的溫度,由熱大爆炸理論很容易計算出宇宙誕生後約1秒時各處的溫度約為100億度,這對現有的原子核的合成來說也是太高了。那時物質必定被撕裂成最基本的成分,形成一鍋夸克膠子湯,諸如質子、中子和電子。但是,隨著這鍋湯變冷,核反應就可能出現了。

採用大爆炸模型可以計算氦-4、氦-3、氘和鋰-7等輕元素相對普通氫元素在宇宙中所占含量的比例。所有這些輕元素的豐度都取決於一個參數,即早期宇宙中光子與重子的比例,而這個參數的計算與微波背景輻射漲落的具體細節無關。大爆炸理論所推測的輕元素比例(這裡是元素的總質量之比而非數量之比)大約為:氦-4/氫=0.25,氘/氫=10^-3,氦-3/氫=10^-4,鋰-7/氫=10^-7。

實際測量到的各種輕元素豐度和從光子重子比例推算出的理論值加以比較,可以發現它們是粗略符合的。其中理論值和測量值符合最好的是氘元素,氦-4的理論值和測量值接近但仍有差別,鋰-7則是差了兩倍,對於後兩種元素的測算存在著較大的系統隨機誤差。儘管如此,大爆炸核合成理論所預言的輕元素豐度與實際觀測可以認為是基本符合,這是對大爆炸理論的強有力支持。到目前為止,還沒有其它理論能夠很好地解釋並給出這些輕元素的相對豐度。同時,由大爆炸理論所預言的宇宙,其中可被“調控”的氦元素含量也不可能超出或低於現有豐度的20%至30%。事實上,很多觀測結果現今也只有大爆炸理論可以解釋,例如為什麼早期宇宙中氦的豐度要高於氘,而氘的含量又要高於氦-3,而且比例又是常數等。

主要證據

2014年3月17日美國物理學家宣布,首次發現了宇宙原初引力波存在的直接證據。

原初引力波是愛因斯坦於1916年發表的廣義相對論中提出的,它是宇宙誕生之初產生的一種時空波動,隨著宇宙的演化而被削弱。科學家說,原初引力波如同創世紀大爆炸的“餘響”,將可以幫助人們追溯到宇宙創生之初的一段極其短暫的急劇膨脹時期,即所謂“暴漲”。

然而,廣義相對論提出近百年來,源於它的其他重要預言如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應等都被一一被證實,而引力波卻始終未被直接探測到,問題就在於其信號極其微弱,技術上很難測量。
美國哈佛-史密森天體物理學中心等機構物理學家利用架設在南極的BICEP2望遠鏡,觀測宇宙大爆炸的“餘燼”—微波背景輻射。微波背景輻射是由瀰漫在宇宙空間中的微波背景光子形成的,計算表明,原初引力波作用到微波背景光子,會產生一種叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的擾動,都產生不了這種B模式偏振,因此B模式偏振成為原初引力波的“獨特印記”。觀測到B模式偏振即意味著引力波的存在。
南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。研究人員在這裡發現了比“預想中強烈得多”的B模式偏振信號,隨後經過3年多分析,排除了其他可能的來源,確認它就是原初引力波導致的。

2016年年初,美國雷射干涉引力波天文台(LIGO)和歐洲引力波天文台(VIRGO)的科學家聯合宣布,他們探測到了兩個約為30倍太陽質量的黑洞在13億年前的併合產生的引力波,這一發現被稱為“世紀發現”。

理論獲獎

美國人索爾·珀爾馬特和亞當·里斯以及持有美國和澳大利亞雙重國籍的布賴恩·施密特獲得2011年度諾貝爾物理學獎。諾貝爾物理學獎評審委員會4日評價,這3名獲獎者“研究幾十顆處於爆炸狀態的恆星即‘超新星’,發現宇宙正在擴張過程中,擴張速率不斷加速”。在瑞典首都斯德哥爾摩瑞典科學院內,諾貝爾物理學獎當地時間11時45分(台北時間17時45分)揭曉。

珀爾馬特、里斯和施密特的研究對象,是一些大質量恆星在演化後期伴隨星核與星殼分離出現的一種現象,即超級規模大爆炸。質量相當於太陽的8至25倍的恆星以超新星爆發方式結束“生命”,而恆星外側氣體包則高速拋離,所顯現的絕對光度可超過太陽光度100億倍。分析特定類型的超新星爆發,珀爾馬特、里斯和施密特所屬的研究小組發現,超過50顆超新星所顯現的光度比先前預期暗淡。對這一結果的解釋,是宇宙正在加速擴張。這個發現,被瑞典皇家科學院稱為“震動了宇宙學的基礎”。諾貝爾物理學獎評審委員會認定,3名獲獎者所獲研究結果改變了人類對宇宙的認識。“將近一個世紀,一種公認看法是,宇宙正在擴張,是大約140億年前‘大爆炸’的結果。”評審委員會說。“不過,發現宇宙擴張正在加速,令人驚異。”評審委員會介紹說,“如果擴張繼續加速,宇宙將以冰凍狀態終結。”另外,3人的研究,確認了最初由科學家阿爾伯特·愛因斯坦提出的一種理論,即他稱之為“宇宙學常數”的理論。1998年,珀爾馬特主持一個研究小組,施密特則主持成員包括里斯的另一個研究小組。兩個小組各自努力,相互“競爭”,而觀測結果可謂“不約而同”。評審委員會宣布,獎金1000萬瑞典克朗(約合146萬美元),珀爾馬特獲二分之一,施密特和里斯獲另外二分之一。

現存問題

對於大爆炸後最初的幾分鐘,相關的觀測嚴重缺乏,最早期宇宙物質——能量的實際形式很大程度上仍只是猜測。大一統理論預測了特定類型的粒子(如難以捉摸的磁單極子),而超弦、超對稱、超引力以及其他多維理論都預測了各自原初粒子及作用力。

物質對反物質的絕對優勢也是一個需要透徹說明的經驗性事實。

其他主要問題都與暗物質和暗能量的產生和本質有關(通常認為量子真空是二者的主要提供方)。  

現代爭論

美國的的科學家在2014年9月28日用數學的方法證明了“黑洞是不存在的”。  

據美國物理學家組織網站報導,美國北卡羅來納州大學教堂山分校的理論物理學家蘿拉·梅爾西尼·霍頓在線上物理學知識庫ArXiv發表文章稱,她已經用數學證明了“黑洞是不存在的”。一旦她的觀點被科學界論證是正確之後,現代物理學對於宇宙的起源學說將可能被全部推翻   。

報導指出,蘿拉的理論使用了數學方法,將萬有引力理論和量子力學理論和諧地融合在了一起:得出的結論就是人們“黑洞並不存在”。她和霍金都認為當恆星死亡坍塌時,會釋放出霍金提出的輻射。在這個過程中,星球自身也將流失一大部分的質量,最終,死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。

如果這條理論被證實是正確的,大爆炸理論可能會因此而被推翻,甚至於現代物理學對於宇宙的起源學說可能將被全部推翻,亦或是融合萬有引力理論和量子力學理論的新理論中設定“黑洞不存在”。

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