宇宙大爆炸理论介绍

宇宙是如何起源的？自古以来，人类就对此最感兴趣，并进行了不懈的探索。历史上有各种各样的神话和传说，但宇宙本身的起源是一个科学问题。自20世纪以来，由于科学技术的发展，人们在观察宇宙方面取得了越来越重要的发现，从而逐渐建立起科学的宇宙学模型——大爆炸宇宙学模型。首先，提出大爆炸宇宙模型的背景是20世纪20年代。美国天文学家斯莱弗在研究遥远的螺旋星云发出的光谱时首次发现了光谱的红移。他意识到螺旋星云正在迅速远离人类。1929年，哈勃将这种后退红移的测量与星系间距离的测量结合起来，总结出著名的哈勃定律:星系的后退速度V与其距离R成正比，即V = HR。根据哈勃定律以及后来对更多天体红移的测量，人们认为宇宙已经膨胀了很长时间，物质的密度也越来越薄。由此，可以推断宇宙的结构在某个时间之前并不存在。它只能是进化的产物。因此，伽莫夫和其他人在1948年首次提出了大爆炸宇宙模型。第二，1948年的大爆炸宇宙模型。伽莫夫等人在《美国物理评论杂志》上发表了一篇关于大爆炸宇宙学模型的文章。他们提出宇宙是由极高的温度、极高的密度和极小的物体快速膨胀形成的。这是一个从热到冷、从密集到稀薄的不断膨胀的过程，就像一场极其大规模的超级大爆炸。根据这个理论，在宇宙的最早阶段，大约150亿年前。今天观察到的所有物质世界都集中在非常小的范围内，具有极高的温度和密度。大爆炸后0.01秒，宇宙温度约为1000亿摄氏度，其主要成分是轻粒子(如光子、电子或中微子)，而质子和中子仅占十亿分之一。所有这些粒子都处于热平衡。随着整个系统迅速膨胀，温度迅速下降。大爆炸后0.1秒，温度降至300亿摄氏度，中子与质子的比率从1降至0.61.1秒，温度降至100亿摄氏度。随着密度的降低，中微子不再处于热平衡，开始向外逃逸。正电子对开始经历湮灭反应，中子与质子的比率进一步下降到0.3。然而，温度仍然太高，核子仍然不足以将中子和质子结合在一起。大爆炸后13.8秒。宇宙温度下降到30亿摄氏度。此时质子和中子可以形成像氘和氦一样稳定的原子核。化学元素在这个时候开始形成。35分钟后，宇宙温度进一步下降到3亿摄氏度，核形成停止。氦与*质子的质量比保持在0.22 ~ 0.28之间。由于高温，质子仍然不能与电子结合形成中性原子。大爆炸后大约30万年，中性原子开始形成。这时，温度已经下降到3000摄氏度。化学键足以将大多数*电子束缚在中性原子上。在这个阶段，宇宙的主要成分是气态物质。随着温度进一步降低，它们慢慢凝结成一团致密的气体云。109年后，各种星系进一步形成，1010年恒星系统形成。在我们今天看到的宇宙形成之前，这些恒星系统经历了漫长的进化。第三，大爆炸宇宙学模型的成就导致了早期宇宙极高的温度。今天的温度已经降到非常低(绝对温度3K)。如此大的温度跨度在任何实验室条件下都无法实现。然而，人们可以将现有的粒子物理、核物理、等离子体物理和其他物理知识应用到宇宙进化的不同阶段，以预测各种宇宙学效应。例如，大爆炸核合成和微波背景辐射。通过多年的天文观测，这些预测已逐渐得到证实。从而成为大爆炸宇宙模型的有力证据。1.大尺度均匀性和各向同性是大爆炸宇宙模型的基础。对宇宙大尺度结构的观察证实了宇宙学原理的正确性。也就是说，宇宙在大范围内必须是均匀各向同性的。1989年发射的COBE卫星对微波背景辐射的精确测量进一步表明，宇宙是各向同性的，在10-4精度内是均匀的。2.哈勃定律可以预测受哈勃定律启发的大爆炸宇宙模型。红移(或后退速度)与28000个星系的距离之间的关系的观测数据已经证实了这一点。3.既然宇宙是在大爆炸中诞生的，那么我们可以谈谈它的年龄。大爆炸宇宙学预测今天宇宙的年龄大约是150亿年。宇宙中的结构，如恒星和星系，是在宇宙形成后逐渐形成的，所以它们的年龄必须小于宇宙的年龄。近年来，人们使用了许多不同的方法来确定星系和恒星的年龄，例如测量恒星中放射性元素的丰度及其衰变产物。最终结果完全一致。也就是说，星系和恒星的年龄大约是几十亿年，这与宇宙的年龄是一致的。4.大爆炸核合成大爆炸宇宙学认为在原始宇宙中既没有分子也没有原子。第一个原子核是在大爆炸后的10-2秒到3分钟内。它由质子和中子组成，一直保留到今天。因此，预测宇宙中轻元素的丰度(例如，氦约为25%，氢约为75%)。多年来对天球中轻元素丰度的观测结果与大爆炸的预测完全一致，从而成为大爆炸宇宙学的最早证据。5.微波背景辐射的大爆炸宇宙学模型认为，当温度降低到大约3000 K时，将会形成大量中性原子。光子失去了与它们的耦合，因此仍然是宇宙中的一个独立组成部分。伽莫夫预言，这个背景光子是一个历史遗迹，今天应该被观测到，估计温度约为10K。1964年，当物理学家计划用辐射计观测这个背景辐射时，贝尔电话实验室的两名工程师彭齐亚斯和威尔逊正在安装和调试卫星天线。人们发现，在天空的不同方向有一个恒定的黑体辐射背景(即微波背景辐射)，相当于3.5K。他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖。后来，1989年发射的COBE卫星最终确定宇宙背景辐射在10-4精确度内是各向同性的，背景光子的测量温度是2.7K，从而从理论上预测。4× 105年后留下的残骸最终被实际测量完全证实，这也成为大爆炸宇宙学的最强有力的证据。迄今为止，大爆炸宇宙学模型的发展，特别是对轻元素丰度的解释和微波背景辐射的测量，表明大爆炸宇宙学模型正在走向成熟。然而，这并不意味着这个理论是无懈可击的。相反，在大爆炸理论中有许多困难，包括视界问题、平坦度问题(现在用膨胀理论解释)、奇点问题、磁单极问题、重子不对称问题、暗物质问题和宇宙常数，这些都需要进一步研究。人们相信这些问题的连续解决将进一步改进大爆炸宇宙学模型。