现代天文学中的几个科普知识（四）

——关于宇宙大爆炸理论

华中科技大学，徐长发，2016.9.20

本文续接现代天文学中的几个科普知识（三）

八． 关于宇宙大爆炸理论

1.宇宙形成的大爆炸模型

随着天文观测技术的发展, 人们看到, 宇宙中有无数个恒星，每个恒星会组成一个小的恒星系，我们所处的是太阳这颗恒星为中心的小星系。人们还进一步认识到,宇宙中有无数个像银河系这样的大星系，银河系是由无数个”恒星系”组成的星系。

我们的太阳系处在银河系的边缘, 围绕着银河系的重心旋转。转速大约每秒250公里, 围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年, 而银河系的直径则高达12万光年。银河系由2000多亿颗恒星组成。太阳系在银河系中的地位, 真像一粒砂子处在一座城市中。

后来又发现, 我们的银河系还与其它星系组成更大的星系团, 大星系团的直径约为107万光年。

说简单一点，宇宙中有若干个它大星系团，星系团中有若干个大星系，每个大星系中又有若干个恒星系，太阳系仅是一个小小的恒星系。

目前, 望远镜观测距离已达100亿光年以上了, 可以看到无数的大星系团存在, 各个大星系团也围绕着各自的重心转动。 这些大星系团不再组成更大的团体, 而是独立的均匀地分布着。宇宙应该是由所有的大星系团构成的。这就是说, 在“107万光年这样的尺度”下可以观测清楚宇宙的宏观表现。

由于光的传播需要时间, 我们看到的，那个距离我们一亿光年的星系, 实际上是那个星系一亿年以前的样子。所以, 我们用望远镜看到的, 不仅是空间距离遥远的星系, 而且是它们的过去。从望远镜看来, 不管多远距离的大星系团, 都均匀地分布着。因而我们可以认为, 在宇观尺度上(107万光年左右，或者说，把大星系团看着一个点)，宇宙物质分布呈现均匀状态。 

哈勃的观测表明，绝大多数星系团都在发生红移，这就是说,这些大星系团正在离我们越来越远,而且距离我们越远的星系团的远离速度越快。这说明宇宙在膨胀。若把这些星系团远离的方向反推回去,发现几乎都聚焦于一个区域。于是，科学家们认为，肯定有那么一个时刻，宇宙中所有东西都聚集在一起，宇宙的诞生必然有个起点。现在的宇宙是宇宙起点大爆炸的结果。

按照宇宙大爆炸理论，宇宙诞生之初，不存在像我们所见的那样的物质，只有以辐射形式存在的能量,在极高的温度和极高的能量密度下，能量与物质之间维持着一种相互转化的热平衡状态，是炙热的混沌状态。具体来说，宇宙诞生1微秒后，随着宇宙膨胀，温度下降到1万亿度，开始转化成最基本的物质，如电子正电子中子质子中微子等。3分钟后，温度下降到1千万度左右，这时基本粒子开始结合形成最基本的原子核氢、氦以及少量的锂，宇宙的基本成分从此固定了。但直到约38万年之后，宇宙温度变成1万度时，原子核和电子才能结合形成原子。再往后，它们随宇宙膨胀而分散，宇宙温度降低，相邻的星云又在引力作用下聚集、凝结成恒星，大约在宇宙诞生后10亿年，宇宙中第一个星系形成，此时温度已经下降到零下200℃。150亿年后的今天，温度约为零下270℃。我们的太阳已是第二或第三代恒星了。

宇宙大爆炸理论的确解决了不少问题,但也产生了不少的新问题,后来又有不少科学家给于修正补充。现在科学家们普遍认为宇宙形成模型是“爆炸+爆胀”形式。

宇宙大爆炸后，先是能量转化为物质，在这个阶段中出现了可见物质和不可见物质；到了暴胀期，宇宙的所有区域都会被拉伸，例如最初体积是10的1次方,马上变为10的3次方,10的9次方,10的27次方，而且爆胀是按接近于光速变化的，这种指数型光速暴胀使宇宙大得难以想像。

2.宇宙大爆炸的证据——宇宙微波背景辐射

如果宇宙是大爆炸形成的,那么辐射的温度会随着宇宙的膨胀而降低。大爆炸后的1秒钟,温度降低到约为100亿度,这大约是太阳中心温度的1千倍, 亦即氢弹爆炸达到的温度。此刻宇宙主要由高温高压的氢的等离子体构成，辐射和光子都受困于等离子体，是不能*穿行的。随着宇宙的继续膨胀,温度继续降低,大约在绝对温度3k左右(绝对零度等于零下273.15摄氏度)，电子／反电子和光子在碰撞中基本上都被湮灭和吸收了,原子核和电子结合成了电中性的氢原子。然而,一些光子和中微子并没有被湮灭掉,它也不和电中性原子发生作用,它能在宇宙中*穿行，这种辐射表现称为宇宙背景辐射。可以估算出来,这时的宇宙, 在大爆炸后约38万年,距离现今约150亿年。

因为这些光子和中微子它们之间，它们和电中性的原子以及其他粒子的作用都非常微弱, 所以从那时以来这种背景辐射没有受到干扰。直到今天它们应该仍然残留在宇宙中。如果我们能观测到它们,那么，它就是宇宙大爆炸38万年所残留下的辐射表现，是“宇宙婴儿期”的表现。

宇宙背景辐射的理论在1978年获得诺贝尔物理学奖。

宇宙背景辐射是很微弱的,它相当于电磁波中的微波频率的那部分,经计算认为是波长为7.35厘米左右的某种无线电波信号，频率是 4.08*10^9次方 赫兹（也就是4.08GHz）左右的电波信号，落在微波波段，这种电波信号应该不受地球自转和公转的影响。基于这个分析，人们可用电子望远镜或射电望远镜捕捉太空的辐射信号，把相应的频率分量过滤出来，就可以获得背景辐射的信号了。

由于这种宇宙背景辐射的能量相当于宇宙温度是2.7K温度时的宇宙物质对外空的热辐射能量，所以又可以将其转化为热辐射的图像，再用颜色表示频率，最后呈现的是用颜色表示的宇宙背景辐射图像。欧航局于2009年5月发射了“普朗克”探测器，测量宇宙在各个方向的宇宙背景辐射，并且绘制了宇宙背景辐射图像，参见图6。                                       

图6，某区域的宇宙背景辐射图像

在图6中，颜色表示辐射的频率，频率由低向高转化为颜色变化：红—橙红—黄—黄白—白—蓝白—蓝，温度越高，辐射频率也越高，蓝色的成份会越多，而红色的成份会越少。 

正是背景辐射的发现和解释，才使大多数天文学家承认，宇宙真正是在一个确定的时刻，在一个热辐射火球中起源的。从此，宇宙学成了一门兴旺的学科。

宇宙背景辐射图像表明，宇宙早期辐射强度分布就有着起伏变化，这也解释了宇宙在早期爆胀时就存在着不均匀性，这才导致宇宙现在的形状，有的地方成团，有的地方空荡。

对宇宙辐射背景的研究，还修正了宇宙膨胀率。根据背景辐射发生位置与地球之间的距离和时间，推算出宇宙的年龄约为138.2亿年。

对宇宙辐射背景的研究,科学家们对宇宙的组成做了了新的修正，现在认为,宇宙中暗物质对普通物质的比例还要高一些，而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量也要多一些，至于暗物质和暗能量的内容将在后面叙述。

当然，对宇宙背景辐射的研究还存在很多问题，例如，如果宇宙背景辐射是早期宇宙的表现，那么现在的各个大的星系团处在背景辐射图像的什么位置呢？它又是沿着什么轨迹发展到现在这个位置的呢?

3.宇宙的几何形状

人们观测到的银河系是扁平的，猜想宇宙可能是扁平的；基于宇宙大爆炸模型，人们又猜想宇宙是是球面的，也可能是其它曲面形状的。究竟宇宙是什么形状的呢？

首先介绍一下三类曲面。第一类是平面。它有两个基本特点：1)如果在它的表面上画一个三角形，则其内角和等于180度；2)如果在它的表面上画两条平行线，则其延长线总是平行不相交的。我们称平面是零曲率的曲面。第二类是球体表面：1)如果在它表面画一个大的三角形,其内角和是大于180度的；2)如果在它表面画一对平行线,其延长线最终是会相交的。我们称球面是正曲率的曲面。第三类是负曲率的曲面，像马鞍面等：1)在这类曲面上画一个大三角形,其内角和是小于180度的；2)在这类曲面上画两条平行线，其延长线是分得越来越开的。我们也可以用一张环形的纸片来作形象的演示。假如我们剪掉这张环形纸片的一段，并把两端重新粘起来，就会得到一个正曲率表面。假如我们从另一张环形纸上剪下一段，并把它嵌入到这个圆环中，产生的就是一个负曲率表面。参见图7。

图7，零曲率平面，负曲率马鞍面和正曲率球面示意         

如果考虑整个宇宙，宇宙形状也可能是弯曲的。我们所处的位置，上下左右都有星体，不能直观感觉到宇宙的整体形状，得想办法测量。最基本方法是，找三个相距较远的星系团，其重心构成一个曲面三角形，要注意两个星系团重心的连线要细致(可能不是直线)，再设法测量这个曲面三角形的内角和。现在，科学家利用宇宙微波背景辐射来测量广大宇宙空间中的三角形内角和，测量结果发现我们的宇宙几乎是“平直的”。可能是观测的范围太局部，观测方法还有局限性，才会出现宇宙是平面型的结论。但哲理告诉我们，如果宇宙是大爆炸产生的，宇宙就不可能是平面型的。换句话说，如果宇宙是平面型的，那么大爆炸仅仅发生在平面上，这是不可能的。可能的表现是，宇宙大爆炸后，沿着负曲率的曲面形状膨胀，现在这个负曲率越来越接近于零了，宇宙形状表现得越来越平了。

霍金认为宇宙的形状是像一个有奇点区域的“漏斗”。参见图8。

图8，宇宙形状示意图

当然，这只是对宇宙全貌的一种看法，也有人认为宇宙就是平直的，也有人认为宇宙是对称的，对宇宙全貌的认识至今还没有定论。

4.宇宙的年龄

宇宙的年龄有多大？人们可以通过星系间的距离，星系向聚焦方向的退行速度，再考虑到宇宙现在的膨胀表现，就可以反推出宇宙年龄。综合这些因素，数据计算的宇宙的年龄约为140亿年。根据对宇宙辐射背景的研究，最新的估计结果是，宇宙年龄约为138.2亿年。

读者可能明白，宇宙的演化完全可以用核物理理论去解释。宇宙大爆炸理论虽然能够解释不少问题，可同样带来其它的问题，例如宇宙的大爆炸应该是立体的，星系应该是分布在较小球面，到极大球面上的，测量结果是“星系分布在平面上”，是测量方法有问题，还是什么其它问题；又例如宇宙的边界等等问题。

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