[科普中国]-大爆炸宇宙论

简介

“大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1927年，比利时天文学家和宇宙学家勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年，美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。

现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。该理论的创始人之一是伽莫夫。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙由大约140亿年前发生的一次大爆炸形成。上世纪末，对Ia超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀，因为宇宙可能大部分由暗能量组成。1

产生原理爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。

“宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。

基本假设大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。

这些观点起初是作为先验的公理被引入的，现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言，已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10^（-5）。此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。

假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好的（或者说特别的）观测者或观测位置。根据对微波背景辐射的观测，宇宙学原理已经被证实在10^(-5)的量级上成立，而宇宙在大尺度上观测到的均匀性则在10%的量级。

研究历程初始阶段许多人不知道的是，与大爆炸理论已经成为常识的今天相比，在该理论刚刚提出之后的很长一段时间，世界科学界对其的态度是“嗤之以鼻”的。

这种奇怪的现象，是因为当时的科学界受进化论推翻“上帝创造论”的哲学思潮影响，盲目地反对传统理论，不承认如《圣经》所言，宇宙是有一个起点的。这一时期的西方科学界普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的。因此对于所有涉及说宇宙和万物都“有一个起点”的理论一概不予承认。包括像爱因斯坦这样的大科学家也受其影响。爱因斯坦在总结引力场方程，发现这个Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式将推导出宇宙其实是一个有着从未停止的物质变化的动态宇宙，于是在该公式中又强加了一个“宇宙常数”，以维持静态宇宙的计算结果。也就是说，最初的场方程其实是这样的：∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv，其中常数“∧”为宇宙常数。

验证阶段但是自从1922年美国天文学家埃德温·哈勃开始观测到到“红移现象”开始，有关“宇宙膨胀”的观点开始形成。

1929年，埃德温·哈勃总结出了一个具有里程碑意义的发现，即：不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去，而近处的星系正在向我们靠近。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙处于一个密度无限的奇点。

听闻此事的爱因斯坦很快来到哈勃工作的威尔逊天文台，在哈勃的带领下亲自进行了红移现象的观测。访问结束后，爱因斯坦公开承认了自己主观意识影响科学结论的错误，并去掉了场方程中的宇宙常数，于是就有了我们今天所熟知的爱因斯坦场方程（Einstein Field Equation）。

成熟阶段1948年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开始就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。

根据大爆炸宇宙论，早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

爆炸简史大爆炸开始时：约150亿年前，体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的点，称为奇点。空间和时间诞生于某种超时空——部分宇宙学家称之为量子真空（假真空），其充满着与海森堡不确定性原理相符的量子能量扰动。2

大爆炸后10-43秒（普朗克时间）：约1032度，宇宙从量子涨落背景出现，这个阶段称为普朗克时间。在此之前，宇宙的密度可能超过每立方厘米1094克，超过质子密度1078倍，物理学上所有的力都是一种。（超对称）在这个阶段，宇宙已经冷却到引力可以分离出来，开始独立存在，存在传递引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力（强、弱相互作用和电磁相互作用）仍为一体。2

大爆炸后10-35秒：约1027度，暴涨期（第一推动），引力已分离，夸克、玻色子、轻子形成。此阶段宇宙已经冷却到强相互作用可以分离出来，而弱相互作用及电磁相互作用仍然统一于所谓电弱相互作用。宇宙也发生了暴涨，暴涨仅持续了10-33秒，在此瞬间，宇宙经历了100次加倍（2100），得到的尺度是先前尺度的1030倍（暴涨的是宇宙本身，即空间与时间本身，并不违反光速藩篱）。暴涨前宇宙还在光子的相互联系范围内，可以平滑掉所有粗糙的点，暴涨停止时，今天所探测的东西已经在各自小区域稳定下来，而这被称为暴涨理论。2

大爆炸后10-12秒：约1015度，粒子期，质子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子稳定下来。宇宙变得足够冷，电弱相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用。轻子家族（电子、中微子以及相应的反粒子）需要等宇宙继续冷却10-4秒才能从与其他粒子的平衡相中分离出来。其中中微子一旦从物质中退耦，将自由穿越空间，原则上可以探测到这些原初中微子。2

大爆炸后0.01秒：约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。

大爆炸后0.1秒后：约300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后：约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。

大爆炸后10秒后：约30亿度，核时期，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。当宇宙冷却到109开尔文以下（约100秒后），粒子转变不可能发生了。核合成计算指出，重子密度仅占拓扑平宇宙所需物质的2%~5%，强烈暗示了其他物质能量的形式（非重子暗物质和暗能量）充满了宇宙2。

大爆炸后35分钟后：约3亿度，原初核合成过程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后1011秒（104年），温度约为105开尔文，物质期。在宇宙早期历史中，光主宰着各能量形式。随着宇宙膨胀，电磁辐射的波长被拉长，相应光子能量也跟着减小。辐射能量密度与尺度（R）和体积（4πR3/3）的乘积成反比例减小，即安1/R4减小，而物质的能量密度只是简单地与体积成1/R3反比例减小。一万年后，物质密度追上辐射密度且超越它，从那时起，宇宙和它的动力学开始为物质所主导。2

大爆炸后30万年后：约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。

量子真空在暴涨期达到全盛，之后便以暗能量的形式弥漫于全宇宙，且随着物质和辐射密度迅速减小，暗能量越来越明显。暗能量可能占据宇宙总能量密度的2/31，从而推动了宇宙加速膨胀。2

观测事实大爆炸理论的科学性令人不得不信服。最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究。20年代，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）研究了维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）所作的观测。他注意到，远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红化，并作了一张图。他发现，这种红化（红移）是系统性的，星系离我们越远，它就显得越红。

光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝光位于短波端，红光位于长波端。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应。他认为，光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果。哈勃的这个重大发现就奠定了现代宇宙学的基础。

膨胀中宇宙的性质使许多人困惑不解。从地球的角度来看，好像遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但是，这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。可以说每一点都是中心，又没有一点是中心（解释得最好的是一幅画：三维空间的切割）。我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀，而不是星系在空间中运动。这一点与我们日常生活中见到的源于一点的爆炸不同。

空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪，不过这却是1915年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念。广义相对论认为，引力实际上是空间（严格地说是时空）弯曲或变形的一种表现。从某种意义上来说空间是有弹性的，可以按某种方式弯曲或伸长，具体情况取决于物质的排列。这个思想已为观测所充分证实。

相关概念膨胀空间膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解。想象在一条松紧带上缝有一排纽扣。假定从松紧带的两端把它拉长，结果所有的纽扣都彼此远离。不论我们选择从哪个纽扣来看，它邻侧的纽扣似乎都在远离，而且这种膨胀是处处相同的，不存在特殊的中心。当然，我们在画这排纽扣时，它有一个中心纽扣，但这与系统的膨胀方式毫不相干。只要把这条带纽扣的松紧带无限加长，或环成一个圆圈，这个中心便不再存在了。

从任意一个纽扣来看，离它最近的[url纽扣以某种速度退行，再下一个纽扣则以两倍数度退行，依此类推。在你看来，纽扣离得越远，它退行得越快。因此这种膨胀意味着退行速度与距离成正比-这是一个极为重要的关系。借助这个图像，我们就可想象出光波是，难怪哈勃发现，红移量与距离成正比，同这个简单的图像模拟结果完全一致。

视界大爆炸时空的一个重要特点就是视界的存在：由于宇宙具有有限的年龄，并且光具有有限的速度，从而可能存在某些过去的事件无法通过光向我们传递信息。从这一分析可知，存在这样一个极限或称为过去视界，只有在这个极限距离以内的事件才有可能被观测到。另一方面，由于空间在不断膨胀，并且越遥远的物体退行速度越大，从而导致从我们这里发出的光有可能永远也无法到达那里。从这一分析可知，存在这样一个极限或称为未来视界，只有在这个极限距离以内的事件才有可能被我们所影响。以上两种视界的存在与否取决于描述我们宇宙的FLRW模型的具体形式：我们现有对极早期宇宙的认知意味着宇宙应当存在一个过去视界，不过在实验中我们的观测仍然被早期宇宙对电磁波的不透明性所限制，这导致我们在过去视界因空间膨胀而退行的情形下依然无法通过电磁波观测到更久远的事件。另一方面，假如宇宙的膨胀一直加速下去，宇宙也会存在一个未来视界。

微波辐射（1978年诺贝尔物理奖）早在四十年代末，大爆炸宇宙论的鼻祖伽莫夫认为，我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，其温度约为6K。正如一个火炉虽然不再有火了，还可以冒一点热气。

1964年，美国贝尔电话公司年轻的工程师－彭齐亚斯和威尔逊，在调试他们那巨大的喇叭形天线时，出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无变化。

难道是仪器本身有毛病吗？或者是栖息在天线上的鸽子引起的？他们把天线拆开重新组装，依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声的波长在微波波段，对应于有效温度为3.5K的黑体辐射出的电磁波（它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况精确相符，这种辐射就是物理学家说熟知的"黑体辐射"）。他们分析后认为，这种噪声肯定不是来自人造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终不变。

后来，经过进一步测量和计算。得出辐射温度是2.7K，一般称之为3K宇宙微波背景辐射。这一发现，使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持！这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。

宇宙微波背景辐射的发现，为观测宇宙开辟了一个新领域，也为各种宇宙模型提供了一个新的观测约束，它因此被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定中指出：这一发现，使我们能够获得很久以前宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。

氦丰度最后还有一个证实炽热高密度宇宙起源理论的证据。只要知道今天热辐射的温度，由热大爆炸理论很容易计算出宇宙诞生后约1秒时各处的温度约为100亿度，这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时物质必定被撕裂成最基本的成分，形成一锅夸克胶子汤，诸如质子、中子和电子。但是，随着这锅汤变冷，核反应就可能出现了。

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，即早期宇宙中光子与重子的比例，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（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。

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加以比较，可以发现它们是粗略符合的。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，对于后两种元素的测算存在着较大的系统随机误差。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支持。到目前为止，还没有其它理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度。同时，由大爆炸理论所预言的宇宙，其中可被“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，很多观测结果现今也只有大爆炸理论可以解释，例如为什么早期宇宙中氦的丰度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3，而且比例又是常数等。

主要证据2014年3月17日美国物理学家宣布，首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。

原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的，它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动，随着宇宙的演化而被削弱。科学家说，原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”，将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期，即所谓“暴涨”。

然而，广义相对论提出近百年来，源于它的其他重要预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都被一一被证实，而引力波却始终未被直接探测到，问题就在于其信号极其微弱，技术上很难测量。
美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜，观测宇宙大爆炸的“余烬”—微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的，计算表明，原初引力波作用到微波背景光子，会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的扰动，都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。
南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号，随后经过3年多分析，排除了其他可能的来源，确认它就是原初引力波导致的。

2016年年初，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲引力波天文台（VIRGO）的科学家联合宣布，他们探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞在13亿年前的并合产生的引力波，这一发现被称为“世纪发现”。

理论获奖美国人索尔·珀尔马特和亚当·里斯以及持有美国和澳大利亚双重国籍的布赖恩·施密特获得2011年度诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖评审委员会4日评价，这3名获奖者“研究几十颗处于爆炸状态的恒星即‘超新星’，发现宇宙正在扩张过程中，扩张速率不断加速”。在瑞典首都斯德哥尔摩瑞典科学院内，诺贝尔物理学奖当地时间11时45分（北京时间17时45分）揭晓。

珀尔马特、里斯和施密特的研究对象，是一些大质量恒星在演化后期伴随星核与星壳分离出现的一种现象，即超级规模大爆炸。质量相当于太阳的8至25倍的恒星以超新星爆发方式结束“生命”，而恒星外侧气体包则高速抛离，所显现的绝对光度可超过太阳光度100亿倍。分析特定类型的超新星爆发，珀尔马特、里斯和施密特所属的研究小组发现，超过50颗超新星所显现的光度比先前预期暗淡。对这一结果的解释，是宇宙正在加速扩张。这个发现，被瑞典皇家科学院称为“震动了宇宙学的基础”。诺贝尔物理学奖评审委员会认定，3名获奖者所获研究结果改变了人类对宇宙的认识。“将近一个世纪，一种公认看法是，宇宙正在扩张，是大约140亿年前‘大爆炸’的结果。”评审委员会说。“不过，发现宇宙扩张正在加速，令人惊异。”评审委员会介绍说，“如果扩张继续加速，宇宙将以冰冻状态终结。”另外，3人的研究，确认了最初由科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出的一种理论，即他称之为“宇宙学常数”的理论。1998年，珀尔马特主持一个研究小组，施密特则主持成员包括里斯的另一个研究小组。两个小组各自努力，相互“竞争”，而观测结果可谓“不约而同”。评审委员会宣布，奖金1000万瑞典克朗（约合146万美元），珀尔马特获二分之一，施密特和里斯获另外二分之一。

现存问题对于大爆炸后最初的几分钟，相关的观测严重缺乏，最早期宇宙物质——能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。大一统理论预测了特定类型的粒子（如难以捉摸的磁单极子），而超弦、超对称、超引力以及其他多维理论都预测了各自原初粒子及作用力。

物质对反物质的绝对优势也是一个需要透彻说明的经验性事实。

其他主要问题都与暗物质和暗能量的产生和本质有关（通常认为量子真空是二者的主要提供方）。2

现代争论美国的的科学家在2014年9月28日用数学的方法证明了“黑洞是不存在的”。3

据美国物理学家组织网站报道，美国北卡罗来纳州大学教堂山分校的理论物理学家劳拉·梅尔西尼·霍顿在在线物理学知识库ArXiv发表文章称，她已经用数学证明了“黑洞是不存在的”。一旦她的观点被科学界论证是正确之后，现代物理学对于宇宙的起源学说将可能被全部推翻3。

报道指出，劳拉的理论使用了数学方法，将万有引力理论和量子力学理论和谐地融合在了一起：得出的结论就是人们“黑洞并不存在”。她和霍金都认为当恒星死亡坍塌时，会释放出霍金提出的辐射。在这个过程中，星球自身也将流失一大部分的质量，最终，死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。

如果这条理论被证实是正确的，大爆炸理论可能会因此而被推翻，甚至于现代物理学对于宇宙的起源学说可能将被全部推翻，亦或是融合万有引力理论和量子力学理论的新理论中设定“黑洞不存在”。