宇宙大爆炸(Big Bang)僅僅是一種學(xué)說,是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想.
大約在50億年前,宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn),有著極高的溫度,因而發(fā)生了巨大的爆炸.大爆炸以后,物質(zhì)開始向外大膨脹,就形成了今天我們看到的宇宙.大爆炸的整個(gè)過程是復(fù)雜的,現(xiàn)在只能從理論研究的基礎(chǔ)上描繪過去遠(yuǎn)古的宇宙發(fā)展史.在這150億年中先后誕生了星系團(tuán)、星系、我們的銀河系、恒星、太陽系、行星、衛(wèi)星等.現(xiàn)在我們看見的和看不見的一切天體和宇宙物質(zhì),形成了當(dāng)今的宇宙形態(tài),人類就是在這一宇宙演變中誕生的.
人們是怎樣能推測(cè)出曾經(jīng)可能有過宇宙大爆炸呢?這就要依賴天文學(xué)的觀測(cè)和研究.我們的太陽只是銀河系中的一兩千億個(gè)恒星中的一個(gè).像我們銀河系同類的恒星系 —— 河外星系還有千千萬萬.從觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了那些遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們而去,離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系,飛奔的速度越快,因而形成了膨脹的宇宙.
對(duì)此,人們開始反思,如果把這些向四面八方遠(yuǎn)離中的星系運(yùn)動(dòng)倒過來看,它們可能當(dāng)初是從同一源頭發(fā)射出去的,是不是在宇宙之初發(fā)生過一次難以想像的宇宙大爆炸呢?后來又觀測(cè)到了充滿宇宙的微波背景輻射,就是說大約在150億年前宇宙大爆炸所產(chǎn)生的余波雖然是微弱的但確實(shí)存在.這一發(fā)現(xiàn)對(duì)宇宙大爆炸是個(gè)有力的支持.
宇宙大爆炸的觀點(diǎn):
1932年勒梅特首次提出了現(xiàn)代宇宙大爆炸理論：整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)“原始原子”中,后來發(fā)生了大爆炸,碎片向四面八方散開,形成了我們的宇宙.美籍俄國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫第一次將廣義相對(duì)論融入到宇宙理論中,提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型：宇宙開始于高溫、高密度的原始物質(zhì),最初的溫度超過幾十億度,隨著溫度的繼續(xù)下降,宇宙開始膨脹.
1965年,彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射,后來他們證實(shí)宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時(shí)留下的遺跡,從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據(jù).他們也因此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).
20世紀(jì)科學(xué)的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現(xiàn).他對(duì)于宇宙起源后10-43秒以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋.
宇宙的起源：最初是比原子還要小的奇點(diǎn),然后是大爆炸,通過大爆炸的能量形成了一些基本粒子,這些粒子在能量的作用下,逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì).至此,大爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論.然而,至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實(shí)驗(yàn)的支持,而且我們尚不知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景.
宇宙大爆炸理論:大爆炸理論
大爆炸理論是關(guān)于宇宙形成的最有影響的一種學(xué)說,英文說法為Big Bang,也稱為大爆炸宇宙論.大爆炸理論誕生于20世紀(jì)20年代,在40年代得到補(bǔ)充和發(fā)展,但一直寂寂無聞.直到50年代,人們才開始廣泛注意這個(gè)理論.
大爆炸理論的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史.在這個(gè)時(shí)期里,宇宙體系并不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質(zhì)密度從密到稀地演化.這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā).根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點(diǎn),大爆炸的整個(gè)過程是：在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上.物質(zhì)密度也相當(dāng)大,整個(gè)宇宙體系達(dá)到平衡.宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì).但是因?yàn)檎麄€(gè)體系在不斷膨脹,結(jié)果溫度很快下降.當(dāng)溫度降到10億度左右時(shí),中子開始失去自由存在的條件,它要么發(fā)生衰變,要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素；化學(xué)元素就是從這一時(shí)期開始形成的.溫度進(jìn)一步下降到100萬度后,早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束（見元素合成理論）.宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核.當(dāng)溫度降到幾千度時(shí),輻射減退,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),氣體逐漸凝聚成氣云,再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天看到的宇宙.
大爆炸模型能統(tǒng)一地說明以下幾個(gè)觀測(cè)事實(shí)：
a）理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的,因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時(shí)間為短,即應(yīng)小于200億年.各種天體年齡的測(cè)量證明了這一點(diǎn).
b）觀測(cè)到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比.如果用多普勒效應(yīng)來解釋,那么紅移就是宇宙膨脹的反映.
c）在各種不同天體上,氦豐度相當(dāng)大,而且大都是30%.用恒星核反應(yīng)機(jī)制不足以說明為什么有如此多的氦.而根據(jù)大爆炸理論,早期溫度很高,產(chǎn)生氦的效率也很高,則可以說明這一事實(shí).
d）根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等,可以具體計(jì)算宇宙每一歷史時(shí)期的溫度.
按照大爆炸理論,宇宙是150億年前從一個(gè)極小的點(diǎn)誕生的,從那里誕生了時(shí)間和空間、質(zhì)量和能量,從而由物質(zhì)小微粒聚集成大團(tuán)的物質(zhì),最終形成星系、恒星和行星等.在大爆炸發(fā)生前,宇宙中沒有物質(zhì),沒有能量,甚至沒有生命.
但是,大爆炸理論無法回答現(xiàn)在的宇宙在大爆炸發(fā)生之前到底是什么樣,或者說發(fā)生這次大爆炸的原因是什么?按照大爆炸理論,宇宙沒有開端.它只是一個(gè)循環(huán)不斷的過程,從大爆炸到黑洞的周而復(fù)始,便是宇宙創(chuàng)生與毀滅并再創(chuàng)生的過程.
這只是一個(gè)設(shè)想,并不是一個(gè)完美的理論.
大爆炸理論雖然并不成熟,但是仍然是主流的宇宙形成理論的關(guān)鍵就在于目前有一些證據(jù)支持大爆炸理論,比較傳統(tǒng)的證據(jù)如下所示：
a）紅位移
從地球的任何方向看去,遙遠(yuǎn)的星系都在離開我們而去,故可以推出宇宙在膨脹,且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系,遠(yuǎn)離的速度越快.
b）哈勃定律
哈勃定律就是一個(gè)關(guān)于星系之間相互遠(yuǎn)離速度和距離的確定的關(guān)系式.仍然是說明宇宙的運(yùn)動(dòng)和膨脹.
V＝H×D
其中,V（Km/sec）是遠(yuǎn)離速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常數(shù),為50；D（Mpc）是星系距離.1Mpc＝3.26百萬光年.
c）氫與氦的豐存度
由模型預(yù)測(cè)出氫占25％,氦占75％,已經(jīng)由試驗(yàn)證實(shí).
d）微量元素的豐存度
對(duì)這些微量元素,在模型中所推測(cè)的豐存度與實(shí)測(cè)的相同.
e）3K的宇宙背景輻射
根據(jù)大爆炸學(xué)說,宇宙因膨脹而冷卻,現(xiàn)今的宇宙中仍然應(yīng)該存在當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的輻射余燼,1965年,3K的背景輻射被測(cè)得.
f）背景輻射的微量不均勻
證明宇宙最初的狀態(tài)并不均勻,所以才有現(xiàn)在的宇宙和現(xiàn)在星系和星團(tuán)的產(chǎn)生.
g）宇宙大爆炸理論的新證據(jù)
在2000年12月份的英國(guó)《自然》雜志上,科學(xué)家們稱他們又發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù),可以用來證實(shí)宇宙大爆炸理論.
長(zhǎng)期以來,一直有一種理論認(rèn)為宇宙最初是一個(gè)質(zhì)量極大,體積極小,溫度極高的點(diǎn),然后這個(gè)點(diǎn)發(fā)生了爆炸,隨著體積的膨脹,溫度不斷降低.至今,宇宙中還有大爆炸初期殘留的稱為“宇宙背景輻射”的宇宙射線.
科學(xué)家們?cè)诜治隽擞钪嬷幸粋€(gè)遙遠(yuǎn)的氣體云在數(shù)十億年前從一個(gè)類星體中吸收的光線后發(fā)現(xiàn),其溫度確實(shí)比現(xiàn)在的宇宙溫度要高.他們發(fā)現(xiàn),背景溫度約為-263. 89攝氏度,比現(xiàn)在測(cè)量的-273.33的宇宙溫度要高.
雖然已有上述證據(jù)存在,但是宇宙是否起源于大爆炸學(xué)說,仍然缺乏足夠多的令人信服的證據(jù).
宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)主要流派,它能較滿意地解釋宇宙學(xué)的一些根本問題.宇宙大爆炸理論雖然在20世紀(jì)40年代才提出,但20年代以來就有了萌芽.20年代時(shí),若干天文學(xué)者均觀測(cè)到,許多河外星系的光譜線與地球上同種元素的譜線相比,都有波長(zhǎng)變化,即紅移現(xiàn)象.
到了1929年,美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)出星系譜線紅移星與星系同地球之間的距離成正比的規(guī)律.他在理論中指出：如果認(rèn)為譜線紅移是多普勒效果的結(jié)果,則意味著河外星系都在離開我們向遠(yuǎn)方退行,而且距離越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越快.這正是一幅宇宙膨脹的圖像.
40年代美國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理論.該理論認(rèn)為,宇宙在遙遠(yuǎn)的過去曾處于一種極度高溫和極大密度的狀態(tài),這種狀態(tài)被形象地稱為“原始火球”.以后,火球爆炸,宇宙就開始膨脹,物質(zhì)密度逐漸變稀,溫度也逐漸降低,直到今天的狀態(tài).這個(gè)理論能自然地說明河外天體的譜線紅移現(xiàn)象,也能圓滿地解釋許多天體物理學(xué)問題.1964年美國(guó)人彭齊亞斯和威爾遜又發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸理論的新的有力證據(jù).
該理論作為一門發(fā)展中的理論,雖然得到了絕大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)同,但仍有一些解釋不了的問題,需要進(jìn)一步完善其理論體系.