宇宙大爆炸理论的形成过程

宇宙大爆炸理论的形成过程
宇宙大爆炸理论的形成过程

宇宙大爆炸理论的形成过程
大爆炸理论测算出宇宙的年龄是 137±2 亿年,这一计算是通过对Ia型超新星的观测,对宇宙背景辐射强度的测量,以及对星系相关函数的测量得出的.这三个独立测算所得到的结果一致,从而被认为是所谓更详细描述宇宙中星系性质的 Lambda-CDM model 的有力证据.早期的宇宙充满了同源同性的物质,其温度、压强、能量都极高.随着膨胀和冷却,宇宙物质经历了相变,这种相变与蒸气冷却时的凝结过程和水的凝固过程相似,不同之处在于前者发生在更基本的粒子层面上.
　　普朗克时期之后大约 10-35 秒,相转变引起宇宙产生指数级增长,称为暴胀.之后暴胀停止,此时宇宙的物质形式是夸克-胶子等离子体,这些物质的运动都符合相对论.宇宙继续在空间上膨胀,温度继续下降.在某一温度下,一种至今未知的所谓重子相变的相变产生,夸克和胶子组成重子,就是质子和中子,同时还在物质和反物质之间产生了不对称性,这种不对称性已经被实验证实.随着温度进一步降低,更多无对称的相变发生,形成了现在的基本粒子和基本相互作用.之后,一些质子和中子结合,组成氘和氦的原子核,这个过程叫做太初核合成.随着宇宙的冷却,静止质量的能量密度以引力形式存在,并超过辐射形式的能量密度.在大约 30 万年之后,电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子）,而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播,这就是今天的宇宙微波背景辐射.
　　随着时间的前进,在几乎是均匀分布的物质空间中,密度稍微大一点儿的区域通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,并形成今天的气体云、恒星、星系和其他天文学观测到的结构.具体过程决定于宇宙物质的形式和数量,其中形式可能有三种：冷暗物质、热暗物质和重子物质.
　　发展历史
　　大爆炸理论是通过实验观测和理论推导发展的,在实验观测方面,1910年代,维斯特·斯里弗尔（Vesto Slipher）和卡尔·韦海姆·怀兹（Carl Wilhelm Wirtz）证实了大多数旋涡星系正在退离地球,不过他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么,也不认为发现的星云其实是银河系外的其他星系.同时在理论上,爱因斯坦的广义相对论成功建立并推出没有稳定态宇宙.通过度量张量描述的宇宙不是膨胀就是收缩,爱因斯坦认为他自己解错了,并加入了一个宇宙学常数来进行改正.第一个不使用宇宙学常数,而真正认真将广义相对论运用到宇宙学中的是亚历山大·弗里德曼,他的方程所描述的宇宙称为Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙,时间是1922年.1927年,比利时天主教牧师勒梅特独立推导出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,并在螺旋星云后退现象的基础上提出了宇宙是从一个“初级原子”“爆炸”而来的—这就是后来所谓的大爆炸.
　　1929年,埃德温·哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件.哈勃证明这些旋涡星云其实是星系,并通过观测造父变星测算出了他们的距离.他发现,星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比,这就是所谓霍伊尔的稳恒态宇宙模型.在稳恒态宇宙模型里,新物质在星系远离留下的空间中不断产生,从而宇宙基本不变化.其实这个理论的名称是出于霍伊尔的讽刺,他在1949年通过BBC广播节目形式传播的,论文《物质的特性》（The Nature of Things）发表于1950年.
　　之后的许多年,这两种理论并立,但观测事实开始支持一个演变于热密状态的宇宙.1965年宇宙微波背景辐射的发现使人们认为大爆炸理论是宇宙起源和演变最好的理论.1970年以前,很多宇宙学家认为宇宙可能在膨胀以前先收缩,这样可以避免从弗里德曼模型推出一个无限致密的“荒谬”的奇点.比较有代表性的是Richard Tolman的脉动宇宙模型（oscillating universe）.1960年代末,史蒂芬·霍金等人证明这个假设行不通,因为奇异点是爱因斯坦引力理论的直接和重要推论.之后大多数宇宙物理学家开始接受广义相对论所描述的宇宙在时间上是有限的.但是,由于对于量子引力规律缺乏认识,现在还不能断定这个奇异点到底是真正集合意义上的无限小点,还是物理收缩过程可以无限进行下去,从而间接达到宇宙在时间上无限.
　　现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关,或者是它的延伸,或者是进一步解释,例如大爆炸理论下星系如何产生,大爆炸时发生的物理过程,以及用大爆炸理论解释新观测结果等.90年代后期和21世纪初,由于望远镜技术的发展和人造探测器收集到大量数据,大爆炸理论又有了新的巨大突破.大爆炸时期宇宙的情况和数据可以计算得更加精确,并产生了很多意想不到的结果,比如宇宙的膨胀在加速.