何谓宇宙大爆炸模型?

何谓宇宙大爆炸模型?
何谓宇宙大爆炸模型?

何谓宇宙大爆炸模型?
宇宙大爆炸模型
1. 幽默的”宇宙之始”代号——α,β,γ
1948年美国物理学家伽莫夫（George Gamow, 1904~1968）、阿尔法、贝特等人发挥了勒梅特的思想,把宇宙的膨胀于物质的演化联系起来,提出了“大爆炸宇宙模型”.因为它能较多他说明现时所观测到的事实,所以成为目前影响最大的宇宙学说.由于伽莫夫、阿尔法、贝特三人的姓恰好是希腊字母的 ,因而被后人幽默的代表宇宙之始.
2. 宇宙大爆炸的描述
起源——宇宙始于约200亿年前爆炸的一个高温、高密度的“原始火球”.它的起始时间为0.
普郎克时代——时间10-43秒,温度高达1032K；
大统一时代——时间10-35秒,温度高达1028K；
强子时代——时间10-6秒,温度为1014K；
轻子时代——时间10-2秒,温度为1012K；
辐射时代——时间1—10秒,温度降至约1010—5´109K,基本粒子开始结合成原子核,能量以光子辐射显示出现；(人们探索微观世界和宇宙结构的努力在这里会合)
氦形成时代——时间3分钟,温度降至约109K,直径膨胀到约1光年大小,有近三成物质合成为氦,核反应消失；
进入物质时代——时间1000—2000年,温度降至约105K,物质密度大于辐射密度；
物质从背景辐射中透明出来——物质温度开始低于辐射温度,最重于最轻的基本粒子书比值保持恒定；
星系形成——时间108年,温度降至约100K；
类星体、恒星、行星及生命先后出现——时间109年,温度降至约12K；
目前阶段——时间1010年,温度降至约3K,星系温度约105K.
伽莫夫和他的支持者预言,大爆炸中所产生的辐射在遥远的宇宙空间里必定仍然存在,大约相当于10K左右.后来3K宇宙背景辐射的发现给了人们很大的鼓舞,因为它使爆炸宇宙模型的这个预言成为真实.当然,大爆炸宇宙模型也同样存在着许多尚待解决的疑难,它终究还只是一种假说.
3. 大爆炸理论的证据
(1).宇宙的年龄
如果星系目前正在彼此远离,那它们过去必定靠得更近,也就是说,较早时代的宇宙,物质密度会更高.继续这一推理就意味着过去必定存在一个时刻,那时宇宙中的物质处于极其高密的状态.按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度,就可估计出那一时刻距今约100—200亿年.这段时间对所有星系来说是共同的,事实上它就是哈勃常数的倒数.那一时刻通常被称为“大爆炸”时刻,也就是我们宇宙的开端.如果这一推论不错,那么宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙年龄”所界定的上限.
借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法,人们测量了地球上最古老的岩石、“阿彼罗11号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本,发现它们的年龄均不超过47亿年.
恒星的年龄可以从它们的发光功率和拥有的燃料储备来估计.根据热核反应提供恒星能源的理论,人们估算出银河系中最老恒星的年龄约为100—150亿年.
用上述两种完全不同的方法得到的天体年龄竞与“宇宙年龄”协调一致,这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持.
(2).轻元素的丰度
在大爆炸后一秒钟以前,宇宙不仅不可能存在星系、恒星,地球,甚至除氢核外也没有其他化学元素,只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙汤”.起初,中子和质子的数量几乎相等,随着温度的降低,两者的比例逐渐下降,在约3分钟时达到1:6左右.当温度降到10亿K时,中子和质子合成氘核的反应开始,类似氢弹爆炸时发生的聚变过程迅速把所有的中子合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中.由此不难算出,氦同氢的质量比应为1:4.
天文观测表明,无论宇宙的哪个角落,无论恒星还是星际物质中,氦与氢的比例均大体与此相符.同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素,尽管数量小的多,但它们的丰度（即与氢的比例）也具有类似的普适性.这对大爆炸模型无疑又是一个有力的支持.
(3).微波背景辐射
大爆炸模型的另一个重要遗迹是微波背景辐射.前面说过,大爆炸后最初几分钟,宇宙就像一个氢弹爆炸时产生的火球,处处充满了温度高达10亿k的光辐射.因为处于热平衡中,这种辐射强度随波长的分布服从普朗克分布（或称黑体谱）.随着宇宙的膨胀,辐射温度不断下降,但始终保持黑体谱形和总体均勾性.按伽莫夫等人的计算,作为这种过程的遗迹,目前的宇宙中应普遍存在温度约3k的背景黑体辐射.由于这辐射的峰值波长在1毫米附近,处于微波波段,故又称为微波背景辐射.令人遗憾的是,这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注.直到1964年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时,他们起初并不清楚自己发现的意义.后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息,才认识到这正是他们“踏破铁鞋无觅处”的宇宙背景辐射.为了最后“验明正身”,20多年来,全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模的调查,形势逐渐明朗.1989年,美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星,第一批测量数据表明：在从0.5毫米到5毫米的整个波段上,该辐射的谱分布与温度为2.735±0.06k的理想黑体完全相合；在扣除运动效应以后,天空不同方向的相对误差小于十万分之一.这就无容置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性.它是热大爆炸模型最令人信服的证据,这一发现在现代宇宙学史上的地位只有宇宙膨胀的发现可以与之相比.如果说,哈勃的发现打开了宇宙整体动力学演化研究的大门,那么彭齐亚斯和威尔逊的发现则打开了宇宙整体物理演化研究的大门.

美国物理学家George Gamow于1948年提出的宇宙诞生理论，这个随便一搜就能得到一大堆介绍……