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宇宙大爆炸


?一、宇宙模型 ?二、宇宙的诞生与未来 ?三、大爆炸宇宙论 ?四、大爆炸宇宙论的两个证据 ?五、宇宙的形成进程 ?六、宇宙图片

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基于“宇宙是膨胀的”这个由观测事实得到的论点,人们建立了宇 宙的三种不同模型。 第一种是稳定态模型,认为宇宙一直在以不变的速率膨胀,新的物 质不断产生,某一空间总是

有同量的物质。 第二种是大爆炸模型,认为宇宙起源于一次大爆炸,以后各星系会 无限膨胀,宇宙的全部元素供应都在爆炸的头半个小时内产生齐备, 再不会有新的物质产生。 第三种是脉动模型,认为宇宙的所有物质都从一团原先压紧的物 质飞离, 速度逐渐缓慢下来,最终停止不动,而后开始在各部的引力 互拉影响下发生收缩,物质凝聚到最后再度发生爆炸。在这些过程 中,物质既没有产生,也没有毁灭,只是重新编排、互换位置。 3种宇宙模型共存,人们为此激辩了许多年,到了50年代后期,大爆 炸模型渐趋上风 , 到1965年,更有观测证据有力地支持大爆炸模型, 从此,大爆炸模型被广泛地接受了。

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大爆炸模型认为,最初的宇宙是连10-25 厘米也未充满的超高温、 高密度的“一 点”。大约180亿年前,这“一点”突然爆 炸了,仅用10-36秒,伴随着真空相转移的 过冷却现象, “一点”做了瞬间几十个数量 级的膨胀,成为一厘米规模的宇宙。其后 宇宙继续膨胀, 温度从几十亿摄氏度开始 下降,大约在5500万摄氏度时,由降温过 程的能量,生成中子、 质子它们又合民原 子核,这些过程仅有3分钟。约30万年后当 宇宙的温度下降到3000摄氏度时,自由电 子被原子核捕捉形成原子。在随后的大约 3000万年中那些原子继续外冲 ,宇宙也继 续冷却,到宇宙温度降至绝对零度之上167 度时,原子开始化合形成稀薄气体。此后 因密度波动、 引力作用、部分收缩,向新 的天体进化。再经过100多亿年,显示出多 种多样的物质形态, 成了今天的宇宙。

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大爆炸理论告诉了人们宇宙是怎样诞生的,但 并未说明宇宙将怎样死亡或是否会死亡。对这个 问题,人类现在还未得到确切的答案。 人们认为,宇宙的未来取决于宇宙的几何模型, 即宇宙是开放的还是闭合的?回答这个问题,要以 爱因斯坦的狭义相对论──时空理论和广义相对 论──引力理论为基础。狭义相对论发现了高速 运动能使时间、长度和质量发生奇怪的畸变;广 义相对论指出空间是弯曲的。运用爱因斯坦的理 论,可以找出一种能够确定宇宙弯曲与否的观测方 法。这种方法所根据的原理是:宇宙业己膨胀,必 然会自行制动,因为各星系间相互引力一定会发生 使各星系彼此分离的飞行缓慢下来的作用。制动 效应的测量方法在于过去的膨胀速度。 如果过去 的膨胀速度比现在的膨胀速度大的多,那就表示宇 宙的行动己被制住了很多, 它的曲率是正的象一 个球体表面。如果制动只有一点点,它的曲率可能 是零,象普通欧几里得(平直)空间。 如果完全没 有制动,它的曲率就是负的,象西部马鞍的表面。 到现在为止,人们对暗淡而迅速后退的星系所 做的多次探测, 显示出宇宙大概是正弯曲的。这 就是说宇宙无边然而是有限的,它可能往四面八方 无限远地伸展, 而质量并非无穷。人类对宇宙未 来的认识仅仅如此。 但人类己知地球所属的太阳 系及银河系是无法永存的。五六十亿年之后,太阳 将膨胀成大火球, 那时人类的后代只有移民到银 河系中别的星系的一行星上才会得以续存。当银 河系大大小小的恒星都黯然无光之时,人类将怎么 办呢? 当然人类不能无动于衷。 当然,大爆炸理论认为今天的宇宙仍在继续膨胀。

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这张珍贵的照片是美国宇航局科学家通过 威尔金森各向异性微波探测器经过一年时 间的观测获得的结果。照片中包含了许多 令人震惊的信息,为支持宇宙大爆炸和宇 宙膨胀理论提供了新的依据,同时为揭开 暗能量之谜指引了道路。据有关人士估计, 这项成果是近几年宇宙研究中最重大的发 现之一。 宇宙是如何形成的?关于这个课题迄今有 多种说法,其中,宇宙大爆炸模型有较多 的观测成果来支持,又被称为“标准宇宙 模型”。这一模型是俄裔美籍科学家伽莫 夫在1948年提出的,认为现在观测到的宇 宙开始于最初的一次大爆炸。大爆炸使物 质四散飞出,宇宙空间不断膨胀,温度随 之下降,化学元素开始形成。宇宙间的物 质包括质子光子电子和较轻的原子核相继 出现,宇宙中的星系、恒星、行星乃至生 命都是在这种不断膨胀和冷却的过程中形 成的。作为这次大爆炸的遗迹和证据之一 的便是宇宙微波背景辐射

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早在1929年,埃德温· 哈勃作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。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,当时宇宙无限紧密。 1950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,从一开时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,甚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。

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从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来,通过几十年的努力,宇宙学家们为我 们勾画出这样一部宇宙历史: 大爆炸开始时 150-200亿年前,极小体积,极高密度,极高温度。 大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。 大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10万亿度,质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 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 300亿度,中子质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 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13.8秒后 30亿度,氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度,核过程停止,尚不能形成中性原子。 大爆炸后30万年后 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。

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一、宇宙背景輻射 若果宇宙早期溫度真的很高,物質便應放射大量輻射,情況就如一塊碳燒熱 時發光一樣。這些由原始火球發出的光充斥著整個宇宙,並遺留至今天,我 們稱之為「宇宙背景輻射」。它們的波長,隨著宇宙的膨脹而被拉長了約一 千倍,到今天主要只剩下微波波段。事實上,即使普通的電視天線,亦可以 接收一小部份這些差不多完全均勻分佈的宇宙微波背景輻射,成為畫面上 「雪花」的一小部份。這可能有點匪夷所思吧?家中的電視竟然可以接收一 百數十億年前宇宙發出的訊號!無論如何,宇宙微波背景輻射的存在加上宇 宙膨脹,很明確地告許我們,宇宙曾經很熱,與大爆炸理論相符。微波背景 輻射的強度其實亦不是完全均勻,而是在天空不同位置有些微的差異。它們 的強弱分佈,或稱為不均勻性是源於原始火球的輕微振動。從這些振動,我 們可以推算出早期宇宙的總質量等物理性質。近幾年來宇宙論觀測的很多突 破,都由宇宙微波輻射不均勻性的觀測而得到。而皮布爾斯教授則是宇宙微 波輻射不均勻性研究的先驅。

宇宙微波背景輻射在全天空的強弱分佈。圖中紅及黃色部份代表微波輻射稍強 於平均,而藍色部份則稍弱。宇宙微波背景輻射的不均勻性反映出原始火球的 輕微振動。數據由Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 衛星量得

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二、宇宙中輕元素的比例 自然界各種物質都由原子(atoms)組成,而原子內部則有原子核(atomic nucleus)及外圍的電子(electrons)。原子核很細小,由帶正電荷的質子 (protons)及不帶電荷的中子(neutrons)結合而成。不同數目的質子及中子 組成不同的元素,例如,氫(Hydrogen)原子核只有一顆質子,而氦 (Helium)原子核則有中子及質子各兩顆。由於宇宙早期溫度太高,粒子 即使曾經聚合,亦很快瓦解,所以早期的宇宙物質只是一大堆熾熱的質 子、中子及電子。隨著宇宙膨脹,原始火球的溫度下降,質子和中子才 開始結合成氘(Deuterium)、氦等輕元素的原子核,這過程稱為「大爆炸 核合成」(Big Bang Nucleosynthesis)。不過,原始火球冷卻得很快,在短 促的時間內製造出最輕的幾種元素後,核合成便停止了。皮布爾斯教授 根據宇宙膨脹的速度推算出原始火球溫度及密度的變化,從而計算核合 成的速率及各種輕元素的比例。他的計算結果與觀測結果大致脗合,又 一次證明大爆炸理論的正確。

宇宙时 0 1秒 1分 1周

时代 奇点 轻子时期 辐射时代

事件 大爆炸 电子--正电子对湮灭 氦和氚的核合成 辐射热化

从现在往以前计时 200亿年前 200亿年前 200亿年前 200亿年前

1万年 10~20亿年

物质时期

宇宙变成物质为主 星系开始形成

200亿年前 180~190亿年前

第一代恒星形成

159亿年前

41亿年
我们的太阳系的母星 际云形成 48亿年前

152亿年

154亿年 161亿年 170亿年 太古代

太阳系行星形 成 最老的地球岩 石形成 地球上的微生 物形成

46亿年前 39亿年前 30亿年前

180亿年
190亿年 198亿年 198.5亿年 200亿年

元古代
古生代

地球上富氧大 气发展
地球上宏观生 命形成 地球上爬行动 物出现

20亿年前
10亿年前 2亿年前 1.5亿年前 200万年前

新生代

地球上出现恐 龙 地球上出现人 类


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