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大爆炸
本詞條是多義詞，共5個義項
物理學(xué)理論模型
“大爆炸宇宙論”（The Big Bang Theory）是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，如同一次規(guī)模巨大的爆炸。
基本信息
| 中文名 | 大爆炸 |
| 外文名 | The universebig bang ；The Big Bang Theory |
| 時間 | 138.2億年前 |
| 形成 | 致密熾熱的奇點膨脹爆炸 |
| 理論創(chuàng)始人 |
簡介
產(chǎn)生原理
基本假設(shè)
這些觀點起初是作為先驗的公理被引入的，現(xiàn)今已有相關(guān)研究工作試圖對它們進行驗證。例如對第一個假設(shè)而言，已有實驗證實在宇宙誕生以來的絕大多數(shù)時間內(nèi)，精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的相對誤差值不會超過
。此外，通過對太陽系和雙星系統(tǒng)的觀測，廣義相對論已經(jīng)得到了非常精確的實驗驗證；而在更廣闊的宇宙學(xué)尺度上，大爆炸理論在多個方面經(jīng)驗性取得的成功也是對廣義相對論的有力支持。
假設(shè)從地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙學(xué)原理可以從一個更簡單的哥白尼原理中導(dǎo)出。哥白尼原理是指不存在一個受偏好的（或者說特別的）觀測者或觀測位置。根據(jù)對微波背景輻射的觀測，宇宙學(xué)原理已經(jīng)被證實在的量級上成立，而宇宙在大尺度上觀測到的均勻性則在10%的量級。
研究歷程
初始階段
許多人不知道的是，與大爆炸理論已經(jīng)成為常識的今天相比，在該理論剛剛提出之后的很長一段時間，世界科學(xué)界對其的態(tài)度是“嗤之以鼻”的。
這種奇怪的現(xiàn)象，是因為當時的科學(xué)界受進化論推翻“上帝創(chuàng)造論”的哲學(xué)思潮影響，盲目地反對傳統(tǒng)理論，不承認如《圣經(jīng)》所言，宇宙是有一個起點的。這一時期的西方科學(xué)界普遍堅持宇宙和物質(zhì)是恒定不變、無始無終的。因此對于所有涉及說宇宙和萬物都“有一個起點”的理論一概不予承認。包括像愛因斯坦這樣的大科學(xué)家也受其影響。愛因斯坦在總結(jié)引力場方程，發(fā)現(xiàn)這個
的公式將推導(dǎo)出宇宙其實是一個有著從未停止的物質(zhì)變化的動態(tài)宇宙，于是在該公式中又強加了一個“宇宙常數(shù)”，以維持靜態(tài)宇宙的計算結(jié)果。也就是說，最初的場方程其實是這樣的：
，其中常數(shù)“∧”為宇宙常數(shù)。
驗證階段
1929年，埃德溫·哈勃總結(jié)出了一個具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即：不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去，而近處的星系正在向我們靠近。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙處于一個密度無限的奇點。
聽聞此事的愛因斯坦很快來到哈勃工作的威爾遜天文臺，在哈勃的帶領(lǐng)下親自進行了紅移現(xiàn)象的觀測。訪問結(jié)束后，愛因斯坦公開承認了自己主觀意識影響科學(xué)結(jié)論的錯誤，并去掉了場方程中的宇宙常數(shù)，于是就有了我們今天所熟知的愛因斯坦場方程（Einstein Field Equation）。
爆炸簡史
大爆炸開始時：約150億年前，體積無限小，密度無限大，溫度無限高，時空曲率無限大的點，稱為奇點。空間和時間誕生于某種超時空——部分宇宙學(xué)家稱之為量子真空（假真空），其充滿著與海森堡不確定性原理相符的量子能量擾動。
大爆炸后
秒（普朗克時間）：約
度，宇宙從量子漲落背景出現(xiàn)，這個階段稱為普朗克時間。在此之前，宇宙的密度可能超過每立方厘米
克，超過質(zhì)子密度
倍，物理學(xué)上所有的力都是一種。（超對稱）在這個階段，宇宙已經(jīng)冷卻到引力可以分離出來，開始獨立存在，存在傳遞引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力（強、弱相互作用和電磁相互作用）仍為一體。
大爆炸[物理學(xué)理論模型]
大爆炸后
秒：約
度，粒子期，質(zhì)子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、電子、夸克以及膠子穩(wěn)定下來。宇宙變得足夠冷，電弱相互作用分解為電磁相互作用和弱相互作用。輕子家族（電子、中微子以及相應(yīng)的反粒子）需要等宇宙繼續(xù)冷卻
秒才能從與其他粒子的平衡相中分離出來。其中中微子一旦從物質(zhì)中退耦，將自由穿越空間，原則上可以探測到這些原初中微子。
大爆炸后0.01秒：約1000億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。
大爆炸后0.1秒后：約300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。
大爆炸后1秒后：約100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。
大爆炸后10秒后：約30億度，核時期，氫、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。當宇宙冷卻到
開爾文以下（約100秒后），粒子轉(zhuǎn)變不可能發(fā)生了。核合成計算指出，重子密度僅占拓撲平宇宙所需物質(zhì)的2%~5%，強烈暗示了其他物質(zhì)能量的形式（非重子暗物質(zhì)和暗能量）充滿了宇宙。
大爆炸后35分鐘后：約3億度，原初核合成過程停止，尚不能形成中性原子。
大爆炸后
秒（
年），溫度約為
開爾文，物質(zhì)期。在宇宙早期歷史中，光主宰著各能量形式。隨著宇宙膨脹，電磁輻射的波長被拉長，相應(yīng)光子能量也跟著減小。輻射能量密度與尺度（R）和體積（
）的乘積成反比例減小，即安
減小，而物質(zhì)的能量密度只是簡單地與體積成
反比例減小。一萬年后，物質(zhì)密度追上輻射密度且超越它，從那時起，宇宙和它的動力學(xué)開始為物質(zhì)所主導(dǎo)。
觀測事實
大爆炸理論的科學(xué)性令人不得不信服。最直接的證據(jù)來自對遙遠星系光線特征的研究。20年代，天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）研究了維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）所作的觀測。他注意到，遠星系的顏色比近星系的要稍紅些。哈勃仔細測量了這種紅化，并作了一張圖。他發(fā)現(xiàn)，這種紅化（紅移）是系統(tǒng)性的，星系離我們越遠，它就顯得越紅。
光的顏色與它的波長有關(guān)。在白光光譜中藍光位于短波端，紅光位于長波端。遙遠星系的紅化意味著它們的光波波長已稍微變長了。在仔細測定許多星系光譜中特征譜線的位置后，哈勃證實了這個效應(yīng)。他認為，光波變長是由于宇宙正在膨脹的結(jié)果。哈勃的這個重大發(fā)現(xiàn)就奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。
膨脹中宇宙的性質(zhì)使許多人困惑不解。從地球的角度來看，好像遙遠的星系都正飛快地遠離我們而去。但是，這并不意味著地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨脹圖像都是相同的。可以說每一點都是中心，又沒有一點是中心（解釋得最好的是一幅畫：三維空間的切割）。我們最好把它想象成星系間的空間在伸長或膨脹，而不是星系在空間中運動。這一點與我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降脑从谝稽c的爆炸不同。
空間可以伸長這一事實看上去似乎離奇古怪，不過這卻是1915年愛因斯坦廣義相對論發(fā)表以來科學(xué)家們早就熟知的概念。廣義相對論認為，引力實際上是空間（嚴格地說是時空）彎曲或變形的一種表現(xiàn)。從某種意義上來說空間是有彈性的，可以按某種方式彎曲或伸長，具體情況取決于物質(zhì)的排列。這個思想已為觀測所充分證實。
相關(guān)概念
膨脹空間
膨脹空間的基本概念可通過一項簡單的模擬來加以理解。想象在一條松緊帶上縫有一排紐扣。假定從松緊帶的兩端把它拉長，結(jié)果所有的紐扣都彼此遠離。不論我們選擇從哪個紐扣來看，它鄰側(cè)的紐扣似乎都在遠離，而且這種膨脹是處處相同的，不存在特殊的中心。當然，我們在畫這排紐扣時，它有一個中心紐扣，但這與系統(tǒng)的膨脹方式毫不相干。只要把這條帶紐扣的松緊帶無限加長，或環(huán)成一個圓圈，這個中心便不再存在了。
從任意一個紐扣來看，離它最近的[url紐扣以某種速度退行，再下一個紐扣則以兩倍數(shù)度退行，依此類推。在你看來，紐扣離得越遠，它退行得越快。因此這種膨脹意味著退行速度與距離成正比-這是一個極為重要的關(guān)系。借助這個圖像，我們就可想象出光波是，難怪哈勃發(fā)現(xiàn)，紅移量與距離成正比，同這個簡單的圖像模擬結(jié)果完全一致。
視界
大爆炸時空的一個重要特點就是視界的存在：由于宇宙具有有限的年齡，并且光具有有限的速度，從而可能存在某些過去的事件無法通過光向我們傳遞信息。從這一分析可知，存在這樣一個極限或稱為過去視界，只有在這個極限距離以內(nèi)的事件才有可能被觀測到。另一方面，由于空間在不斷膨脹，并且越遙遠的物體退行速度越大，從而導(dǎo)致從我們這里發(fā)出的光有可能永遠也無法到達那里。從這一分析可知，存在這樣一個極限或稱為未來視界，只有在這個極限距離以內(nèi)的事件才有可能被我們所影響。以上兩種視界的存在與否取決于描述我們宇宙的FLRW模型的具體形式：我們現(xiàn)有對極早期宇宙的認知意味著宇宙應(yīng)當存在一個過去視界，不過在實驗中我們的觀測仍然被早期宇宙對電磁波的不透明性所限制，這導(dǎo)致我們在過去視界因空間膨脹而退行的情形下依然無法通過電磁波觀測到更久遠的事件。另一方面，假如宇宙的膨脹一直加速下去，宇宙也會存在一個未來視界。
微波輻射
早在四十年代末，大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫認為，我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，其溫度約為6K。正如一個火爐雖然不再有火了，還可以冒一點熱氣。
1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師－彭齊亞斯和威爾遜，在調(diào)試他們那巨大的喇叭形天線時，出乎意料地接收到一種無線電干擾噪聲，各個方向上信號的強度都一樣，而且歷時數(shù)月而無變化。
難道是儀器本身有毛病嗎？或者是棲息在天線上的鴿子引起的？他們把天線拆開重新組裝，依然接收到那種無法解釋的噪聲。這種噪聲的波長在微波波段，對應(yīng)于有效溫度為3.5K的黑體輻射出的電磁波（它的譜與達到某種熱平衡態(tài)的熔爐內(nèi)的發(fā)光情況精確相符，這種輻射就是物理學(xué)家說熟知的"黑體輻射"）。他們分析后認為，這種噪聲肯定不是來自人造衛(wèi)星，也不可能來自太陽、銀河系或某個河外星系射電源，因為在轉(zhuǎn)動天線時，噪聲強度始終不變。
后來，經(jīng)過進一步測量和計算。得出輻射溫度是2.7K，一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)，使許多從事大爆炸宇宙論研究的科學(xué)家們獲得了極大的鼓舞。因為彭齊亞斯和威爾遜等人的觀測竟與理論預(yù)言的溫度如此接近，正是對宇宙大爆炸論的一個非常有力的支持！這是繼1929年哈勃發(fā)現(xiàn)星系譜線紅移后的又一個重大的天文發(fā)現(xiàn)。
宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為觀測宇宙開辟了一個新領(lǐng)域，也為各種宇宙模型提供了一個新的觀測約束，它因此被列為20世紀60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一。彭齊亞斯和威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。瑞典科學(xué)院在頒獎決定中指出：這一發(fā)現(xiàn)，使我們能夠獲得很久以前宇宙創(chuàng)生時期所發(fā)生的宇宙過程的信息。
氦豐度
最后還有一個證實熾熱高密度宇宙起源理論的證據(jù)。只要知道今天熱輻射的溫度，由熱大爆炸理論很容易計算出宇宙誕生后約1秒時各處的溫度約為100億度，這對現(xiàn)有的原子核的合成來說也是太高了。那時物質(zhì)必定被撕裂成最基本的成分，形成一鍋夸克膠子湯，諸如質(zhì)子、中子和電子。但是，隨著這鍋湯變冷，核反應(yīng)就可能出現(xiàn)了。
采用大爆炸模型可以計算氦-4、氦-3、氘和鋰-7等輕元素相對普通氫元素在宇宙中所占含量的比例。所有這些輕元素的豐度都取決于一個參數(shù)，即早期宇宙中光子與重子的比例，而這個參數(shù)的計算與微波背景輻射漲落的具體細節(jié)無關(guān)。大爆炸理論所推測的輕元素比例（這里是元素的總質(zhì)量之比而非數(shù)量之比）大約為：
，
，
，
。
實際測量到的各種輕元素豐度和從光子重子比例推算出的理論值加以比較，可以發(fā)現(xiàn)它們是粗略符合的。其中理論值和測量值符合最好的是氘元素，氦-4的理論值和測量值接近但仍有差別，鋰-7則是差了兩倍，對于后兩種元素的測算存在著較大的系統(tǒng)隨機誤差。盡管如此，大爆炸核合成理論所預(yù)言的輕元素豐度與實際觀測可以認為是基本符合，這是對大爆炸理論的強有力支持。到目前為止，還沒有其它理論能夠很好地解釋并給出這些輕元素的相對豐度。同時，由大爆炸理論所預(yù)言的宇宙，其中可被“調(diào)控”的氦元素含量也不可能超出或低于現(xiàn)有豐度的20%至30%。事實上，很多觀測結(jié)果現(xiàn)今也只有大爆炸理論可以解釋，例如為什么早期宇宙中氦的豐度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3，而且比例又是常數(shù)等。
主要證據(jù)
原初引力波是愛因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對論中提出的，它是宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時空波動，隨著宇宙的演化而被削弱。科學(xué)家說，原初引力波如同創(chuàng)世紀大爆炸的“余響”，將可以幫助人們追溯到宇宙創(chuàng)生之初的一段極其短暫的急劇膨脹時期，即所謂“暴漲”。
然而，廣義相對論提出近百年來，源于它的其他重要預(yù)言如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應(yīng)等都被一一被證實，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在于其信號極其微弱，技術(shù)上很難測量。
美國哈佛-史密森天體物理學(xué)中心等機構(gòu)物理學(xué)家利用架設(shè)在南極的BICEP2望遠鏡，觀測宇宙大爆炸的“余燼”—微波背景輻射。微波背景輻射是由彌漫在宇宙空間中的微波背景光子形成的，計算表明，原初引力波作用到微波背景光子，會產(chǎn)生一種叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的擾動，都產(chǎn)生不了這種B模式偏振，因此B模式偏振成為原初引力波的“獨特印記”。觀測到B模式偏振即意味著引力波的存在。
南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。研究人員在這里發(fā)現(xiàn)了比“預(yù)想中強烈得多”的B模式偏振信號，隨后經(jīng)過3年多分析，排除了其他可能的來源，確認它就是原初引力波導(dǎo)致的。
2016年年初，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）和歐洲引力波天文臺（VIRGO）的科學(xué)家聯(lián)合宣布，他們探測到了兩個約為30倍太陽質(zhì)量的黑洞在13億年前的并合產(chǎn)生的引力波，這一發(fā)現(xiàn)被稱為“世紀發(fā)現(xiàn)”。
理論獲獎
美國人索爾·珀爾馬特和亞當·里斯以及持有美國和澳大利亞雙重國籍的布賴恩·施密特獲得2011年度諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾物理學(xué)獎評審委員會4日評價，這3名獲獎?wù)摺把芯繋资w處于爆炸狀態(tài)的恒星即‘超新星’，發(fā)現(xiàn)宇宙正在擴張過程中，擴張速率不斷加速”。在瑞典首都斯德哥爾摩瑞典科學(xué)院內(nèi)，諾貝爾物理學(xué)獎當?shù)貢r間11時45分（北京時間17時45分）揭曉。
珀爾馬特、里斯和施密特的研究對象，是一些大質(zhì)量恒星在演化后期伴隨星核與星殼分離出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，即超級規(guī)模大爆炸。質(zhì)量相當于太陽的8至25倍的恒星以超新星爆發(fā)方式結(jié)束“生命”，而恒星外側(cè)氣體包則高速拋離，所顯現(xiàn)的絕對光度可超過太陽光度100億倍。分析特定類型的超新星爆發(fā)，珀爾馬特、里斯和施密特所屬的研究小組發(fā)現(xiàn)，超過50顆超新星所顯現(xiàn)的光度比先前預(yù)期暗淡。對這一結(jié)果的解釋，是宇宙正在加速擴張。這個發(fā)現(xiàn)，被瑞典皇家科學(xué)院稱為“震動了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)”。諾貝爾物理學(xué)獎評審委員會認定，3名獲獎?wù)咚@研究結(jié)果改變了人類對宇宙的認識。“將近一個世紀，一種公認看法是，宇宙正在擴張，是大約140億年前‘大爆炸’的結(jié)果。”評審委員會說。“不過，發(fā)現(xiàn)宇宙擴張正在加速，令人驚異。”評審委員會介紹說，“如果擴張繼續(xù)加速，宇宙將以冰凍狀態(tài)終結(jié)。”另外，3人的研究，確認了最初由科學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出的一種理論，即他稱之為“宇宙學(xué)常數(shù)”的理論。1998年，珀爾馬特主持一個研究小組，施密特則主持成員包括里斯的另一個研究小組。兩個小組各自努力，相互“競爭”，而觀測結(jié)果可謂“不約而同”。評審委員會宣布，獎金1000萬瑞典克朗（約合146萬美元），珀爾馬特獲二分之一，施密特和里斯獲另外二分之一。
現(xiàn)存問題
對于大爆炸后最初的幾分鐘，相關(guān)的觀測嚴重缺乏，最早期宇宙物質(zhì)——能量的實際形式很大程度上仍只是猜測。大一統(tǒng)理論預(yù)測了特定類型的粒子（如難以捉摸的磁單極子），而超弦、超對稱、超引力以及其他多維理論都預(yù)測了各自原初粒子及作用力。
其他主要問題都與暗物質(zhì)和暗能量的產(chǎn)生和本質(zhì)有關(guān)（通常認為量子真空是二者的主要提供方）。
現(xiàn)代爭論
美國的的科學(xué)家在2014年9月28日用數(shù)學(xué)的方法證明了“黑洞是不存在的”。
據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)站報道，美國北卡羅來納州大學(xué)教堂山分校的理論物理學(xué)家勞拉·梅爾西尼·霍頓在在線物理學(xué)知識庫ArXiv發(fā)表文章稱，她已經(jīng)用數(shù)學(xué)證明了“黑洞是不存在的”。一旦她的觀點被科學(xué)界論證是正確之后，現(xiàn)代物理學(xué)對于宇宙的起源學(xué)說將可能被全部推翻。
報道指出，勞拉的理論使用了數(shù)學(xué)方法，將萬有引力理論和量子力學(xué)理論和諧地融合在了一起：得出的結(jié)論就是人們“黑洞并不存在”。她和霍金都認為當恒星死亡坍塌時，會釋放出霍金提出的輻射。在這個過程中，星球自身也將流失一大部分的質(zhì)量，最終，死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。
如果這條理論被證實是正確的，大爆炸理論可能會因此而被推翻，甚至于現(xiàn)代物理學(xué)對于宇宙的起源學(xué)說可能將被全部推翻，亦或是融合萬有引力理論和量子力學(xué)理論的新理論中設(shè)定“黑洞不存在”。
哥本哈根大學(xué)研究人員揭示宇宙大爆炸
參考資料
[1]
普朗克衛(wèi)星修正宇宙年齡：138.2億年 · 果殼網(wǎng)[引用日期2016-04-24]
[2]
哥本哈根大學(xué)研究人員揭示宇宙大爆炸第一微秒內(nèi)發(fā)生的新細節(jié)_等離子體 · 搜狐[引用日期2021-06-02]
大爆炸相關(guān)的文章
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
