宇宙是在爆炸中诞生的吗

宇宙是在爆炸中诞生的吗

宇宙大爆炸理论是对宇宙起源及其诞生全过程的一种近乎完美的假说。根据宇宙大爆炸的理论只能推断出宇宙是没有开端的，它是一个从大爆炸到黑洞的周而复始的不断循环过程。

宇宙大爆炸模型

时至今日，宇宙学已成为建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学，而不是深奥玄妙的抽象哲学思辨。宇宙是从何而来的呢？人们对宇宙的起源提出了几种假说，其中比较有影响的是“大爆炸理论”和“稳态理论”。比较而言，最著名的是“宇宙大爆炸理论”，它是一种比较有说服力的关于宇宙起源的理论。

假若宇宙一直在不断膨胀，那可以合理地设想它在以前应该比现在小，而且可以推测出在很久以前的某一时候它是由一个极密的物质核开始的。1922年，苏联数学家A.A.弗里德曼首先指出这种设想的可能性。弗里德曼提出这一可能性时，他完全是从理论出发进行研究的，因为那时哈勃还没有提出退行星系的证据。遗憾的是3年后，年仅37岁的A.A.弗里德曼死于伤寒，他的成果鲜为人知。

宇宙大爆炸的瞬间

1927年，比利时数学家勒梅特再次提出这一理论。他认为宇宙最初的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里，经过一次无与伦比的大爆炸后“宇宙蛋”分裂成无数碎片，最后形成了今天宇宙的雏形。

大爆炸理论提出者勒梅特

勒梅特的成果同样没有受到人们注意，直到一位更有名望的英国物理学家爱丁顿提出这一成果，才引起了科学家们的普遍关注。1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人才真正普及了这个宇宙起源于爆炸的观念，并详细勾画出宇宙诞生的全过程。从此，大爆炸理论就流传开了。

我们通常称宇宙大爆炸时出现的原点为宇宙的时间原点和空间原点。宇宙刚刚诞生时，不仅密度极大而且温度也非常高。后来宇宙中的温度随着宇宙的迅速膨胀而急速下降。最初的1秒钟过后，宇宙的温度降到约100亿度。就在这短短的1秒之内原始宇宙产生了各种粒子、辐射光子、射线等物质。今天，宇宙的“各向同性，各向均匀”的基本特性正是由这些物质确定的。除了这些物质外，宇宙中还充满了正物质和反物质，他们的微粒在空间内相互融合、吸引，由少变多、由小变大形成越来越大的团块，并逐渐演化成各种星系、恒星和行星。各种金属原子核则在爆炸之后的1—3分钟内形成，而在3分钟—1万年间整个宇宙因为物质粒子逐渐取代光子而进入物质时代，这样宇宙空间中充满了原始物质团。10亿年后，宇宙物质尘埃大量云集凝结成星系。可以说，宇宙星系是在大约190亿年前开始形成的。又过了20亿年，第一代恒星开始形成。重元素因为恒星内部激烈的热核反应而开始出现，整个过程大概需要100亿年。

俄裔美籍物理学家伽莫夫

宇宙大爆炸

“大爆炸”一词在狭义上是指宇宙形成最初一段时间所经历的剧烈变化，这段时间通过计算大概在距今137亿年前；但在广义上指当今流行的揭示宇宙起源和膨胀的理论。这种理论认为在原始混沌状态下逐渐形成了一块具有超密度的物质，这种物质聚集在“宇宙原点”的极小空间里，经过很长一段时间的酝酿，在一种力的作用下，空间内产生了激烈的大爆炸，所有被炸开的物质便向着四面八方飞散开去。大爆炸发生在约200亿年前，那时的原始宇宙是混沌不清的，原始宇宙集中于一个体积无限小的点。这个点爆炸了，时空从这一刻开始形成，物质和能量也由此产生了，宇宙由此诞生。

50亿年前，太阳、地球和各大行星开始形成，整个太阳系的结构也在此时形成。随着时空的推移，生命从无到有、由少变多、由小变大、从简单到复杂，最终进化出能思考宇宙来自何方的人类。30亿年前，地球上开始出现了微观生命体；4亿年前，陆地上出现动物并开始繁衍后代，海洋中出现贝类；2亿年前，哺乳动物出现；0.5亿年—0.6亿年前，最早的灵长类动物出现；数百万年前，类人动物出现，接着原始人类诞生了；数十万年前，人类开始学会使用“火”，并制造简单石器工具，智力迅速进步；数万年前，人类走上文明之路，开始学会结绳记事；一万年到数千年前，文明出现，人类开始了农业耕作，了解天文地理，观察天象；公元20世纪初，人类文明逐渐向高级阶段进化；20世纪60年代，人类开始探索宇宙，实现了登月球计划并开始开发宇宙。

宇宙大爆炸理论是对宇宙的起源及其诞生的全过程的一种假说。但是，我们所处的宇宙在发生大爆炸之前到底是什么样子？这次大爆炸发生的原因是什么呢？对于这些问题，大爆炸理论始终无法给出很好的回答。

第一次工业革命

按照宇宙大爆炸的理论，我们只能推断出宇宙是没有开端的，它不断经历着创生与毁灭并再创生，是一个从大爆炸到黑洞的周而复始不断循环过程。“大爆炸”理论只是一个假设，虽然它对我们认识宇宙有很重要的意义，但关于宇宙的起源诞生问题，如此完美的宇宙大爆炸理论还无法满足人类探究的欲望，科学家们一直在努力寻找更加强有力的宇宙起源理论。

欧洲核子研究中心用来模拟“宇宙大爆炸”的大型强子对撞机

宇宙大爆炸示意图

质能守恒定律

一般来说，大爆炸宇宙学理论有三个观测基础：星系红移为基础的哈勃膨胀、宇宙微波背景的细致测量、轻物质丰度。另外，观测到的宇宙大尺度结构的相关函数符合标准的大爆炸理论。这其中，以宇宙微波背景辐射最为著名。至今，宇宙中还残留有大爆炸初期的被称为“宇宙微波背景辐射”的宇宙射线。宇宙背景辐射与类星体、脉冲星、星际有机分子一起，并称为20世纪60年代天文学的“四大发现”。

1934年，宇宙学家理查德·托尔曼通过实验，偶然地发现了在宇宙辐射温

“稳态理论”

稳态质会理在论存认在为，的新星物系之间的膨胀空间中产生出来。几个世纪以来，很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化。宇宙不需要一个开端或结束，即使是发现宇宙正在膨胀之后这种想法也没有被放弃。20世纪40年代后期，托马斯·戈尔德，赫尔曼·邦迪及弗雷德·霍伊尔提出，物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生速度正好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。稳态理论的优点是它的明确性，即非常肯定地说明了宇宙应该是什么样子。也正因如此，它很容易遭受观测事实的质疑和反驳，成为一种受到普遍怀疑的宇宙学理论。宇宙背景辐射被发现以后，这一理论基本上已被否定。

宇宙背景辐射的三个重要的探测器和探测的结果

宇宙大爆炸残余物

微波背景辐射

微波来背自景于辐宇射宙是空间背景上的各向同性的微波辐射，即宇宙微波背景辐射，又称3K背景辐射，它是一种充满整个宇宙的电磁辐射。由于这种辐射来源于宇宙的各个方向，又有着近乎同样的频率和强度，所以宇宙学家相信它们是由宇宙大爆炸遗留下来的，是创世遗迹。

阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊

度的演化中，温度会随着时间的演化而发生改变，光子的频率也会随着时间的演化而有所不同。如果把这两个要素放在一起考虑时，即频率和温度的函数，这两者间的变化就会相互抵消掉，于是，黑体辐射的形式就被保留了下来。托尔曼也由此成为了第一个研究有关宇宙背景辐射的人。

1948年，由物理学家伽莫夫带领的团队也开始了对宇宙微波背景辐射的探测，他们估算出，如果宇宙最初的温度约为10亿度，会残留有约5-10K的黑体辐射。然而这个发现并没有引起足够的重视。

到了1964年，苏联的泽尔多维奇、英国的霍伊尔和泰勒、美国的皮伯斯等人通过研究预言，宇宙中应当残留有背景辐射，并且在厘米波段上可以观测到。这一推测重新引起了学术界对背景辐射的重视。同时，美国的狄克、劳尔、威尔金森等人也开始着手制造一种低噪声的天线用以探测这种理论上应该存在的辐射，然而，美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊无意中先于他们发现了背景辐射。

1964年的一天，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在贝尔实验室里做实验时发现在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的奇怪信号存在，它既没有周日的变化，也没有季节的变化，由此也可以认定这个信号与地球的公转和自转无关。后来，经过重新检测，之前发现的噪声仍然存在。针对这一奇怪现象，他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表了一篇论文，正式宣布了这个发现，但仍然无法对其进行科学的解释。随后，狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个发现给出了正确的解释，认为这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。这个黑体辐射对应到一个3K（开尔文温标）的温度。之后，结合对其他波长的观测，推断出他们的背景辐射温度约为2.7K。彭齐亚斯和威尔逊因为发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖，并受到了天文学界的推崇。

宇宙大爆炸理论在其发展的过程中产生了一些疑点和问题，其中有些随着观测和理论的不断完善得到了解决，从而成为了历史；但也有一些问题至今没有圆满解决，诸如环形尖点问题、冷暗物质的矮星系问题等。但支持者认为这些问题并不是大爆炸理论的致命问题，通过大爆炸理论的进一步发展可以得到解决。