大爆炸理论

第一节　大爆炸理论

宇宙并不是一成不变的，而是在不断变大。倘若我们沿着宇宙历史的长河溯源而上，就会发现，今天的宇宙是从某个更小、更密的状态演变而来的，也就是说，宇宙应该有一个开端。

一、大爆炸理论简述

根据大爆炸理论，宇宙是由一个致密致热的奇点膨胀到现在的状态的大爆炸（BigBang）理论是天体物理学关于宇宙起源的理论，由美籍俄罗斯裔物理学家和天文学家伽莫夫于1946年在比利时天文学家勒迈特的“宇宙蛋”理论的基础上提出的。根据大爆炸理论，大约在137亿年前，宇宙是由一个密度和能量极大且温度极高的奇点爆炸产生的，此后不断膨胀。爆炸产生的辐射如同气球内部的气体，别无他处可逃。气球内部的气体随着气球的膨胀其密度不断减小；宇宙中的辐射也随着宇宙的膨胀，其辐射密度不断变小，对应的温度也逐渐下降。在爆炸初始，宇宙中充斥着高能光子，由于这些高能光子的存在，致使当时的宇宙空间内没有原子（因为电子即使被原子核抓到也会很快被高能光子打跑）。随着宇宙的膨胀，高能光子变成了低能光子，于是原子、分子和天体相继产生。地球、空气、水和生命就在这个不断膨胀的时空里逐渐形成了。

20世纪初，科学家斯莱弗和沃茨证实了大多数旋涡星云正在远离地球，不过当时他们并没有因此联想到这对宇宙学意味着什么，也没有意识到他们观测到的星云其实正是银河系外的其他星系，但是他们的实验观测为之后大爆炸理论的提出提供了大量的实测基础。

宇宙奇景

爱因斯坦也利用其理论对大爆炸理论的形成起到了推动作用，他通过自己建立的广义相对论推导出了没有稳定态宇宙的结论，并且通过度量张量的计算得出，宇宙不是膨胀的就是收缩的。但是，面对这样的计算结果，爱因斯坦认为是自己解错了，于是加入了一个宇宙常数来进行修正。而苏联地球物理学家弗里德曼拒绝使用宇宙常数，他将广义相对论真正运用到了宇宙学中，用他的方程得出，宇宙在不断膨胀。1927年，比利时人勒迈特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，这就是之后大爆炸理论的理论基础。

二、广义相对论

广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论是将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立起来的。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率），而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量、动量及张量直接相关，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程。

爱因斯坦的引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程组，数学上想要求得这样一个方程的解是非常困难的。爱因斯坦运用了很多近似方法，从引力场方程得出了很多最初的预言。

爱因斯坦解释广义相对论的手稿

同年，德国天体物理学家史瓦西得到了引力场方程的第一个非平庸精确解——史瓦西度规，这个解是研究星体引力坍缩的最终阶段——黑洞的理论基础。

又是在同一年，将史瓦西几何扩展到带有电荷的质量的研究工作也开始进行，其最终结果就是推导出了雷斯勒—诺斯特朗姆度规，对应的是带电荷的静态黑洞。1917年，爱因斯坦将广义相对论理论应用于整个宇宙，开创了相对论宇宙学的研究领域。为求得和当时的观测相符合的结论，爱因斯坦在他的引力场方程中添加了一个新的常数，该常数被称做宇宙常数项。这一宇宙常数项的引入使其与之后的观测与研究相违背，爱因斯坦后来也承认，添加宇宙常数项是他一生中犯下的最大错误。

在那个时代，广义相对论与其他物理理论相比仍带着一丝神秘感，但它和狭义相对论相融，并能够解释很多牛顿引力理论无法解释的现象，使其显示出了自身特有的魅力。1915年，爱因斯坦利用广义相对论解释了水星轨道的反常近日点进动的现象，其过程没有引入任何附加参数。除此之外，由英国著名学者爱丁顿爵士率领的探险队在非洲的普林西比岛观测日全食时，发现光线在太阳引力场中的偏折角度和广义相对论的预言完全相符（是牛顿引力理论所预言的偏折角的2倍）。这一发现随后被全球报纸竞相报道，一时间，爱因斯坦的广义相对论名声赫赫。但是直到1960～1975年，广义相对论才真正进入了理论物理和天体物理主流研究的视野，这一时期被称做广义相对论的黄金时代。

爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用，它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出；提出了光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像；预言了引力波的存在，并已被间接观测所证实，而直接观测则已成为当今世界引力波观测计划的目标。在太阳系内能够进行的更精确的广义相对论的实验验证，进一步展示了广义相对论非凡的预言能力，而相对论宇宙学的预言也同样经受住了实验观测的考验。广义相对论已成为现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。

三、大爆炸理论的四大支柱

大爆炸理论最早也最直接的观测证据包括从星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度，而今大尺度结构和星系演化又成为了新的支持证据，这四种观测证据被视为大爆炸理论的四大支柱。

英国“2微米红移巡天”项目获取的3D宇宙地图

（一）哈勃定律和宇宙膨胀

通过对遥远星系和类星体的观测发现，这些天体存在红移现象，即从这些天体发出的电磁波波长会变长，通常被认为是多普勒效应所致。所谓多普勒效应，是由奥地利物理学家多普勒于1842年首先发现的。该效应指出，当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源发出的频率并不相同。例如，当火车向我们急驶而来的时候，鸣笛声会变得尖细（即频率变高，波长变短），而当火车离我们而去的时候，鸣笛声会变得低沉（即频率变低，波长变长），这就是多普勒效应产生的现象。1929年，在哈勃和美国天文学家修默生近10年的观测后确定，遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去，同时，显示由红移算出的退行速度随着它们与地球的距离增大而成正比地增大，这就是哈勃定律。

υ＝H₀D

式中：

v——星系或其他遥远天体的退行速度；

D——地球与远去的天体的距离；

H₀——哈勃常数，根据WMAP（“威尔金森”微波各向异性探测器）最近的测量结果为71±4千米／（秒·百万秒差距）。

哈勃定律说明，一个天体发射的光所显示的红移越大，该天体的距离越远，它的退行速度也越大。根据哈勃定律，我们可以绘制出两种可能的宇宙图景：（1）我们正处于空间膨胀的正中央，从而所有的星系都在离我们而去——这与哥白尼原理相违背，哥白尼原理认为地球相对大尺度宇宙来说绝非宇宙的中心。（2）宇宙的膨胀是各处都相同的。天文学上观测到的高度均匀分布且各向同性的红移，以及其他很多观测证据，都支持着宇宙在各个方向上看起来都相同这一宇宙学原理。在宇宙学研究中，哈勃定律成为了宇宙膨胀理论的基础，而宇宙膨胀理论后来成为建立大爆炸理论的基石。

2000年，人们通过测量宇宙微波背景辐射对遥远天体系统的动力学所产生的影响，证实了哥白尼原理。在宇宙形成的早期，来自大爆炸的微波背景辐射温度要显著高于当今的辐射余温，而几十亿年来微波背景辐射均匀降温的事实只能解释为宇宙空间正在进行着度规膨胀，并排除了我们处于接近一个特殊的爆炸中心位置的可能性。

用近红外拍摄到的天空全景图，显示了银河系以外星系在宇宙中的分布

（二）宇宙微波背景辐射的细致测量

微波背景辐射即宇宙微波背景辐射，是来自于宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，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。

1965年，美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊架设了一架喇叭形状的天线进行巡天扫描，他们在检测天线的噪声性能时发现，在波长为7．35厘米的地方一直有一个各向同性的神秘信号存在，既不随日夜变化，也不随四季变化，因而可以判定与地球的公转和自转均无关。起初，他们怀疑这个神秘信号来自天线系统本身，后来经过重新检查，他们清除了飞鸟、污物，降低了线路温度，并使线路尽量均匀，想尽一切办法，然而噪声仍然存在。于是他们在《天体物理学报》上以“在4080兆赫上额外天线温度的测量”为题发表论文正式宣布了这个发现，但无法给出科学的解释。其后不久，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，对这个发现给出解释，他们认为这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。这个黑体辐射对应着3开的温度，结合对其波长的观测，推断出他们的背景辐射温度约为2．7开。

宇宙背景辐射的发现，在近代天文学上具有非常重要的意义，它给了大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际分子并称为20世纪60年代天文学“四大发现”，彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年度的诺贝尔物理学奖，并受到天文学界的推崇。

（三）轻物质丰度（原始物质丰度）

同位素在自然界中的丰度，又称天然存在比，指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。丰度的大小一般以百分数表示，人造同位素的丰度为零。

在大爆炸后的几分钟内，宇宙的温度和密度与爆炸中的氢弹类似。不仅如此，和爆炸的氢弹一样，早期宇宙也在忙于将氢核聚变成更重的氘核、氦核以及锂核。采用大爆炸模型可以计算氦4、氦3、氘和锂7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占的含量。所有这些轻元素的丰度都取决于一个参数，即早期宇宙中辐射（光子）与物质（重子）的比例，而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关。大爆炸理论所推测的轻元素比例（注意：这里是元素的总质量之比而非数量之比）大致如下：氦4∶氢＝0．25，氘∶氢＝10^－3，氦3∶氢＝10^－4，锂7∶氢＝10^－7。

将实际测量到的各种轻元素丰度和从光子、重子比例推算出的理论值相比较，可以发现至少是粗略符合的。其中理论值和测量值符合最好的是氘元素，氦4的理论值和测量值接近但仍有差别，锂7则是差了2倍。尽管如此，可以认为大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度与实际观测基本符合，这是对大爆炸理论的强有力支持。因为到目前为止还没有第二种理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度，而从大爆炸理论所预言的宇宙中可被“调控”的氦元素含量也不可能超出或低于现有丰度的20%～30%。

（四）星系演变和分布

对星系和类星体的分类和分布的详细观测，也为大爆炸理论提供了强有力的支持证据。理论和观测结果共同显示，最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后10亿年，从那以后更大的结构如星系团和超星系团开始形成。由于恒星族群不断衰老和演化，我们所观测到的距离遥远的星系和那些距离较近的星系非常不同。此外，即使距离上相近，相对较晚形成的星系也和那些在大爆炸之后较早形成的星系存在较大差异。这些观测结果都和宇宙的稳恒态理论不相符合，而对恒星形成、星系和类星体分布以及大尺度结构的观测，则通过大爆炸理论与宇宙结构形成的计算模拟结果符合得很好，从而使大爆炸理论的细节更趋完善。