宇宙大爆炸理論
大爆炸理論（Big Bang）是天體物理學(xué)關(guān)于宇宙起源的理論。根據(jù)大爆炸理論，宇宙是在大約140億年前由一個(gè)密度極大且溫度極高的狀態(tài)演變而來(lái)的。本理論產(chǎn)生于觀測(cè)到的哈勃定律下星系遠(yuǎn)離的速度，同時(shí)根據(jù)廣義相對(duì)論的弗里德曼模型，宇宙空間可能膨脹。延伸到過(guò)去，這些觀測(cè)結(jié)果顯示宇宙是從一個(gè)起始狀態(tài)膨脹而來(lái)。在這個(gè)起始狀態(tài)中，宇宙的物質(zhì)和能量的溫度和密度極高。至于在此之前發(fā)生了什么，廣義相對(duì)論認(rèn)為有一個(gè)引力奇點(diǎn)，但物理學(xué)家對(duì)此意見并不統(tǒng)一。
大爆炸一詞在狹義上是指宇宙形成最初一段時(shí)間所經(jīng)歷的劇烈變化，這段時(shí)間通過(guò)計(jì)算大概在距今137億（1.37 × 10^10）年前；但在廣義上指當(dāng)今流行的揭示宇宙起源和膨脹的理論。這一理論的直接推論是我們今天所處的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同。根據(jù)這一理論，喬治·伽莫夫在1948年預(yù)測(cè)了宇宙微波背景輻射的存在。1960年代，這一輻射被探測(cè)到，有力地支持了大爆炸理論，從而否定了另一個(gè)比較流行的穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論。
[編輯本段]發(fā)展歷史
大爆炸理論是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論推導(dǎo)發(fā)展的，在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，1910年代，維斯特·斯里弗爾（Vesto Slipher）和卡爾·韋海姆·懷茲（Carl Wilhelm Wirtz）證實(shí)了大多數(shù)旋渦星系正在退離地球，不過(guò)他們并沒(méi)有因此聯(lián)想到這對(duì)宇宙學(xué)意味著什么，也不認(rèn)為發(fā)現(xiàn)的星云其實(shí)是銀河系外的其他星系。同時(shí)在理論上，愛因斯坦的廣義相對(duì)論成功建立并推出沒(méi)有穩(wěn)定態(tài)宇宙。通過(guò)度量張量描述的宇宙不是膨脹就是收縮，愛因斯坦認(rèn)為他自己解錯(cuò)了，并加入了一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)來(lái)進(jìn)行改正。第一個(gè)不使用宇宙學(xué)常數(shù)，而真正認(rèn)真將廣義相對(duì)論運(yùn)用到宇宙學(xué)中的是亞歷山大·弗里德曼，他的方程所描述的宇宙稱為Friedmann-Lema?tre-Robertson-Walker宇宙，時(shí)間是1922年。1927年，比利時(shí)天主教牧師勒梅特獨(dú)立推導(dǎo)出Friedmann-Lema?tre-Robertson-Walker方程，并在螺旋星云后退現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出了宇宙是從一個(gè)“初級(jí)原子”“爆炸”而來(lái)的—這就是后來(lái)所謂的大爆炸。
1929年，埃德溫·哈勃為勒梅特的理論提供了實(shí)驗(yàn)條件。哈勃證明這些旋渦星云其實(shí)是星系，并通過(guò)觀測(cè)造父變星測(cè)算出了他們的距離。他發(fā)現(xiàn)，星系遠(yuǎn)離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比，這就是所謂霍伊爾的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。在穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型里，新物質(zhì)在星系遠(yuǎn)離留下的空間中不斷產(chǎn)生，從而宇宙基本不變化。其實(shí)這個(gè)理論的名稱是出于霍伊爾的諷刺，他在1949年通過(guò)BBC廣播節(jié)目形式傳播的，論文《物質(zhì)的特性》（The Nature of Things）發(fā)表于1950年。
之后的許多年，這兩種理論并立，但觀測(cè)事實(shí)開始支持一個(gè)演變于熱密狀態(tài)的宇宙。1965年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)為大爆炸理論是宇宙起源和演變最好的理論。1970年以前，很多宇宙學(xué)家認(rèn)為宇宙可能在膨脹以前先收縮，這樣可以避免從弗里德曼模型推出一個(gè)無(wú)限致密的“荒謬”的奇點(diǎn)。比較有代表性的是Richard Tolman的脈動(dòng)宇宙模型（oscillating universe）。1960年代末，史蒂芬·霍金等人證明這個(gè)假設(shè)行不通，因?yàn)槠娈慄c(diǎn)是愛因斯坦引力理論的直接和重要推論。之后大多數(shù)宇宙物理學(xué)家開始接受廣義相對(duì)論所描述的宇宙在時(shí)間上是有限的。但是，由于對(duì)于量子引力規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)，現(xiàn)在還不能斷定這個(gè)奇異點(diǎn)到底是真正集合意義上的無(wú)限小點(diǎn)，還是物理收縮過(guò)程可以無(wú)限進(jìn)行下去，從而間接達(dá)到宇宙在時(shí)間上無(wú)限。
現(xiàn)在宇宙物理學(xué)的幾乎所有研究都與宇宙大爆炸理論有關(guān)，或者是它的延伸，或者是進(jìn)一步解釋，例如大爆炸理論下星系如何產(chǎn)生，大爆炸時(shí)發(fā)生的物理過(guò)程，以及用大爆炸理論解釋新觀測(cè)結(jié)果等。90年代后期和21世紀(jì)初，由于望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展和人造探測(cè)器收集到大量數(shù)據(jù)，大爆炸理論又有了新的巨大突破。大爆炸時(shí)期宇宙的情況和數(shù)據(jù)可以計(jì)算得更加精確，并產(chǎn)生了很多意想不到的結(jié)果，比如宇宙的膨脹在加速。
宇宙大爆炸(Big Bang)僅僅是一種學(xué)說(shuō)，是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想。
大爆炸理論誕生于20世紀(jì)20年代，在40年代得到補(bǔ)充和發(fā)展，但一直寂寂無(wú)聞。直到50年代，人們才開始廣泛注意這個(gè)理論。
宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)主要流派，它能較滿意地解釋宇宙學(xué)的一些根本問(wèn)題。宇宙大爆炸理論雖然在20世紀(jì)40年代才提出，但20年代以來(lái)就有了萌芽。20年代時(shí)，若干天文學(xué)者均觀測(cè)到，許多河外星系的光譜線與地球上同種元素的譜線相比，都有波長(zhǎng)變化，即紅移現(xiàn)象。
到了1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)出星系譜線紅移星與星系同地球之間的距離成正比的規(guī)律。他在理論中指出：如果認(rèn)為譜線紅移是多普勒效果的結(jié)果，則意味著河外星系都在離開我們向遠(yuǎn)方退行，而且距離越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越快。這正是一幅宇宙膨脹的圖像。
40年代美國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理論。該理論認(rèn)為，宇宙在遙遠(yuǎn)的過(guò)去曾處于一種極度高溫和極大密度的狀態(tài)，這種狀態(tài)被形象地稱為“原始火球”。以后，火球爆炸，宇宙就開始膨脹，物質(zhì)密度逐漸變稀，溫度也逐漸降低，直到今天的狀態(tài)。這個(gè)理論能自然地說(shuō)明河外天體的譜線紅移現(xiàn)象，也能圓滿地解釋許多天體物理學(xué)問(wèn)題。1964年美國(guó)人彭齊亞斯和威爾遜又發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸理論的新的有力證據(jù)。
該理論作為一門發(fā)展中的理論，雖然得到了絕大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)同，但仍有一些解釋不了的問(wèn)題，需要進(jìn)一步完善其理論體系。
附：
大約在50億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質(zhì)開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。大爆炸的整個(gè)過(guò)程是復(fù)雜的，現(xiàn)在只能從理論研究的基礎(chǔ)上描繪過(guò)去遠(yuǎn)古的宇宙發(fā)展史。在這150億年中先后誕生了星系團(tuán)、星系、我們的銀河系、恒星、太陽(yáng)系、行星、衛(wèi)星等?，F(xiàn)在我們看見的和看不見的一切天體和宇宙物質(zhì)，形成了當(dāng)今的宇宙形態(tài)，人類就是在這一宇宙演變中誕生的。
人們是怎樣能推測(cè)出曾經(jīng)可能有過(guò)宇宙大爆炸呢？這就要依賴天文學(xué)的觀測(cè)和研究。我們的太陽(yáng)只是銀河系中的一兩千億個(gè)恒星中的一個(gè)。像我們銀河系同類的恒星系 —— 河外星系還有千千萬(wàn)萬(wàn)。從觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了那些遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們而去，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，飛奔的速度越快，因而形成了膨脹的宇宙。
對(duì)此，人們開始反思，如果把這些向四面八方遠(yuǎn)離中的星系運(yùn)動(dòng)倒過(guò)來(lái)看，它們可能當(dāng)初是從同一源頭發(fā)射出去的，是不是在宇宙之初發(fā)生過(guò)一次難以想像的宇宙大爆炸呢？后來(lái)又觀測(cè)到了充滿宇宙的微波背景輻射，就是說(shuō)大約在150億年前宇宙大爆炸所產(chǎn)生的余波雖然是微弱的但確實(shí)存在。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)宇宙大爆炸是個(gè)有力的支持。
宇宙大爆炸的觀點(diǎn):
1932年勒梅特首次提出了現(xiàn)代宇宙大爆炸理論：整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)“原始原子”中，后來(lái)發(fā)生了大爆炸，碎片向四面八方散開，形成了我們的宇宙。美籍俄國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫第一次將廣義相對(duì)論融入到宇宙理論中，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型：宇宙開始于高溫、高密度的原始物質(zhì)，最初的溫度超過(guò)幾十億度，隨著溫度的繼續(xù)下降，宇宙開始膨脹。
1965年，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射，后來(lái)他們證實(shí)宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時(shí)留下的遺跡，從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據(jù)。他們也因此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
20世紀(jì)科學(xué)的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現(xiàn)。他對(duì)于宇宙起源后10-43秒以來(lái)的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋.
宇宙的起源：最初是比原子還要小的奇點(diǎn)，然后是大爆炸，通過(guò)大爆炸的能量形成了一些基本粒子，這些粒子在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì)。至此，大爆炸宇宙模型成為最有說(shuō)服力的宇宙圖景理論。然而，至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實(shí)驗(yàn)的支持，而且我們尚不知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景。
宇宙大爆炸理論:大爆炸理論
大爆炸理論是關(guān)于宇宙形成的最有影響的一種學(xué)說(shuō)，英文說(shuō)法為Big Bang，也稱為大爆炸宇宙論。大爆炸理論誕生于20世紀(jì)20年代，在40年代得到補(bǔ)充和發(fā)展，但一直寂寂無(wú)聞。直到50年代，人們才開始廣泛注意這個(gè)理論。
大爆炸理論的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過(guò)程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點(diǎn)，大爆炸的整個(gè)過(guò)程是：在宇宙的早期，溫度極高，在100億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大，整個(gè)宇宙體系達(dá)到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。但是因?yàn)檎麄€(gè)體系在不斷膨脹，結(jié)果溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時(shí)，中子開始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素；化學(xué)元素就是從這一時(shí)期開始形成的。溫度進(jìn)一步下降到100萬(wàn)度后，早期形成化學(xué)元素的過(guò)程結(jié)束（見元素合成理論）。宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度降到幾千度時(shí)，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐漸凝聚成氣云，再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系，成為我們今天看到的宇宙。
大爆炸模型能統(tǒng)一地說(shuō)明以下幾個(gè)觀測(cè)事實(shí)：
a）理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時(shí)間為短，即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測(cè)量證明了這一點(diǎn)。
b）觀測(cè)到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋，那么紅移就是宇宙膨脹的反映。
c）在各種不同天體上，氦豐度相當(dāng)大，而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機(jī)制不足以說(shuō)明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高，則可以說(shuō)明這一事實(shí)。
d）根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計(jì)算宇宙每一歷史時(shí)期的溫度。
按照大爆炸理論，宇宙是150億年前從一個(gè)極小的點(diǎn)誕生的，從那里誕生了時(shí)間和空間、質(zhì)量和能量，從而由物質(zhì)小微粒聚集成大團(tuán)的物質(zhì)，最終形成星系、恒星和行星等。在大爆炸發(fā)生前，宇宙中沒(méi)有物質(zhì)，沒(méi)有能量，甚至沒(méi)有生命。
但是，大爆炸理論無(wú)法回答現(xiàn)在的宇宙在大爆炸發(fā)生之前到底是什么樣，或者說(shuō)發(fā)生這次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理論，宇宙沒(méi)有開端。它只是一個(gè)循環(huán)不斷的過(guò)程，從大爆炸到黑洞的周而復(fù)始，便是宇宙創(chuàng)生與毀滅并再創(chuàng)生的過(guò)程。
這只是一個(gè)設(shè)想，并不是一個(gè)完美的理論。
大爆炸理論雖然并不成熟，但是仍然是主流的宇宙形成理論的關(guān)鍵就在于目前有一些證據(jù)支持大爆炸理論，比較傳統(tǒng)的證據(jù)如下所示：
a）紅位移
從地球的任何方向看去，遙遠(yuǎn)的星系都在離開我們而去，故可以推出宇宙在膨脹，且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離的速度越快。
b）哈勃定律
哈勃定律就是一個(gè)關(guān)于星系之間相互遠(yuǎn)離速度和距離的確定的關(guān)系式。仍然是說(shuō)明宇宙的運(yùn)動(dòng)和膨脹。
V＝H×D
其中，V（Km/sec）是遠(yuǎn)離速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常數(shù)，為50；D（Mpc）是星系距離。1Mpc＝3.26百萬(wàn)光年。
c）氫與氦的豐存度
由模型預(yù)測(cè)出氫占25％，氦占75％，已經(jīng)由試驗(yàn)證實(shí)。
d）微量元素的豐存度
對(duì)這些微量元素，在模型中所推測(cè)的豐存度與實(shí)測(cè)的相同。
e）3K的宇宙背景輻射
根據(jù)大爆炸學(xué)說(shuō)，宇宙因膨脹而冷卻，現(xiàn)今的宇宙中仍然應(yīng)該存在當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的輻射余燼，1965年，3K的背景輻射被測(cè)得。
f）背景輻射的微量不均勻
證明宇宙最初的狀態(tài)并不均勻，所以才有現(xiàn)在的宇宙和現(xiàn)在星系和星團(tuán)的產(chǎn)生。
g）宇宙大爆炸理論的新證據(jù)
在2000年12月份的英國(guó)《自然》雜志上，科學(xué)家們稱他們又發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)，可以用來(lái)證實(shí)宇宙大爆炸理論。
長(zhǎng)期以來(lái)，一直有一種理論認(rèn)為宇宙最初是一個(gè)質(zhì)量極大，體積極小，溫度極高的點(diǎn)，然后這個(gè)點(diǎn)發(fā)生了爆炸，隨著體積的膨脹，溫度不斷降低。至今，宇宙中還有大爆炸初期殘留的稱為“宇宙背景輻射”的宇宙射線。
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