大霹靂 -宇宙學模型

大霹靂

大霹靂是描述宇宙誕生初始條件及其後續演化的宇宙學模型,這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學家通常所指的大霹靂觀點為:宇宙是在過去有限的時間之前,由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的(根據2010年所得到的最佳觀測結果,這些初始狀態大約存在于133億年至139億年前),並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。。

  • 中文名稱
    大霹靂
  • 外文名稱
    The big bang
  • 用途
    宇宙誕生初始條件及其後續演化
  • 採用
    英國天文學家弗雷德·霍伊爾
  • 依據
    宇宙微波背景輻射
  • 倡導者
    霍伊爾

大霹靂模型

(圖)大霹靂(圖)大霹靂

幽默的“宇宙之始”代號——α,β,γ

1948年美國物理學家伽莫夫(George Gamow, 1904~1968)、阿爾法、貝特等人發揮了勒梅特的思想,把宇宙的膨脹于物質的演化聯系起來,提出了“大霹靂宇宙模型”。因為它能較多他說明現時所觀測到的事實,所以成為目前影響最大的宇宙學說。由于伽莫夫、阿爾法、貝特三人的姓恰好是希臘字母的 ,因而被後人幽默的代表宇宙之始。

大霹靂模型圖1大霹靂模型圖1

宇宙大霹靂的描述

1、 大霹靂——∞K——量子漲落

2、 普朗克時間——10^32 K——GUT大統一/第一次對稱破缺

3、 10^-35秒——10^28 K——暴脹、弱電統一、誇克-反誇克主導時期

4、 10^-10秒——10^15 K——輕子形成

5、 0.01秒——10^11K——重子形成

6、 0.1秒——3×10^10K——中子衰變

7、 1秒——10^10K——質子/中子被強核力束縛形成氘核

8、 13.8秒——3×10^9K——氫核聚變成其它重原子核

9、 3分鍾——10^9K——物質和輻射耦合在一起

10、300000年——3000K——電子和核束縛在一起,物質和輻射去耦

11、10億年——3000K——恆星形成

12、100億年——10K——原子連結形成有機分子

大霹靂模型圖2大霹靂模型圖2 大霹靂模型圖3大霹靂模型圖3 大霹靂模型圖4大霹靂模型圖4 大霹靂模型圖6大霹靂模型圖6

13、120億年——3K——生命形成

14、120年~150億年——2.7K——生物進化

15、10^18年——10^-7K——黑洞-霍金輻射主導時期

16、10^24年~10^32年——10^-15K——質子衰變

17、10^100年——0K——黑洞衰變/熱寂

伽莫夫和他的支持者預言,大霹靂中所產生的輻射在遙遠的宇宙空間裏必定仍然存在,大約相當于10K左右。後來3K宇宙背景輻射的發現給了人們很大的鼓舞,因為它使爆炸宇宙模型的這個預言成為真實。當然,大霹靂宇宙模型也同樣存在著許多尚待解決的疑難,它終究還隻是一種假說

大霹靂理論的證據

(1).宇宙的年齡

如果星系目前正在彼此遠離,那它們過去必定靠得更近,也就是說,較早時代的宇宙,物質密度會更高。繼續這一推理就意味著過去必定存在一個時刻,那時宇宙中的物質處于極其高密的狀態。按照哈勃定律將星系的距離除以各自的速度,就可估計出那一時刻距今約100—200億年。這段時間對所有星系來說是共同的,事實上它就是哈勃常數的倒數。那一時刻通常被稱為“大霹靂”時刻,也就是我們宇宙的開端。如果這一推論不錯,那麽宇宙中一切天體的年齡都不應超出這個“宇宙年齡”所界定的上限。

借助盧瑟福所開創的利用物質中放射性同位素含量測定其形成年代的方法,人們測量了地球上最古老的岩石、“阿波羅11號宇航員從月球上帶回的岩石以及從行星際空間掉到地球上的隕石樣本,發現它們的年齡均不超過47億年。

恆星的年齡可以從它們的發光功率和擁有的燃料儲備來估計。根據熱核反應提供恆星能源的理論,人們估算出銀河系中最老恆星的年齡約為100—150億年。

用上述兩種完全不同的方法得到的天體年齡競與“宇宙年齡”協調一致,這對大霹靂宇宙模型當然是十分有力的支持。

(2).輕元素的豐度

在大霹靂後一秒鍾以前,宇宙不僅不可能存在星系、恆星,地球,甚至除氫核外也沒有其他化學元素,隻有處于熱平衡狀態下的由質子中子電子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙湯”。起初,中子和質子的數量幾乎相等,隨著溫度的降低,兩者的比例逐漸下降,在約3分鍾時達到1:6左右。當溫度降到10億K時,中子和質子合成氘核的反應開始,類似氫彈爆炸時發生的聚變過程迅速把所有的中子合成到由兩個質子和兩個中子構成的氦核中。由此不難算出,氦同氫的質量比應為1:4。

天文觀測表明,無論宇宙的哪個角落,無論恆星還是星際物質中,氦與氫的比例均大體與此相符。同一時期合成的氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素,盡管數量小的多,但它們的豐度(即與氫的比例)也具有類似的普適性。這對大霹靂模型無疑又是一個有力的支持。

(3).微波背景輻射

大霹靂模型的另一個重要遺跡是微波背景輻射。前面說過,大霹靂後最初幾分鍾,宇宙就像一個氫彈爆炸時產生的火球,處處充滿了溫度高達10億k的光輻射。因為處于熱平衡中,這種輻射強度隨波長的分布服從普朗克分布(或稱黑體譜)。隨著宇宙的膨脹,輻射溫度不斷下降,但始終保持黑體譜形和整體均勾性。按伽莫夫等人的計算,作為這種過程的遺跡,目前的宇宙中應普遍存在溫度約3k的背景黑體輻射。由于這輻射的峰值波長在1毫米附近,處于微波波段,故又稱為微波背景輻射。令人遺憾的是,這一重要預言在提出後的10多年中竟未引起人們的認真關註。直到1964年,美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架衛星通訊天線在7.35釐米波長處探測到一種來自宇宙空間的強度與方向無關的信號時,他們起初並不清楚自己發現的意義。後來普林斯頓大學的皮伯斯等得知這一訊息,才認識到這正是他們“踏破鐵鞋無覓處”的宇宙背景輻射。為了最後“驗明正身”,20多年來,全世界天文學家對這種輻射的譜分布和方向進行了大規模的調查,情勢逐漸明朗。1989年,美國宇航局專門為此發射了宇宙背景探測者衛星,第一批測量資料表明:在從0.5毫米到5毫米的整個波段上,該輻射的譜分布與溫度為2.735±0.06k的理想黑體完全相合;在扣除運動效應以後,天空不同方向的相對誤差小于十萬分之一。這就無容置疑地證明了微波背景輻射的黑體性和普適性。它是熱大霹靂模型最令人信服的證據,這一發現在現代宇宙學史上的地位隻有宇宙膨脹的發現可以與之相比。如果說,哈勃的發現開啟了宇宙整體動力學演化研究的大門,那麽彭齊亞斯和威爾遜的發現則開啟了宇宙整體物理演化研究的大門。

(big-bang cosmology)現代宇宙系中最有影響的一種學說,又稱大霹靂宇宙學。與其他宇宙模型相比,它能說明較多的觀測事實。它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裏,宇宙體系並不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規模巨大的爆發。根據大霹靂宇宙學的觀點,大霹靂的整個過程是:在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上。物質密度也相當大,整個宇宙體系達到平衡。宇宙間隻有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質。但是因為整個體系在不斷膨脹,結果溫度很快下降。當溫度降到10億度左右時,中子開始失去自由存在的條件,它要麽發生衰變,要麽與質子結合成重氫、氦等元素;化學元素就是從這一時期開始形成的。溫度進一步下降到100萬度後,早期形成化學元素的過程結束(見元素合成理論)。宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當溫度降到幾千度時,輻射減退,宇宙間主要是氣態物質,氣體逐漸凝聚成氣雲,再進一步形成各種各樣的恆星體系,成為我們今天看到的宇宙。大霹靂模型能統一地說明以下幾個觀測事實:(1)大霹靂理論主張所有恆星都是在溫度下降後產生的,因而任何天體的年齡都應比自溫度下降至今天這一段時間為短,即應小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。(2)觀測到河外天體有系統性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應來解釋,那麽紅移就是宇宙膨脹的反映。(3)在各種不同天體上,氦豐度相當大,而且大都是30%。用恆星核反應機製不足以說明為什麽有如此多的氦。而根據大霹靂理論,早期溫度很高,產生氦的效率也很高,則可以說明這一事實。(4)根據宇宙膨脹速度以及氦豐度等,可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。大霹靂理論的創始人之一伽莫夫曾預言,今天的宇宙已經很冷,隻有絕對溫度幾度。1965年,果然在微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射,溫度約為3K。

最新研究成果

研究過程

中國安徽宣城溪口農民李六四自發、自費研究地震十七年(截至2010年),他認為:“地震是由地幔中核變的及時效應造成的。煤炭是石油演變產生的,石油是天然氣演變產生的。溶洞是因為液體受熱轉化成氣體,其膨脹壓力造成的,地球生物是在早期地球的液態有機矽中誕生並進化而來的,宇宙大霹靂理論存在誤區。”其理論學說為《地球熱核演變說》。 他的學說有可能成為後人了解地球、地震等的理論基礎。但是,由于條件、知識的局限某些內容尚在研究、完善中。

主要內容

宇宙中各天體在朝向宇宙中心的引力作用下,以遠遠超越光速的速度加速向宇宙中心進發,宇宙是收縮的,但是,由于是加速運動,對于某個天體而言,其前方的天體的速度更快,其後方的天體的速度更慢,所以如果人站在任何一個天體上觀察其它天體,就會發現絕大多數天體是遠離自己的運動,這就很容易產生“宇宙膨脹理論”的錯誤感覺,而大霹靂理論是建立在宇宙膨脹的理論基礎上的,所以宇宙大霹靂理論自然也就不攻自破了。

宇宙的未來

暗能量被觀測之前,宇宙論研究人員在宇宙的未來,有兩個劇本。宇宙的能量密度大于臨界密度時,宇宙是最大的,此後開始收縮。它是伴隨著宇宙再次成為高密度、高溫,宇宙開始的時候一樣狀態中結束。又或者,宇宙的密度等于臨界密度更小。那時,膨脹減速的東西將永不停止。宇宙的密度下降隨著星形成。宇宙的平均溫度在絕對零度下逐漸靠近,同時,質量巨大的黑洞也比蒸發。這是熱死或低溫死而聞名的劇本。另外,發生崩潰的話,現在的宇宙的重子物質的大佔多數的氫氣將會崩潰。這樣最終隻剩下放射性。

目前的加速膨脹的觀測結果中,現在看到的宇宙隨著時間我們的地平線上越來越遠超過去,我們關系會被暗示。最終結果會怎麽樣,不知道。Λ- CDM宇宙模型是宇宙常數的形式暗能量。這個理論是銀河等重力的束縛的關系被隻被保留,宇宙膨脹根據冷低溫死還是暗示走去。幽靈能源論被稱為不同的暗能量的解釋是,暗能量的密度隨著時間的增加,這被稱為大唇永遠加速膨脹而銀河團和星系本身也會被拆散。

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