宇宙大霹靂 -理論構想

宇宙大霹靂

宇宙大霹靂(Big Bang),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年所得到的最佳的觀測結果,這些初始狀態大約存在于133億年至139億年前),並經過不斷的膨脹與繁衍到達今天的狀態。

  • 中文名稱
    宇宙大霹靂
  • 外文名稱
    The big bang
  • 時間
    約137億年前
  • 提出者
    伽莫夫

基本介紹

宇宙大霹靂,簡稱大爆炸(英文:Big Bang),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年所得到的最佳的觀測結果,這些初始狀態大約存在發生于133億年至139億年前),並經過不斷的膨脹與繁衍到達今天的狀態。

起源

比利時牧師、物理學家喬治·勒梅特首先提出了關于宇宙起源(The Beginning of the Universe)的大霹靂理論(The Big Bang Theory),但他本人將其稱作“原生原子的假說”。這一模型的架構基于了愛因斯坦的廣義相對論,並在場方程的求解上作出了一定的簡化(例如空間的均一和各向同性)。描述這一模型的場方程由蘇聯物理學家亞歷山大·弗裏德曼于1922年將廣義相對論套用在流體上給出。1929年,美國物理學家埃德溫·哈勃通過觀測發現從地球到達遙遠星系(galaxy)的距離正比于這些星系的紅移(redshift),這一膨脹宇宙的觀點也在1927年被勒梅特在理論上通過求解弗裏德曼方程而提出,這個解後來被稱作弗裏德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規。哈勃的觀測表明,所有遙遠的星系和星團在視線速度上都在遠離我們這一觀察點,並且距離越遠退行視速度越大。如果當前星系和星團間彼此的距離在不斷增大,則說明它們在過去的距離曾經很近。從這一觀點物理學家進一步推測:在過去宇宙曾經處于一個極高密度且極高溫度的狀態,在類似條件下大型粒子加速器上所進行的實驗結果則有力地支持了這一理論。

宇宙大霹靂

然而,由于當前技術原因粒子加速器所能達到的高能範圍還十分有限,因而到目前為止,還沒有證據能夠直接或間接描述膨脹初始的極短時間內的宇宙狀態。從而,大霹靂理論還無法對宇宙的初始狀態作出任何描述和解釋,事實上它所能描述並解釋的是初始狀態之後宇宙的演化圖景。當前所觀測到的宇宙中輕元素的豐度,和理論所預言的宇宙早期快速膨脹並冷卻過程中最初的幾分鍾內,通過核反應所形成的這些元素的理論豐度值非常接近,定性並定量描述宇宙早期形成的輕元素的豐度的理論被稱作太初核合成。

意義

大霹靂一詞首先是由英國天文學家弗雷德·霍伊爾(Sir Fred Hoyle)所採用的。霍伊爾是與大霹靂對立的宇宙學模型——穩恆態理論(Steady State Theory)的倡導者,他在1949年3月BBC的一次廣播節目中將勒梅特等人的理論稱作“這個大霹靂的觀點”。雖然有很多通俗軼事記錄霍伊爾這樣講是出于諷刺,但霍伊爾本人明確否認了這一點,他聲稱這隻是為了著重說明這兩個模型的顯著不同之處。霍伊爾後來為恆星核合成的研究作出了重要貢獻,這是恆星內部通過核反應從輕元素製造出某些重元素的途徑。1964年宇宙微波背景輻射的發現是支持大霹靂確實曾經發生的重要證據,特別是當測得其頻譜從而繪製出它的黑體輻射曲線之後,大多數科學家都開始相信大霹靂理論了。

發展歷程

大霹靂理論是通過對宇宙結構的實驗觀測和理論推導發展而來的。在實驗觀測方面,1912年維斯托·斯裏弗爾(Vesto Slipher)首次測量了一個“旋渦星雲”(“旋渦星雲”是當時對旋渦星系的舊稱法)的多普勒頻移,其後他和卡爾·韋海姆·懷茲(Carl Wilhelm Wirtz)證實了絕大多數類似的星雲都在退離地球。不過斯裏弗爾並沒有因此聯想到這個觀測結果對宇宙學的意義,這也是由于在當時,人們就這些“星雲”是否是我們的銀河系之外的“島宇宙”這一問題存在著高度爭議。

在理論研究方面,1917年愛因斯坦將廣義相對論理論套用到整個宇宙,發表了標志著物理宇宙學建立的論文《根據廣義相對論對宇宙學所做的考察》。然而從廣義相對論出發建立的宇宙模型不是靜態的,這和當時相信靜態宇宙的主流觀點並不符合,愛因斯坦為此在場方程中加入了一個宇宙學常數來進行修正。1922年,蘇聯宇宙學家、數學家亞歷山大·弗裏德曼假設了宇宙在大尺度上的均勻和各向同性,利用引力場方程推導出描述空間上均一且各向同性的弗裏德曼方程,並且在這一組方程中宇宙學常數是可以消掉的。通過選取合適的狀態方程,從弗裏德曼方程得到的宇宙模型是在膨脹的。

1924年,埃德溫·哈勃對最近的“旋渦星雲”距地球的距離進行了測量,其結果證實了它們在銀河系之外,本質是其他的星系。1927年,比利時物理學家、天主教牧師喬治·勒梅特在不了解弗裏德曼工作的情況下獨立提出了星雲後退現象的原因是宇宙的膨脹。1931年勒梅特進一步指出,宇宙正在進行的膨脹意味著它在時間反演上會發生坍縮,這種情形會一直發生下去直到它不能再坍縮為止,此時宇宙中的所有質量都會集中到一個幾何尺寸很小的“原生原子”上,時間和空間的結構就是從這個“原生原子”產生的。

宇宙大霹靂-內部結構模型圖宇宙大霹靂-內部結構模型圖

1924年起,哈勃為勒梅特的理論提供了實驗條件:他在威爾遜山天文台利用口徑250釐米的胡克望遠鏡費心建造了一系列天文距離指示儀,這是宇宙距離尺度的前身。這些儀器使他能夠通過觀測星系的紅移量來推測星系到地球的距離。他在1929年發現,星系遠離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比,這就是所謂哈勃定律。而勒梅特在理論推測,根據宇宙學原理當觀測足夠大的空間時,沒有特殊方向和特殊點,因此哈勃定律說明宇宙在膨脹。

二十世紀三十年代,還出現了一些嘗試解釋哈勃所觀測到現象的非主流宇宙模型,例如米爾恩宇宙、振蕩宇宙(最早由弗裏德曼提出,後來的主要推廣者是阿爾伯特·愛因斯坦和理查德·托爾曼)、弗裏茨·茲威基的衰減光子假說。

第二次世界大戰以後,宇宙膨脹的觀點引出了兩種互相對立的可能理論:一種理論是由勒梅特提出,喬治·伽莫夫支持和完善的大霹靂理論。伽莫夫提出了太初核合成理論,而他的同事拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼則理論上預言了宇宙微波背景輻射的存在。另一種理論則是英國天文學家弗雷德·霍伊爾等人提出的穩恆態宇宙模型。在穩恆態宇宙模型裏,新物質在星系遠離留下的空間中不斷產生,從而宇宙在任何時候看上去都基本不變化。具有諷刺意味的是,大霹靂理論的名稱卻是來自霍伊爾提到勒梅特的理論時所用的稱呼,他在1949年3月的一期BBC廣播節目《物質的特徵》(The Nature of Things)中將勒梅特等人的理論稱作“這個大霹靂的觀點”。之後的許多年,這兩種理論並立,但射電源計數等一系列觀測證據使天平逐漸向大霹靂理論傾斜。

1965年,宇宙微波背景輻射的發現和確認更使絕大多數物理學家都相信:大霹靂是能描述宇宙起源和演化最好的理論。現在宇宙物理學的幾乎所有研究都與宇宙大霹靂理論有關,或者是它的延伸,或者是進一步解釋,例如大霹靂理論的架構下星系如何產生,早期和極早期宇宙的物理定律,以及用大霹靂理論解釋新觀測結果等。

二十世紀九十年代後期和二十一世紀初,望遠鏡技術的重大發展和如宇宙背景探測者(COBE)、哈勃太空望遠鏡(HST)和威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)等空間探測器收集到的大量資料使大霹靂理論又有了新的大突破。宇宙學家從而可以更為精確地測量大霹靂模型中的各種參數,並從中發現了很多意想不到的結果,比如宇宙的膨脹正在加速。

觀測證據

大霹靂理論最早也最直接的觀測證據包括從星系紅移觀測到的哈勃膨脹、對宇宙微波背景輻射的精細測量、宇宙間輕元素的豐度(參見太初核合成),而今大尺度結構和星系演化也成為了新的支持證據。這四種觀測證據有時被稱作“大霹靂理論的四大支柱”。

哈勃定律和宇宙膨脹

對遙遠星系和類星體的觀測表明這些天體存在紅移——從這些天體發出的電磁波波長會變長。通過觀測取得星體的頻譜,而構成天體的化學元素的原子與電磁波的相互作用對應著特定樣式的吸收和發射譜線,將兩者進行比對則可發現這些譜線都向波長更長的一端移動。這些紅移是均勻且各向同性的,也就是說在觀測者看來任意方向上的天體都會發生均勻分布的紅移。如果將這種紅移解釋為一種多普勒頻移,則可進而推知天體的退行速度。對于某些星系,它們到地球的距離可以通過宇宙距離尺度來估算出。如果將各個星系的退行速度和它們到地球的距離一一列出,則可發現兩者存在一個線性關系即哈勃定律:

v=HD

其中

v 是星系或其他遙遠天體的退行速度

D 是距天體的共動固有距離

H 是哈勃常數,根據WMAP最近的測量結果為70.1 ±1.3千米/秒/秒差距

根據哈勃定律我們的宇宙圖景有兩種可能:或者我們正處于空間膨脹的正中央,從而所有的星系都在遠離我們——這與哥白尼原理相違背——或者宇宙的膨脹是各處都相同的。從廣義相對論推測出宇宙正在膨脹的假說是由亞歷山大·弗裏德曼和喬治·勒梅特分別在1922年和1927年各自提出的,都要早于哈勃在1929年所進行的實驗觀測和分析工作。宇宙膨脹的理論後來成為了弗裏德曼、勒梅特、羅伯遜、沃爾克等人建立大霹靂理論的基石。

大霹靂理論要求哈勃定律在任何情況下都成立,註意這裏v、D和H隨著宇宙膨脹都在不斷變化(因此哈勃常數H實際是指“當前狀態下的哈勃常數”)。對于距離遠小于可觀測宇宙尺度的情形,哈勃紅移可以被理解為因退行速度v造成的多普勒頻移,但本質上哈勃紅移並不是真正的多普勒頻移,而是在光從遙遠星系發出而後被觀測者接收的這個時間間隔內,宇宙膨脹的結果。

天文學上觀測到的高度均勻分布且各向同性的紅移,以及其他很多觀測證據,都支持著宇宙在各個方向上看起來都相同這一宇宙學原理。2000年,人們通過測量宇宙微波背景輻射對遙遠天體系統的動力學所產生的影響,證實了哥白尼原理,即地球相對大尺度宇宙來說絕非宇宙的中心。早期宇宙來自大霹靂的微波背景輻射溫度要顯著高于當今的輻射餘溫,而幾十億年來微波背景輻射均勻降溫的事實隻能被解釋為宇宙空間正在進行著度規膨脹,並排除了我們較為接近一個特殊的爆炸中心的可能。

宇宙微波背景輻射

在宇宙誕生的最初幾天裏,宇宙處于完全的熱平衡態,並伴隨有光子的不斷吸收和發射,從而產生了一個黑體輻射的頻譜。其後隨著宇宙的膨脹,溫度逐漸降低到光子不能繼續產生或湮滅,不過此時的高溫仍然足以使電子和原子核彼此分離。因而,此時的光子不斷地被這些自由電子“反射”,這一過程的本質是湯姆孫散射。由于這種散射的持續存在,早期宇宙對電磁波是不透明的。當溫度繼續降低到幾千開爾文時,電子和原子核開始結合成原子,這一過程在宇宙學中稱為復合。

由于光子被中性原子散射的幾率很小,當幾乎所有電子都與原子核發生復合之後,光子的電磁輻射與物質脫耦。這一時期大約發生在大霹靂後三十七萬九千年,被稱作“最終的散射”時期。這些光子構成了可以被今天人們觀測到的背景輻射,而觀測到的背景輻射的漲落圖樣正是這一時期的早期宇宙的直接寫照。隨著宇宙的膨脹,光子的能量因紅移而隨之降低,從而使光子落入了電磁波譜的微波頻段。微波背景輻射被認為在宇宙中的任何一點都可被觀測,並且在各個方向上都(幾乎)具有相同的能量密度。

1964年,阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在使用貝爾實驗室的一台微波接收器進行診斷性測量時,意外發現了宇宙微波背景輻射的存在。他們的發現為微波背景輻射的相關預言提供了堅實的驗證——輻射被觀測到是各向同性的,並且對應的黑體輻射溫度為3K——並為大霹靂假說提供了有力的證據。彭齊亞斯和威爾遜為這項發現獲得了諾貝爾物理學獎

1989年,NASA發射了宇宙背景探測者衛星(COBE),並在1990年取得初步測量結果,顯示大霹靂理論對微波背景輻射所做的預言和實驗觀測相符合。COBE測得的微波背景輻射餘溫為2。726K,並在1992年首次測量了微波背景輻射的漲落(各向異性),其結果顯示這種各向異性在十萬分之一的量級。約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因領導了這項工作而獲得諾貝爾物理學獎。在接下來的十年間,微波背景輻射的各向異性被多個地面探測器以及氣球實驗進一步研究。2000年至2001年間,以毫米波段氣球觀天計畫為代表的多個實驗通過測量這種各向異性的典型角度大小,發現宇宙在空間上是近乎平直的。

2003年初,威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)給出了它的首次探測結果,其中包括了在當時人們所能獲得的最精確的某些宇宙學參數。航天器的探測結果還否定了某些具體的宇宙暴漲模型,但整體而言仍然符合廣義的暴漲理論。此外,WMAP還證實了有一片“中微子海”彌散于整個宇宙,這清晰地說明了最早的一批恆星誕生時曾經用了約五億年的時間才形成所謂宇宙霧,從而開始在原本黑暗的宇宙中發光。2009年5月,普朗克衛星作為用于測量微波背景各向異性的新一代探測器發射升空,它被寄希望于能夠對微波背景的各向異性進行更精確的測量,除此之外還有很多基于地面探測器和氣球的觀測實驗也在進行中。

原始物質豐度

採用大霹靂模型可以計算氦-4、氦-3、氘和鋰-7等輕元素相對普通氫元素在宇宙中所佔含量的比例。所有這些輕元素的豐度都取決于一個參數,即早期宇宙中輻射(光子)與物質(重子)的比例,而這個參數的計算與微波背景輻射漲落的具體細節無關。大霹靂理論所推測的輕元素比例(註意這裏是元素的總質量之比而非數量之比)大約為:氦-4/氫= 0。25,氘/氫= 10^-3,氦-3/氫= 10^-4,鋰-7/氫= 10^-7。

將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兩者比較,可以發現至少是粗略符合。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,即對于後兩種元素的情形存在著明顯的系統隨機誤差。盡管如此,大霹靂核合成理論所預言的輕元素豐度與實際觀測可以認為是基本符合,這是對大霹靂理論的強有力支持。因為到目前為止還沒有第二種理論能夠很好地解釋並給出這些輕元素的相對豐度,而從大霹靂理論所預言的宇宙中可被“調控”的氦元素含量也不可能超出或低于現有豐度的20%至30%。事實上很多觀測也沒有除大霹靂以外的理論可以解釋,例如為什麽早期宇宙(即在恆星形成之前,從而對物質的研究可以排除恆星核合成的影響)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。

星系演變和分布

對星系和類星體的分類和分布的詳細觀測為大霹靂理論提供了強有力的支持證據。理論和觀測結果共同顯示,最初的一批星系和類星體誕生于大霹靂後十億年,從那以後更大的結構如星系團和超星系團開始形成。由于恆星族群不斷衰老和演化,我們所觀測到的距離遙遠的星系和那些距離較近的星系非常不同。此外,即使距離上相近,相對較晚形成的星系也和那些在大霹靂之後較早形成的星系存在較大差異。這些觀測結果都和宇宙的穩恆態理論強烈抵觸,而對恆星形成、星系和類星體分布以及大尺度結構的觀測則通過大霹靂理論對宇宙結構形成的計算模擬結果符合得很好,從而使大霹靂理論的細節更趨完善。

其他證據

人們通過對哈勃膨脹以及對微波背景輻射的觀測,分別估算出了宇宙的年齡。雖然這兩個結果彼此曾經存在一些矛盾和爭議,但最終還是取得了相當程度上的一致:兩者都認為宇宙的年齡要稍大于最老的恆星的年齡。兩者的測量方法都是將恆星演化理論套用到球狀星團上,並用放射性定年法測定每一顆第二星族恆星的年齡。

大霹靂理論預言了微波背景輻射的溫度在過去曾經比現在要高,而對于位于高紅移區域(即距離很遠)的氣體雲,通過觀測它們對溫度敏感的發射譜線已經證實了這個預言。這個預言也意味著星系團中蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應的強度與紅移並不直接相關;這一點從目前觀測來看應該是近似正確,然而由于蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應的強度還和星系團的本身性質直接關聯,並且星系團的性質在宇宙學的時間尺度上會發生根本的變化,因而導致無法精確檢驗這個猜想的正確性。

大霹靂宇宙的未來

在發現暗能量之前,宇宙學家認為宇宙的未來存在有兩種圖景:如果宇宙能量密度超過臨界密度,宇宙會在膨脹到最大體積之後坍縮,在坍縮過程中,宇宙的密度和溫度都會再次升高,最後終結于同爆炸開始相似的狀態——即大擠壓;相反,如果宇宙能量密度等于或者小于臨界密度,膨脹會逐漸減速,但永遠不會停止。恆星形成會因各個星系中的星際氣體都被逐漸消耗而最終停止;恆星演化最終導致隻剩下白矮星、中子星和黑洞。相當緩慢地,這些致密星體彼此的碰撞會導致質量聚集而陸續產生更大的黑洞。宇宙的平均溫度會漸近地趨于絕對零度,從而達到所謂大凍結。此外,倘若質子真像標準模型預言的那樣是不穩定的,重子物質最終也會全部消失,宇宙中隻留下輻射和黑洞,而最終黑洞也會因霍金輻射而全部蒸發。宇宙的熵會增加到極點,以致于再也不會有自組織的能量形式產生,最終宇宙達到熱寂狀態。

現代觀測發現宇宙加速膨脹之後,人們意識到現今可觀測的宇宙越來越多的部分將膨脹到我們的事件視界以外而同我們失去聯系,這一效應的最終結果還不清楚。在ΛCDM模型中,暗能量以宇宙學常數的形式存在,這個理論認為隻有諸如星系等引力束縛系統的物質會聚集,並隨著宇宙的膨脹和冷卻它們也會到達熱寂。對暗能量的其他解釋,例如幻影能量理論則認為最終星系群、恆星、行星、原子、原子核以及所有物質都會在一直持續下去的膨脹中被撕開,即所謂大撕裂。

物質的增加和宇宙的解體

有人想問,宇宙之外是什麽?其實宇宙之外連最基本的時間和空間都沒有,所以就什麽都沒有(平行宇宙和我們的宇宙一樣,是一個宇宙)。因此,才出現了時間和空間的增加這一說法。隨著宇宙的時間和空間的增加,物質也相應地在增加(就像宇宙大霹靂後,隨著時間和空間的誕生,物質也在不斷地生成)。因為增加的物質不可能出現在現有的物質上,所以宇宙中沒有物質的部分,物質就會不斷地生成和增加。增加的物質產生了引力,從而把一些天體拉向這些物質,出現了兩個天體互相遠離的情況(紅移)。但由于時間和空間的增加速度比物質的增加速度快得多,到後期宇宙中的正物質會被全部泯滅暗物質。盡管不斷增加的物質中有三分之一會是正物質,但生成後仍然會很快被泯滅成暗物質。在全部正物質都消失後,宇宙中就會隻剩下極其稀薄暗物質和反物質。

宇宙大霹靂

隻要找到足夠的1A型超新星,你就能測量它們的亮度。亮度較高的超新星距離比較近,亮度越來越弱的超新星,一定是離我們越來越遠。亮度很低的超新星,距離就很遙遠了。1A型超新星很像製造重元素的超新星。但1A型超新星有個重要的特點,它們爆炸的亮度都是相同的。這是因為它們形成的過程都一樣。兩顆恆星在重力的作用下互相繞行。其中一顆是縮小的高密度恆星,發出高熱和白光,它就是白矮星。另一顆恆星則膨脹成龐然大物,它就是紅巨星,它的燃料即將耗盡。這兩顆恆星互相繞行時,白矮星會吸取伴星的氣體,開始年復一年地長大。白矮星的質量達到太陽的1.44倍時,就會崩潰、塌縮,接著爆炸,釋放出耀眼的光線和能量。每個1A型超新星都是在相同質量時爆炸。因此,宇宙各處都有相同的亮度和可見度。研究發現,宇宙的膨脹速度並未變慢。需要找到數百個1A型超新星,並測量它們遠離我們的速度。通過比較不同時空的超巨星的位置和年代,便能計算出宇宙的膨脹是否在變慢。得到了驚人的結果:宇宙的膨脹速度並未變慢。我們開始這項計畫時,目的是在測量宇宙膨脹變慢的速度,但它變慢的速度並不足以讓膨脹停止。

事實上,膨脹的速度幾乎沒有減緩。我們完成分析後發現,膨脹並沒有減緩,反而是正在加速。驚人的發現意味著,宇宙不會停止膨脹,並崩墜成針尖大小的超密物質。事實正好相反,宇宙會不斷加速膨脹,宇宙正在解體。因此推斷,宇宙的壽命約在2×10的98次方年至10的196次方年。

大霹靂年表

通過廣義相對論將宇宙的膨脹進行時間反演,則可得出宇宙在過去有限的時間之前曾經處于一個密度和溫度都無限高的狀態,稱之為奇點,奇點的存在意味著廣義相對論理論在這裏不適用。而仍然存在爭論的問題是,借助廣義相對論我們能在多大程度上理解接近奇點的物理學——可以肯定的是不會早于普朗克時期。宇宙極早期這一高溫高密的相態被稱作“大霹靂”,這被看作是我們宇宙的誕生時期。通過觀測Ia型超新星來測量宇宙的膨脹,對宇宙微波背景輻射溫度漲落的測量,以及對星系之間相關函式的測量,科學家計算出宇宙的年齡大約為137.3 ±1.2億年。這三個獨立測算所得到的結果相符,從而為具體描述宇宙所包含物質比例的ΛCDM模型提供了有力證據。

關于大霹靂模型中極早期宇宙的相態問題,至今人們仍充滿了猜測。在大多數常見的模型中,宇宙誕生初期是由均勻且各向同性的高密高溫高壓物質構成的,並在極早期發生了非常快速的膨脹和冷卻。大約在膨脹進行到10^-37秒時,產生了一種相變使宇宙發生暴漲,在此期間宇宙的膨脹是呈指數成長的。

當暴漲結束後,構成宇宙的物質包括誇克-膠子電漿,以及其他所有基本粒子。此時的宇宙仍然非常熾熱,以至于粒子都在做著相對論性的高速隨機運動,而粒子-反粒子對在此期間也通過碰撞不斷地創生和湮滅,從而宇宙中粒子和反粒子的數量是相等的(宇宙中的總重子數為零)。直到其後的某個時刻,一種未知的違反重子數守恆的反應過程出現,它使誇克和輕子的數量略微超過了反誇克和反輕子的數量——超出範圍大約在三千萬分之一的量級上,這一過程被稱作重子數產生。這一機製導致了當今宇宙中物質相對于反物質的主導地位。

隨著宇宙的膨脹和溫度進一步的降低,粒子所具有的能量也普遍逐漸下降。當能量降低到1太電子伏特(1012eV)時產生了對稱破缺,這一相變使基本粒子和基本相互作用形成了當今我們看到的樣子。宇宙誕生的10^-11秒之後,大霹靂模型中猜測的成分就進一步減少了,因為此時的粒子能量已經降低到了高能物理實驗所能企及的範圍。10^-6秒之後,誇克和膠子結合形成了諸如質子和中子的重子族,由于誇克的數量要略高于反誇克,重子的數量也要略高于反重子。

此時宇宙的溫度已經降低到不足以產生新的質子-反質子對(類似地,也不能產生新的中子-反中子對),從而即刻導致了粒子和反粒子之間的質量湮滅,這使得原有的質子和中子僅有十億分之一的數量保留下來,而對應的所有反粒子則全部湮滅。大約在1秒之後,電子和正電子之間也發生了類似的過程。經過這一系列的湮滅,剩餘的質子、中子和電子的速度降低到相對論性以下,而此時的宇宙能量密度的主要貢獻來自湮滅產生的大量光子(少部分來自中微子)。

在大霹靂發生的幾分鍾後,宇宙的溫度降低到大約十億開爾文的量級,密度降低到大約空氣密度的水準。少數質子和所有中子結合,組成氘和氦的原子核,這個過程叫做太初核合成。而大多數質子沒有與中子結合,形成了氫的原子核。隨著宇宙的冷卻,宇宙能量密度的主要來自靜止質量產生的萬有引力的貢獻,並超過原先光子以輻射形式的能量密度。在大約37.9萬年之後,電子和原子核結合成為原子(主要是氫原子),而物質通過脫耦發出輻射並在宇宙空間中相對自由的傳播,這個輻射的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射。

雖然宇宙在大尺度上物質幾乎均一分布,但仍存在某些密度稍大的區域,因而在此後相當長的一段時間內這些區域內的物質通過引力作用吸引附近的物質,從而變得密度更大,並形成了氣體雲、恆星、星系等其他在今天的地理天文學上可觀測的結構。這一過程的具體細節取決于宇宙中物質的形式和數量,其中形式可能有三種:冷暗物質、熱暗物質和重子物質。來自WMAP的目前最佳觀測結果表明,宇宙中佔主導地位的物質形式是冷暗物質,而其他兩種物質形式在宇宙中所佔比例不超過18%。另一方面,對Ia型超新星和宇宙微波背景輻射的獨立觀測表明,當今的宇宙被一種被稱作暗能量的未知能量形式主導著,暗能量被認為滲透到空間中的每一個角落。觀測顯示,當今宇宙的總能量密度中有74%的部分是以暗能量這一形式存在的。

根據推測,在宇宙非常年輕時暗能量就已經存在,但此時的宇宙尺度很小而物質間彼此距離很近,因而在那時引力的效果顯著從而減緩了宇宙的膨脹。但經過了幾十上百億年的膨脹,不斷成長的暗能量開始讓宇宙膨脹緩慢加速。表述暗能量的最簡潔方法是在愛因斯坦引力場方程中增加所謂宇宙常數項,但這仍然無法回答暗能量的構成、形成機製等問題,以及與此伴隨的一些更基礎問題:例如關于它狀態方程的細節,以及它與粒子物理學中標準模型的內在聯系,這些未解決的問題仍然有待理論和實驗觀測的進一步研究。

所有在暴漲時期以後的宇宙演化,都可以用宇宙學中的ΛCDM模型來非常精確地描述,這一模型來自廣義相對論和量子力學各自獨立的架構。如前所述,目前還沒有廣泛支持的模型能夠描述大霹靂後大約10^-15秒之內的宇宙,一般認為需要一個統合廣義相對論和量子力學的量子引力理論來突破這一難題。如何才能理解這一極早期宇宙的物理圖景是當今物理學的最大未解決問題之一。

粒子及物質形成過程

宇宙最開始,沒有物質隻有能量,大霹靂後物質由能量轉換而來(質能轉換E=mcc),當代粒子物理學告訴我們,在足夠高的溫度下(稱為“閾溫”),物質粒子可以由光子的碰撞產生出來。下面是宇宙物質進化的詳細過程:

時標-10^-43秒 宇宙從量子背景出現。

時標-10^-35秒 同一場分解為強力、電弱力和萬有引力。

時標-10^-5秒 10萬億開,質子和中子形成。

時標0.0001秒,溫度達幾十萬億開,大于強子和輕子的閾溫,光子碰撞產生正反強子和正反輕子,同時其中也有湮滅成光子。在達到平衡狀態時,粒子總數大致與光子總數相等,未經湮滅的強子破碎為“誇克”,此時誇克處于沒有任何相護作用的“漸進自由狀態”。宇宙中的粒子品種有:正反誇克,正反電子,正反中微子。最後,有十億分之一的正粒子存留下來

時標0.01秒溫度1000億開,小于強子閾溫大于輕子閾溫。光子產生強子的反應已經停止,強子不再破碎為誇克,質子中子各佔一半,但由于正反質子正反中子不斷湮滅,強子數量減少。中子與質子不斷相互轉化,到1.09秒時,溫度100億開,質子:中子=76:24

時標13.82秒,溫度小于30億開,物質被創造的任務完成。中子衰變現象出現,衰變成質子加電子加反中微子。這時質子:中子=83:17

時標3分46秒,溫度9億開,反粒子全部湮滅,光子:物質粒子=10億:1,中子不再衰變,質子:中子=87:13(一直到現在);這時出現了一個非常重要的演化:由2個質子和2個中子生成1個氦原子核,中子因受核力約束而儲存下來。宇宙進入核合成時代。(如果沒有氦核產生,中子將全部衰變,也沒有以後其它的原子核)

時標30萬—70萬年,溫度4000—3000開,能量和物質處于熱平衡狀態。開始出現穩定的氫氦原子核,宇宙進入復合時代。在後期宇宙逐步轉變為以物質為主的時代。(光子隨著溫度的降低而可以自由穿行,即今天的3開宇宙背景輻射!)

時標4億—5億年,溫度100開。物質粒子開始凝聚,引力逐漸增大,度過“黑暗時代”後,第一批恆星星系形成。

隨著第一批恆星的形成,原子在恆星的內部發生了核聚變反應,進而出現了氦,碳、氧、鎂,鐵等元素原子核。核聚變是指由質量小的原子,主要是指氘或氚,在一定條件下(如超高溫和高壓),發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核,並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。

(值得註意的是,不同質量的恆星能引發的核聚變程度不同,太陽主要為氫—氦聚變,重一點的會引發碳—氧—鎂聚變,再重的會引發下一輪聚變。總的順序簡略依次為:氫,氦,碳,氧,鎂,矽,鐵。但無論恆星多重,最終的聚變結果隻能是鐵,恆星內部不能產生比鐵更重的原子核!)

凡是元素周期表上有的(除人造元素外),都是在恆星大煉爐裏形成的,鐵以後的原子核,隻能在超爆中產生。

基本假設

大霹靂理論的建立基于了兩個基本假設:物理定律的普適性和宇宙學原理。宇宙學原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。

這些觀點起初是作為先驗的公理被引入的,但現今已有相關研究工作嘗試對它們進行驗證。例如對第一個假設而言,已有實驗證實在宇宙誕生以來的絕大多數時間內,精細結構常數的相對誤差值不會超過10^-5。此外,通過對太陽系和雙星系統的觀測,廣義相對論已經得到了非常精確的實驗驗證;而在更廣闊的宇宙學尺度上,大霹靂理論在多個方面經驗性取得的成功也是對廣義相對論的有力支持。

假設從地球上看大尺度宇宙是各向同性的,宇宙學原理可以從一個更簡單的哥白尼原理中導出。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。根據對微波背景輻射的觀測,宇宙學原理已經被證實在10^-5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。

FLRW規度

廣義相對論採用度規來描述時空的幾何屬性,度規能夠給出時空中任意兩點之間的間隔。這些點可以是恆星、星系或其他天體,它們在時空中的位置可以用一個遍布整個時空的坐標卡或“格線”來說明。根據宇宙學原理,在大尺度上度規應當是均勻且各向同性的,唯一符合這一要求的度規叫做弗裏德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(FLRW度規)。這一度規包含一個含時的尺度因子,它描述了宇宙的尺寸如何隨著時間變化,這使得我們可以選擇建立一個方便的坐標系即所謂共動坐標系。在這個坐標系中格線隨著宇宙一起膨脹,從而僅由于宇宙膨脹而發生運動的天體將被固定在格線的特定位置上。雖然這些共動天體兩者之間的坐標距離(共動距離)保持不變,它們彼此間實際的物理距離是正比于宇宙的尺度因子而膨脹的。

大霹靂的本質並不是物質的爆炸從而向外擴散至整個空曠的宇宙空間,而是每一處的空間本身隨著時間的膨脹,從而兩個共動天體之間的物理距離在不斷成長。由于FLRW度規假設了宇宙中物質和能量的均勻分布,它隻對宇宙在大尺度下的情形適用——對于像我們的星系這樣局部的物質聚集情形,引力的束縛作用要遠大于空間度規膨脹的影響,從而不能採用FLRW度規。

視界

大霹靂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,並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,隻有在這個極限距離以內的事件才有可能被觀測到。另一方面,由于空間在不斷膨脹,並且越遙遠的物體退行速度越大,從而導致從我們這裏發出的光有可能永遠也無法到達那裏。從這一分析可知,存在這樣一個極限或稱為未來視界,隻有在這個極限距離以內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:我們現有對極早期宇宙的認知意味著宇宙應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製,這導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。

宇宙大霹靂

基于上一自然段落所述,所以現今有多元宇宙之說。即多重宇宙和並行宇宙學說。本視界之外仍有另一或多重宇宙體系,我們通常所說的宇宙隻是我們現在還沒有“望到”“邊際”的仍在膨脹之中的“本宇宙”(即以地球人觀測極限為半徑的範圍內)而已。而不是其它的另一或多重宇宙。也就是說,這種“大霹靂”如果是在一個奇點上發生,那麽,這種“大霹靂”是否是多重“爆炸”的某一“層次”,或是同時有“幾個”“炸點”並存?正像有人懷疑現在的地球生物曾經發生過多次滅絕與復活一樣。

這裏也可以引入一個“宇宙盒”的概念來理解多元宇宙的概念,即“盒子”總比被“盒子”“盛放”的物質要大。即宇宙盒是用來盛放宇宙的盒子,總會比宇宙本身要大的。這就說明盡管宇宙無限大,但總大不過盛放它的盒子的。我們現在所說的宇宙隻不過是宇宙盒中所盛放的其中的“這一個”“宇宙”而已。

“宇宙大霹靂”理論是建立在人類依據觀測通過計算得到的資料基礎上的。不能以人們的觀測極限來判定宇宙的大小。“宇宙大霹靂”理論即推翻了“宇宙無限大”理論的同時也證明了“‘宇宙’的無限性”。隻是此“‘宇宙’”非彼“宇宙”也。

哲學宗教

大霹靂理論是一種科學理論,它的成立是建立在和觀測相符合的基礎上的。但作為一個闡述“實在”起源的理論,它對神學和哲學或多或少產生了暗示作用。二十世紀二十至三十年代,幾乎每一個主流宇宙學家都更喜歡穩恆態理論,還有很多人指責說大霹靂理論提出的宇宙在時間上的開端是將宗教概念引入了物理學中,這一反對意見後來經常被穩恆態理論的支持者反復提出。而大霹靂理論的創始人之一,喬治·勒梅特是一位羅馬天主教牧師的事實則更為這種意見添油加醋。1951年11月22日,庇護十二世教皇在教皇科學學會的開幕會上聲稱大霹靂理論和天主教的創世概念相符合。

自大霹靂理論被主流物理宇宙學界接受以來,已經有多個宗教團體對大霹靂理論做出了反應,其中有些忠實接受了大霹靂理論的科學依據,而有些嘗試將大霹靂理論和他們自己的宗教教義相統合,有些則是完全反對或忽視了大霹靂理論的證據。

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