宇宙大爆炸理论

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宇宙大爆炸理论

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宇宙大爆炸理论

作者：佚名教学参考来源：本站原创点击数：更新时间：2007-8-31

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一.小时候,躺在夏天繁星闪烁的夜空下,许多问号总是爬满了好奇的脑海:天有多高?天有多大?后来上学了,老师告诉我们宇宙这个名词,还说:宇宙的空间是无限广大、无边无际的物质的延伸。它从横的方面描述了客观存在的物体的相互位置。宇宙的时间同样是无限的和无始无终的，它既无开端，又无终结。
      牛顿把空间作为一个物理实体，认为它是静止的，不可移动的，并且往往把空间和时间认为是物件和事件的“容器”，而不依赖于物质的密度。适用牛顿绝对空间的几何，就是通常的欧几里德几何，但绝对空间和绝对时间的观念并不符合实际。这样的时空观影响了人们对宇宙的进一步认识，实际上，时空连续区在其物理性质上是独立的，具有物理效应。空间的几何性质和时间的流逝取决于一定空间区域内的物质密度。牛顿时代的时空观更无法解释当今宇宙中存在的一些基本现象，如：微波背景辐射、星云红移现象以及宇宙中氘的成因等.
      二、1927年，比利时物理学家乔治·勒梅特提出宇宙正在由一个“原始的原子”，不断膨胀的理论，即现在的大爆炸理论和膨胀理论。现已被越来越多的科学家接受。
      据说，约150亿年前，在宇宙的原始奇点，即整个宇宙空间为零容积的状况下，发生了大爆炸，这个奇点应该是一个高度有秩序的奇点，而被有的科学家认为是时间的起点。这个大爆炸是一次核反应。
      大爆炸学说的基本观点是：宇宙早期处于高温高密状态，随着宇宙的膨胀，温度下降。在大爆炸时宇宙的大小被认为是零，因此，是无限地热。大爆炸之后的10-43秒，称为普朗克时间，在普朗克时间的那一点上，宇宙已经变成了一个比原子还要小的热点，且宇宙的密度极大。在普朗克时间之前，所有的物理学定律失去了作用。而在普朗克时间（10 -43秒）之后，物理学定律才有作用。大爆炸最初一刻，整个宇宙是形成一个质子的万亿分之一时间时，宇宙可能处于同质状态。有的膨胀模型指出，宇宙最初瞬间的膨胀速率呈指数增长，而在某些膨胀模型中。该瞬间可在宇宙开始后持续10-34～10-30秒。1999年，天文学家获得新证据，表明宇宙是平坦的，为大爆炸理论提供了新的佐证。大爆炸之后，宇宙中基本粒子很快形成，基本粒子又逐渐合成为元素。后来逐渐演变为气状物质，宇宙进一步膨胀，使辐射温度不断下降，气状物质便开始凝聚成星系或星云、星系团，最后形成恒星，产生我们现在所见的宇宙。大爆炸之后，随着宇宙不断地膨胀，同时物质密度不断从密向稀演化，温度也不断下降。这就是大爆炸宇宙学派的基本主要观点。这种观点认为宇宙演化大致分几个阶段。
      （一）宇宙极早期阶段，又叫基本粒子形成阶段。
      在大爆炸后第一秒内，宇宙便开始形成基本粒子，该阶段主要是强子和粒子的生成和湮灭，主要经历以下过程：
      首先，从宇宙时的零秒到10-43秒，这是普朗克时间阶段，所有物理学定律不适用。
      从10-43秒到10-36秒，这时宇宙的温度极高，物质密度极高，物质的存在形式一般说不清楚，可能处于同质状态。
      在10-34～10-30秒，有的膨胀模型指出呈指数增长速率膨胀。而暴涨宇宙理论认为：若1滴答＝10-34秒，暴涨可能延续几百个滴答，然后就结束了。即经10-32秒之后，决定宇宙基本结构和物理成份的过程，便已告完成了。宇宙跃变结束时，宇宙约有垒球那么大。10-14秒之后，宇宙半径增长到约3英尺，温度冷却到1000亿度，此时，原子的构成成份，夸克和电子形成了。
       随着宇宙膨胀,温度继续下降。强子逐渐生成,在宇宙时10-6秒时，原子本身形成了，这时夸克聚集成质子和中子，质子和中子聚集成原子核。而原子核和电子形成了原子。最终第一个元素氦，以大大降低的速度，穿过我们今天仍能探测到的高度，其背景辐射，飞遍了整个宇宙。
      这时，宇宙中最活跃的是进行强相互作用的基本粒子──强子，它包括介子和重子（如质子、中子、超子等）。在大爆炸后10-2秒时，宇宙中的温度大约为1000亿开，物质密度下降到1011克／厘米3。这时是轻子起主导作用，宇宙中物质分成以电子、夸克、μ介子、τ子为主，所以是轻子为主导作用阶段。它的主要特征是轻子的分解和正、反粒子的湮灭。由于在这个过程中，轻子的分解和正、反粒子的湮灭是不断进行的，因而产生了大量的光子和中微子，以至当温度降到100亿度时，相对于实物来讲，辐射（光子）占优势。
      （二）元素形成阶段，又叫辐射阶段。
      大爆炸1秒后，宇宙温度降到大约100亿度，这时宇宙主要含有光子、电子、中微子及其反粒子，还有一些质子和中子。从大爆炸以后的第1秒钟到3分钟，宇宙进入元素形成阶段。在爆炸发生后一秒时，宇宙中的物质密度降到107克／厘米3，这时宇宙不仅整体上膨胀占优势，而且，各处都处于排斥（辐射）为主的阶段，在该阶段后期，实物（如质子、中子、电子等实物粒子）已开始发生很大变化，电子／反电子对在碰撞中的产生率就落到它们的湮灭率之下。这时，多数电子和反电子彼此湮灭，产生更多的光子，只留下少数电子。中微子和反中微子却不彼此湮灭，因为这种粒子彼此之间，以及和其它粒子之间的相互作用很弱，因此，它们今天仍然到处都有，但因现在的中微子能量太低，无法直接观测。中微子不是无质量的，而有一个小质量，能间接地探测。中微子可能是一种暗物质，具有充分的引力，以停止宇宙膨胀，并使之再次坍缩。大爆炸以后约3分钟，温度下降到约10亿度，这时质子和中子已不再有足够的能量能够逃脱强核力的吸引，即中子开始失去了自由存在的条件，开始与质子合成，形成重氢（氘）原子核，氘核再和更多的质子和中子结合成氦核，氦核有2个质子和2个中子。以及少量的两个更重元素：锂和铍。于是就形成了几种不同的化学元素。因为原子核是由核子（质子和中子）合成的，所以，该阶段又叫核合成（即元素形成）阶段。当温度降到100万℃，早期形成化学元素过程就结束了。核合成结束时，氦的含量按质量计算约占25－30％，氘占1％，其余大部分是氢，剩余的中子衰变为质子，质子是氢的原子核。由于氦十分稳定，所以这些氦能够一直保留到今天。大爆炸以后的几个小时，氦及其它元素的产生即已中止。
      计算表明，氦核的活动延续了大约3分钟，并予言宇宙中元素应以特定的比例存在，其中1/4为氦，它用完了所有可利用的中子，余下的核子（没有聚合的质子）自然形成了氢原子核，氢约占3/4。这与天文测量结果相符。所有重元素（锂、碳）占不到1％，这些重元素在晚些时候形成。
      另外，在宇宙膨胀最初几分钟内所释放的巨大热量，应当导致某些微量同位素的产生。如：氘又叫重氢，它比氢多一个中子。氢、锂也相继形成，而氘是不能被恒星制造并保留下来的，唯一可行的解释是所有氘都是原始的，它是在在大爆炸中产生的。从而是大爆炸理论的一个佐论。此后，第二阶段大约经历了数千年，该阶段宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核，光辐射依然很强，也依然没有星体存在。
      （三）实物阶段
      大爆炸后约1万年，随着宇宙的膨胀，温度下降到约10万开，实物密度大于辐射（光子）密度，辐射退居到次要位置，辐射减退后，宇宙间物质主要是气状物质，由于这种物质不再受辐射影响，当发生某种非均匀扰动时，有些气体物质在引力作用凝聚成气体云，气体云再进一步收缩就产生了各种各样的星系，成为我们今天看到的宇宙，在无数恒星演化中产生太阳和太阳系，并继续演化。
      宇宙在3万年时，宇宙温度约1万度。
      宇宙产生30万年时，当温度降至约4000开时，进入第三阶段的实质过程。这时，电子和原子核已不再有够多的能量，以克服它们之间的电磁吸引力时，它们就要开始结合成为原子。并且，物质终于与辐射相分离，宇宙才从不透明状态变成透明状态，辐射热因此而散发到各个方向，宇宙沐浴在一种热辐射中，这是“黑体”辐射。并以今天的宇宙微波背景的方式到达我们这里。30万年以来，辐射几乎一直在平稳地传播着。
      宇宙辐射物──典型的中子主要直线旅行在气态当中，宇宙学家古思认为，大爆炸之后，宇宙非常热，以至充满了等离子，没有中性原子了，原子都分裂了。因此，电子离开原子核，自由地到处移动，当物质处在等离子状态时，它对辐射物来说，是非常不清晰的，这种自由电荷粒子与形成光的光子非常强烈地相互作用。这样，这些光子就不断地被躯散和吸收，它们从来没有真正地到达任何地方。宇宙继续膨胀和冷却，在那些物质密度比平均密度稍大的一些区域，膨胀被附加的引力所阻滞，该阻滞使某些区域停止膨胀。并重新坍缩，逐渐形成旋转星系和椭圆星系，并逐渐进入稳定状态。
      约100万年后，形成许多原子，后来又被“煮”成星体中的重元素，最终产生提供生命诞生的物质。
      当原子核与其它原子核相撞时，能被激发，引起共振，这个精确的共振，会产生丰富的碳，满足多种生物的需求，随后的核反应中，产生了元素氧、氮以及生命所必须的其它重元素。
      总之，宇宙起始于大爆炸，银河系成形于气团。星体先在银河系中心形成，然后比较迅速成熟，形成今天看到的样子。
      三、膨胀理论告知，在创世的一瞬间的极短时间内，宇宙很快以百倍的膨胀系数，达到了以后150亿年的膨胀量，在此突然剧增的过程中，宇宙在次原子大小时，所具有的同质性特点，成了宇宙在膨胀后时代的特征，也就是说，宇宙在膨胀前存在的任何不均性，都可能被急速的膨胀力量抹平。
      膨胀理论为解释宇宙中相距甚远的部分，最初是如何联结在一起的，提供了一种说法。
      例如，宇宙的两侧，相距300亿光年以上之遥，但却有着完全相同水平的宇宙背景辐射。而最初这两侧是在一起的，因为膨胀而分开，以至后来相距甚远。当膨胀发生时，只要观察的面积大小相同，不管天空哪一部分，卫星数据都显示了同样数量的小、中、大波纹。
      宇宙开始于一个指数膨胀阶段，或根据古思的暴涨宇宙模型所指出的暴涨阶段，它的尺度增加了一个很大的倍数，在膨胀过程中，最初密度涨落还保持很小，但此后也开始增长。宇宙从光滑和有序的状态开始，在时间进行中变得结块和无序，符合热力学的时间箭头。
      大爆炸理论是膨胀模型的重要部分，这种指数式的膨胀过程，在平滑和一致的宇宙形成方面起了很大作用。
      1999年，天文学家获得新证据，表明宇宙是平坦的，为大爆炸理论提供了新的佐证。
      根据物理学家古思的膨胀模型，新宇宙在一次能量释放的跃变后，短暂加速自己的膨胀，即暴涨。在耗掉跃变的能量后，又回到较慢和减速膨胀状态。好像水变成冰时的跃变，当水分子形成新的坚硬状态的冰时，它要释放出它的隐性能量。
      我们可以用多卜勒效应测量其它星系离我们远去的速度，决定现在的膨胀率，这可以测得很准确。但星系的距离知之不详，只能间接测量它们。因此，我们只知道宇宙每十亿年膨胀约5％至10％，但关于宇宙现在密度的不确定性很大!

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