關於宇宙大爆炸
宇宙大爆炸，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。
基本介紹
中文名：宇宙大爆炸外文名：Big Bang現象描述：宇宙誕生初始條件及其後續演化
大爆炸簡介,大爆炸年表,
大爆炸簡介宇宙大爆炸，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爆炸觀點為：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於133億年至139億年前），並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。 比利時牧師、物理學家喬治·勒梅特首先提出了關於宇宙起源的大爆炸理論，但他本人將其稱作“原生原子的假說”。這一模型的框架基於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·弗里德曼於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的距離正比於這些星系的紅移，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里德曼方程而提出，這個解後來被稱作弗里德曼-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：在過去宇宙曾經處於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。然而，由於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，大爆炸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鐘內，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。大爆炸一詞首先是由英國天文學家弗雷德·霍伊爾所採用的。霍伊爾是與大爆炸對立的宇宙學模型——穩恆態理論的倡導者，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“這個大爆炸的觀點”。雖然有很多通俗軼事記錄霍伊爾這樣講是出於諷刺，但霍伊爾本人明確否認了這一點，他聲稱這只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爆炸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爆炸理論了。大爆炸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於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裡不適用。而仍然存在爭論的問題是，藉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於普朗克時期。宇宙極早期這一高溫高密的相態被稱作“大爆炸”，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。 關於大爆炸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增長的。當暴漲結束後，構成宇宙的物質包括夸克－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，以至於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，它使夸克和輕子的數量略微超過了反夸克和反輕子的數量——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。這一機制導致了當今宇宙中物質相對於反物質的主導地位。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，大爆炸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，夸克和膠子結合形成了諸如質子和中子的重子族，由於夸克的數量要略高於反夸克，重子的數量也要略高於反重子。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）。在大爆炸發生的幾分鐘後，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平。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天文學上可觀測的結構。這一過程的具體細節取決於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的最佳觀測結果表明，宇宙中占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占比例不超過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72%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，不斷增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添加所謂宇宙常數項，但這仍然無法回答暗能量的構成、形成機制等問題，以及與此伴隨的一些更基礎問題：例如關於它狀態方程的細節，以及它與粒子物理學中標準模型的內在聯繫，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框架。如前所述，還沒有廣泛支持的模型能夠描述大爆炸後大約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。
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