宇宙大爆炸理論介紹

1、宇宙大爆炸理論介紹 宇宙是如何起源的?自古以來(lái)一直是人類最感興趣和不懈探索的問(wèn)題歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)各種各樣的神話傳說(shuō)，但宇宙的起源本身卻是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題20世紀(jì)以來(lái)，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)趯?duì)宇宙觀測(cè)中取得了越來(lái)越多的重大發(fā)現(xiàn)，從而逐漸建立起科學(xué)的宇宙模型棗大爆炸宇宙學(xué)模型 一、提出大爆炸宇宙學(xué)模型的背景 20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離人們而去1929年哈勃把這種退行紅移的測(cè)量與星系的距離的測(cè)量結(jié)合起來(lái)，總結(jié)出了著名的哈勃定律：星系的退行速度v與它的距離r成正比，即vHr 根據(jù)哈勃定律和后來(lái)更多天體紅移的測(cè)定

2、，人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變稀由此反推，宇宙的結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能是演化的產(chǎn)物因而1948年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙學(xué)模型 二、大爆炸宇宙學(xué)模型 1948年，伽莫夫等在美國(guó)物理評(píng)論雜志上發(fā)表了關(guān)于大爆炸宇宙學(xué)模型的文章：提出宇宙是由甚早期溫度極高且密度極大，體積極小的物質(zhì)迅速膨脹形成的，這是一個(gè)由熱到冷、由密到稀，不斷膨脹的過(guò)程，尤如一次規(guī)模極其巨大的超級(jí)大爆炸 頁(yè) 1 第根據(jù)這一學(xué)說(shuō)，在宇宙的最早期，即距今大約150億年前，今天所觀測(cè)到的全部物質(zhì)世界統(tǒng)統(tǒng)都集中在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，溫度極高，密度極大大爆炸開(kāi)始后0.01秒，宇宙的溫度約為1000億攝氏

3、度，其物質(zhì)的主要成分為輕粒子(如光子、電子或中微子)，而質(zhì)子和中子只占十億分之一所有這些粒子都處于熱平衡狀態(tài)由于整個(gè)體系在快速膨脹，因此溫度很快下降大爆炸后0.1秒，溫度下降到300億攝氏度，中子與質(zhì)子之比從原來(lái)的1下降到0611秒鐘后，溫度已下降到100億攝氏度隨著密度的減小，中微子不再處于熱平衡狀態(tài)，開(kāi)始向外逃逸電子棗正電子對(duì)開(kāi)始發(fā)生湮沒(méi)反應(yīng)，中子與質(zhì)子之比進(jìn)一步下降到0.3但這時(shí)溫度還太高，核子仍不足以把中子和質(zhì)子束縛在一起大爆炸后13.8秒，宇宙溫度下降到30億攝氏度這時(shí)質(zhì)子和中子已可形成像氘、氦那樣穩(wěn)定的原子核化學(xué)元素從這時(shí)候開(kāi)始形成35分鐘后，宇宙溫度進(jìn)一步下降到3億攝氏度，核形成

4、停止了氦和自由質(zhì)子的質(zhì)量之比大致保持在0.220.28這一范圍內(nèi)由于溫度還很高，質(zhì)子仍不能和電子結(jié)合起來(lái)形成中性原子中性原子大約是在大爆炸發(fā)生后30萬(wàn)年才開(kāi)始形成的，這時(shí)的溫度已降到3000攝氏度，化學(xué)結(jié)合作用已足以將絕大部分自由電子束縛在中性原子中到這一階段，宇宙的主要成份是氣態(tài)物質(zhì)，隨著溫度的進(jìn)一步降低，它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體云，到109年后，進(jìn)一步 頁(yè) 2 第形成各種星系，1010年形成恒星系統(tǒng)這些恒星系統(tǒng)又經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化，才形成了我們今天所看到的宇宙 三、大爆炸宇宙學(xué)模型的成就 宇宙早期的溫度極高，今天的溫度已降到極低(絕對(duì)溫度)如此巨大的溫度跨度是任何實(shí)驗(yàn)室條件都無(wú)法辦到的

5、但是人們可以把已有的關(guān)于粒子物理、核物理、等離子體物理以及其他的物理知識(shí)應(yīng)用于不同的宇宙演化階段來(lái)預(yù)言各種宇宙學(xué)效應(yīng)例如，大爆炸核合成及微波背景輻射等通過(guò)多年的天文觀測(cè)，這些預(yù)言已逐漸被證實(shí)，從而成為大爆炸宇宙模型的有力證據(jù) 1大尺度的均勻和各向同性 這是大爆炸宇宙模型的基礎(chǔ)，對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)宇宙學(xué)原理的正確性即宇宙在大尺度上一定是均勻各向同性，1989年發(fā)射的衛(wèi)星對(duì)微波背景輻射的精密測(cè)量進(jìn)一步表明在-4精度內(nèi)宇宙是各向均勻、同性的 哈勃定律 從哈勃定律得到啟示建立的大爆炸宇宙模型反過(guò)來(lái)可以預(yù)言這種定律它已被28000個(gè)星系的紅移(或退行速度)與距離的關(guān)系的觀測(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí) 3

6、宇宙的年齡 宇宙既然是在一次大爆炸中誕生，那就可以談?wù)撍哪?頁(yè) 3 第齡大爆炸宇宙學(xué)預(yù)言宇宙今天的年齡約為150億年，宇宙中的結(jié)構(gòu)，例如恒星、星系等，都是在宇宙形成以后逐漸形成的，所以它們的年齡必須小于宇宙年齡近年來(lái)，人們通過(guò)采用多種不同的方式來(lái)測(cè)定星系和恒星的年齡，例如測(cè)量放射性元素及其衰變產(chǎn)物在星體中的豐度等，最后得到的結(jié)果是完全一致的即星系和恒星的年齡，都在幾十億年的數(shù)量級(jí)，這與宇宙的年齡是相容的 4大爆炸的核合成 大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為最初的宇宙中，既沒(méi)有分子，也沒(méi)有原子第一批原子核是在大爆炸后秒到分鐘這一時(shí)間內(nèi)，由質(zhì)子和中子組合而成并遺留至今的因而預(yù)言了宇宙中輕元素的豐度(如氦的豐度約為

7、，氫的豐度約為）多年來(lái)人們對(duì)天體范圍內(nèi)的輕元素豐度的觀測(cè)結(jié)果，正好與大爆炸的預(yù)言相一致從而成為大爆炸宇宙學(xué)的最早證據(jù) 微波背景輻射 大爆炸宇宙學(xué)模型認(rèn)為溫度降低到3000左右時(shí)，中性原子將大量形成，光子與他們失去耦合，從而作為宇宙中的一個(gè)獨(dú)立組分存留下來(lái)伽莫夫預(yù)言，這種作為歷史遺跡的背景光子應(yīng)當(dāng)可以在今天觀測(cè)到，并估計(jì)出大約溫度為 1964年就在物理學(xué)家們計(jì)劃用輻射計(jì)觀測(cè)這種背景輻射的時(shí)候，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師，彭齊亞斯和威爾 頁(yè) 4 第遜在安裝調(diào)試衛(wèi)星天線的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)天空各個(gè)不同方向上都存在一種不變的相當(dāng)于的黑體輻射背景(即微波背景輻射)他們因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后來(lái)，1989年發(fā)射的（宇宙背景探測(cè)者）衛(wèi)星則最終測(cè)定出在精度內(nèi)宇宙背景輻射是各向同性的，且測(cè)得背景光子的溫度為，于是從理論上預(yù)言的，在年時(shí)留下的遺跡終于被實(shí)測(cè)充分證實(shí)了，這也成為大爆炸宇宙學(xué)的最強(qiáng)有力的證據(jù) 大爆炸宇宙學(xué)模型發(fā)展至今，特別是關(guān)于輕元素豐度的解釋和微波背景輻射的測(cè)量，說(shuō)明大爆炸宇宙學(xué)模型正在走向成熟但這并不能說(shuō)明該理論