“大爆炸宇宙论”认为:宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。
1929年,美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互
相远离的宇宙膨胀说。
现代宇宙学中最有影响的一种学说。
它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。
在这个时
期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。
该理论的创始人
之一是伽莫夫。
1932年勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论,1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆
炸理论,认为宇宙由大约200亿年前发生的一次大爆炸形成。
爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。
宇宙爆炸之后的不
断膨胀,导致温度和密度很快下降。
随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通
常的气体。
气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们现在所看到的宇宙。
爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。
宇宙爆炸之后的不断
膨胀,导致温度和密度很快下降。
随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常
的气体。
气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们现在所看到的宇宙。
“宇宙并非永恒存在,而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。
虽然希腊哲学家曾
经考虑过永恒宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创
造的。
那么大爆炸的思想是怎么来的呢?根据历史宇宙大爆炸思想主要有三个来源:(1)天文观测,如星
系红移;(2)广义相对论宇宙理论;(3)Gamow等的量子力学核合成原理。
当哈勃发现星系具有红移时,宇宙大爆炸思想就产生了,因为宇宙在膨胀,所以过去一定比现在小,它是一个简单而自然的逻辑推理,人人都有能力作出这样的判断,所以宇宙大爆炸思想并不能简单地归结
为某人的发现或发明。
但将大爆炸理论内容的具体化和科学化却是少数科学家的功劳,最值得提到的是Gamow的αβγ论文,Gamow第一个想到如果宇宙的过去比现在小,那么根据人类的热力学和统计物理学
知识,物质体积缩小温度会升高,所以宇宙的过去会比现在温度高,并且1948年人类已经有足够的知识
知道,核反应是有条件的,温度是主要条件,只有在一定温度条件下,某些核反应才能进行,所以根据量
子力学的核合成原理,我们可以精确地计算出在什么温度区间,某些核反应会发生,并产生什么样的元素。
基于这样的思想,Gamow在他的开创性论文中,计算出了两个可以用观测实验验证的预言:(1)在宇宙
大爆炸初期,约30万年左右的时间,温度条件使光子不再参与宇宙核反应,也就是说哪时候的光子可以
一直保留到现在。
这种现象称为光子退耦,因为宇宙在膨胀,所以退耦后的光子随着宇宙的膨胀,波长会
变长,到今天,根据计算相当于2.7K的黑体辐射(Gamow当时的数据为5K左右),这就是宇宙背景辐射,宇宙背景辐射(或退耦光子)有可能被今天的仪器测量到。
(2)根据核合成原理计算,原初核合成后,
氢占76%,氦占23%,和极少量锂、铍,其它重元素不能在原初核合成中产生。
所以今天我们应能测量到
的氦丰度在23%左右(宇宙中全部重元素只占1%左右)。
上述两个预言,后来都被实验证实了。
1965年彭齐亚斯和威尔逊,两位来之贝尔实验室的年轻人,
偶然发现他们想改做射电天文研究的通信卫星回波接收器的20英尺号角状天线上有4080MHz的额外噪声
无法消除,而且是全天空各向同性的,显然它不来之于任何天体或固定信源,最后确认他们发现的就是宇
宙背景辐射。
他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
那一年Gamow已经不在了,最可怜的是普林
斯顿是迪克,他和他的小组一直在研究宇宙背景辐射,并且做了好几套设备来探测它,但还是被两个无心
插柳的人抢先一步,与诺贝尔奖失之交臂。
1989年美国发射了COBE探测卫星,证明了在2.7K黑体辐射
的全波段上,理论和实验符合,从而进一步证明了宇宙背景辐射的存在和正确。
并探测到了背景辐射有微
小的各向异性,这说明宇宙初期就存在非对称性,两位研究者约翰·马瑟和乔治·斯穆特因此获得了
2006年的诺贝尔物理学奖。
同一个课题两次获奖在诺贝尔奖的历史上是唯一的,足以说明宇宙背景辐射
问题的重要性。
1984年Yang等人尝试实测氦丰度,以检验宇宙大爆炸理论的正确性,到1991年他们得到的实测结
果是:氦丰度=23.9%±0.3,理论和结果完全一致。
广义相对论提供的是宇宙的大尺度结构理论,这个理
论从爱因斯坦1917年第一篇关于宇宙学的论文“广义相对论中的宇宙学考察”发表后就开始发展了。
主
要的科学家有:爱因斯坦、弗里德曼、德西特、勒梅特、爱丁顿、罗伯逊、沃克等,这里要特别提到勒梅特,一位比利时宇宙学家,1927年发表了一篇文章,用广义相对论给出了一个膨胀的宇宙模型,提出了
宇宙来源于一个“原初原子”的爆炸理论,勒梅特的论文1931被爱丁顿发现后,翻译成英文,全世界才
知道了这个理论,Gamow是1948年才发表αβγ论文,所以要找“大爆炸理论”的源头的话,应该从勒
梅特开始。
到这里可以给出“宇宙大爆炸理论”历史发展的一条时间链:1905年爱因斯坦发表了第一篇关于相
对论的论文“论动体的电动力学”;1916年爱因斯坦发表了广义相对论的成熟理论“广义相对论基础”;1917年爱因斯坦发表了第一篇关于宇宙学的论文“广义相对论中的宇宙学考察”;1927年勒梅特发表了
关于“原初原子”宇宙模型的论文;1929年哈勃证实了星系红移现象;1948年Gamow发表了关于“热大
爆炸宇宙理论”的αβγ论文;1965年彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射;1984年Yang等人尝试
实测氦丰度,证明了理论和实验吻合;1989年美国发射COBE探测卫星,证明了在2.7K黑体辐射的全波
段上,宇宙背景辐射理论和实验符合;2006年约翰·马瑟和乔治·斯穆特因分析COBE卫星数据,获得诺
贝尔物理学奖,整100年,使“宇宙大爆炸理论”成为人类宇宙观的组成部分。