揭示宇宙大爆炸的奥秘

宇宙大爆炸理论

  1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论:整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中,后来发生了大爆炸,碎片向四面八方散开,形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中,提出了热大爆炸宇宙学模型:宇宙开始于高温、高密度的原始物质,最初的温度超过几十亿度,随着温度的继续下降,宇宙开始膨胀。
  1965年,彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射,后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹,从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。霍金近照
  20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释.
  宇宙的起源:最初是比原子还要小的奇点,然后是大爆炸,通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子,这些粒子在能量的作用下,逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此,大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而,至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持,而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

宇宙大爆炸是怎么发生的

    直到现在,很多西方人还认为地球和天空是在6000 年前是经超自然的创造形成的(至今很多人仍然坚信这一结论,尽管这样做了以后他们的智力看起来就和那些相信地球是平面的人一样)。无论如何,现在大多数科学家都接受这样一个事实,即太阳系是在46 亿年前由尘埃云和气体云经过一个自然过程后形成的,而且也许在150 亿年以前宇宙形成后这些云就已经存在了。
    在宇宙的开端,在时空诞生后的最初30万年里,宇宙是不透明的。随着质子和电子互相结合成原子,辐射就可以自由的通过了,于是就形成了一个可观测的宇宙。  但是如果我们回到大爆炸的时候并假设宇宙的所有物质和能量都集中在一个相当稠密的小球中,这个小球非常热,它发生爆炸形成了宇宙,那么这个小球是从哪来的呢?它是怎么形成的呢?我们一定要假设在这一阶段里有超自然创造吗?
  不一定,科学家们在1920 年推出了一门叫量子力学的学科,它太复杂了以至于我们无法在这里解释它。这是一个非常成功的理论,它恰当地解释了其他理论无法解释的现象,而且还可以预测新现象,所预测的新现象和实际上发生的完全相同。
  1980 年,一个美国物理学家阿兰·古司开始用量子力学研究了有关大爆炸起源的问题。我们可以假想在大爆炸发生以前,宇宙是一个巨大的发光的海,里面什么都不存在。很明显这种描述是不准确的,这些不存在包含着能量,所以它不是真空,因为按定义真空里应该什么都没有。前宇宙含有能量,但它的所有组成部分和真空的成分相似,所以它被叫做假真空。
  在这个假真空里,一个微小的质点存在于有能量的地方,它是通过无规律变化的无目的的力量形成的。事实上,我们可以把这个发光的假真空想象成一个泡沫状的泡泡团,它可以在这儿或在那儿产生一小片存在物,就像海浪产生的泡沫一样。这些存在物中有的很快就消失了,回归到假真空;而有的正相反变得很大或者经过大爆炸形成像宇宙那样的物体。我们就住在这样一个成功存在下来的泡泡里。   
  但是这个模型有很多问题,科学家们一直在弥补和解决它们。如果他们解决了这个问题,我们会不会有一个更好的观点来解释宇宙从何而来呢?
  当然,如果古司理论的一部分是正确的,我们可以简单地往回走一步问假真空的能量最初是从哪来的。这个我们说不出来,但这并不能帮助我们证实超自然物质的存在,因为我们还可以再往回走一步问超自然物质是从哪来。这个问题的答案令人震惊,即“它不来自任何地方,它总是这样存在的”。这是很难想象的,也许我们得说假真空中的能量也是从来都这样存在的。

 

宇宙时 时代 事件 从现在往以前计时
0 奇点 大爆炸 200亿年前
1秒 轻子时期 电子--正电子对湮灭 200亿年前
1分 辐射时代 氦和氚的核合成 200亿年前
1周 辐射热化 200亿年前
1万年 物质时期 宇宙变成物质为主 200亿年前
10~20亿年 星系开始形成 180~190亿年前
41亿年 第一代恒星形成 159亿年前
152亿年 我们的太阳系的母星际云形成 48亿年前
154亿年 太阳系行星形成 46亿年前
161亿年 太古代 最老的地球岩石形成 39亿年前
170亿年 地球上的微生物形成 30亿年前
180亿年 元古代 地球上富氧大气发展 20亿年前
190亿年 古生代 地球上宏观生命形成 10亿年前
198亿年 地球上爬行动物出现 2亿年前
198.5亿年 新生代 地球上出现恐龙 1.5亿年前
200亿年 地球上出现人类 200万年前

有史以来最雄心勃勃的探测器MAP试图精确揭示宇宙演化中最深邃的奥秘

 美国东部时间6月30日下午,在卡那维那尔角火箭发射场,德尔塔二型火箭成功地发射了微波各向异性探测器。美国宇航局的科学家称,这个耗资1·45亿美元的探测器,将试图精确揭示有关宇宙演化过程中蕴藏的某些惊人的秘密。
    微波各向异性探测器(英文简称MAP,意思恰好是“绘图”)将在8月初飞过月球,9月飞到工作地点,开始执行为期两年的考察任务,探测宇宙大爆炸遗留下来的痕迹————分布在整个天空的宇宙微波背景辐射。它的观测位置是精心选择的,靠近第二个拉格朗日点,大约在太阳—地球连线上地球外侧约150万公里处,这样可以确保MAP上的望远镜在任何时候都能挥洒自如地观测太空深处的情况。
    宇宙大爆炸理论是俄裔美国科学家伽莫夫在1948年提出来的。该理论认为,宇宙开始是个高温致密的火球,它不断地向各个方向迅速膨胀。当温度和密度降低到一定程度,宇宙发生剧烈的核聚变反应。随着温度和密度的降低,宇宙早期存在的微小涨落在引力作用下不断增大,最后逐渐形成今天宇宙中的各种天体。
    当时,一些科学家反对这一理论,并讥笑说,“如果宇宙起始于某次大爆炸,这种爆炸理应留下某种遗迹,那就请把它找出来吧!”与他们的愿望相反,大爆炸的遗迹在1964年果真被找到了:这就是宇宙微波背景辐射。宇宙大爆炸模型,也与DNA双螺旋模型、地球板块模型、夸克模型一起,被认为是20世纪科学中最重要的四个模型。
    宇宙微波背景辐射是宇宙中最古老的光。按照宇宙大爆炸理论,约140亿年前(关于宇宙年龄,还有不同的说法),宇宙形成之初,致密物质像笼子一样禁锢了所有辐射,大爆炸后30万年,随着这些物质密度的下降,微波背景辐射才得以挣脱束缚。就像恐龙化石能让我们认识若干万年前的恐龙一样,这种“化石”光可以不受阻挡地穿越茫茫宇宙,让我们了解宇宙“婴儿时期”的各种信息。
    科学家说,对宇宙微波背景辐射的深入了解,一些困扰人类多年的问题可望得到回答:大爆炸后的第一瞬间发生了什么?宇宙是如何演变成今天我们所见到的具有复杂的星系结构?宇宙的年龄究竟是多少?宇宙的膨胀速度到底有多快?等等。
    发射捕捉“化石”光的探测器,对美国宇航局来说已经不是第一次了。1989年,美国宇航局发射了历时15年研制成功的宇宙背景辐射探测卫星(简称COBE)。1992年,COBE获得一个上了世界各大新闻媒体头条的惊人发现:背景辐射虽然几乎是均匀分布的,但在天空中上万个点中,却有一部分的温度不一样,扣除地球运动的影响后,有的地方是2·7251K(K为绝对温度),有的地方却是2·7249K。这种微小的热变化,或者叫各向异性,表明从一开始宇宙就有热点和冷点,也就是说,早期宇宙物质密度存在差别。
    COBE描绘出的只是一张草图。因此,美国宇航局在1996年开始研制MAP。与COBE相比,MAP有着十分显著的优点:COBE的飞行高度比普通通讯卫星还低,而MAP高高在上的飞行轨道则使它免受月球、地球、太阳的干扰;COBE把天空分成6000块像400个月球一样大的区域进行搜索,而MAP将观测300万多块只有月球1/4大的区域————有科学家因此戏称,如果说COBE能看见上帝,MAP就能看见上帝的指纹;COBE测量不同区域温度差的精度大概不到五万分之一度,而MAP的精度可达到百万分之一度;等等。
    “微波背景辐射的各向异性图谱,就像宇宙初生时的一幅快照,这不能不说是宇宙留给我们的一份珍贵遗产,”中科院研究生院研究员章德海说,“微波背景辐射的奇妙之处在于,它居然把我们对宇宙的一种可供检验的认识,推进到了如此遥远和深邃、令人难以置信的程度。”

《南方周末》 2001年7月06日

20世纪可以证明“宇宙大爆炸”理论的观测依据主要有5项,科学界普遍予以接受

   星系退行:通过光谱观测发现,遥远的星系均以很高的速度在彼此退行。这表明星系系统处于一种膨胀状态。天文学家据此进一步计算出宇宙的年龄约为200亿光年。

  宇宙时标:用放射性年代学的方法测得月岩和最老的陨石年龄均为46亿年;由恒星演化模型导出的银河系中最老的恒星年龄为150亿年,迄今用各种独立的方法对不同天体测定的时标均在由星系的速度----距离关系所确定的宇宙年龄200亿年以内,这说明宇宙年龄是有限的。

  宇宙中的氦和氘:通过对比较原始的星际气体的观测发现,在银河系和许多河外星系中,轻元素氦的同位素氘相对于氢的数量基本上是均匀分布的。这和许多重元素的非均匀分布形成了鲜明的对照,用宇宙大爆炸理论解释就是:因为大爆炸后最初几分钟内预期出现的高温高密状态极易导致轻元素的合成;而重元素则是在众多的恒星内核深处合成,直到发生超新星爆发时才大量散布开来的,它们相对于氢的数量不会是均匀分布的。

  射电星系:60年代用综合孔径射电望远镜进行的大量观测表明,具有星系级能量的暗弱射电源的数目,比射电源空间均匀分布假设所预期的多很多,即射电星系在空间实际上不是均匀分布的。由此推断,在宇宙学时标上,射电星系是从较强的源演化成较弱的源的。

  微波背景辐射:发现宇宙间存在背景辐射,是温度相当于2.74K的黑体辐射,一般称为3K微波背景辐射。这种辐射正好解释为宇宙早期炽热火球的暗淡余光。按照大爆炸理论,随着宇宙的膨胀,原始火球的炽热的黑体辐射,势必拉长波长,降低温度,导致今天在微波段观测到不足3K的背景辐射。 

 

丁肇中谈宇宙大爆炸

 诺贝尔物理学奖得主、世界著名物理学家丁肇中近几年 一直在从事探索宇宙奥秘的研究。他目前正在从事一项被他 称为“寻找宇宙最初的基本东西是什么”的研究。近日,趁 他出席由中国科协主办的“科教兴国国际研讨会”之机,笔 者请他谈谈他目前从事的科研工作。

  目前,丁教授正领导来自世界各地的包括中国在内的一 批科学家在LEP大型正负电子对撞机上进行名为L—3的实验, 这一实验将于明年上半年进行,目的是模拟宇宙大爆炸的最 初形态。他希望这一实验有助于寻找到宇宙大爆炸最初时刻 质量的来源。从而有助于解开宇宙之谜。

  遥望星空,那里有多少无人知晓的秘密。从小就具有浓 厚好奇心的丁教授说,正是这份好奇心使他走上了科学探索 之路。近几年,丁教授把他的研究方向定位在探索人类对宇 宙的未知之谜上。几年前,笔者曾最早报道了丁教授当时进 行的将阿尔法磁谱仪送入太空,以寻找宇宙中反物质和暗物 质存在的工作,去年,航天飞机带回了这次实验的信息,虽 然,迄今人类还未发现宇宙中反物质的存在,但阿尔法磁谱 仪却带回了宇宙中正电子数与负电子数相差四倍这一令人不 解的实验信息。

  对于获得的这一信息的意义,丁教授持十分谨慎的态度, 他说,这起码是对传统物理学观念的一次冲击,正电子数与 负电子数为什么不相等,宇宙中存在什么样的奥秘,有待我 们去揭开。

  他说,我从哪里来?宇宙是什么?人类一直在苦苦地寻 求着答案。作为科学家,全部工作的意义就在于解开这些秘 密,因此,科学家更加渴望获得答案,但是,真正的科学家 明白,获得答案的手段只能是科学探索,物理学被称为实验 的科学,科学家在探索宇宙时,每一个能够使人信服的结论 都要经过严格的科学实验的检验,科学家常常是面对获得的 大量信息,要经过艰苦的科学分析才能得出结论,科学家是 不会轻易给一些自然现象下结论的,这就是科学的精神和科 学的态度,这也是为什么在探索未知世界的时候,科学家会 比一般人显得更谨慎,持有更多的疑问。他说,很早就知道 有预言家预言地球只能存在4000年的说法,也知道某些预言 家有关地球毁灭的预言,对此他认为,这没有任何科学道理。

  迄今为止,科学研究已经相信,宇宙起源于大爆炸,宇 宙中的90%以上是暗物质,宇宙在大爆炸发生之时就存在着 正电子与负电子,正物质与反物质,那么,如果这一理论成 立,为什么我们却只知道有物质而找不到反物质呢?反物质 究竟到哪里去了呢?丁教授相信,由于科学手段的不断改进, 科学实验正在一步步深入,相信科学会为我们解开一个个谜 团而一步步接近科学真理。

  对于此次科学实验能否取得重要成果,丁教授认为,解 开宇宙奥秘不是短时期能办到的,他相信在下个世纪的前二、 三十年里,人类在探索宇宙奥秘方面一定会有重要的突破。

宇宙大爆炸理论

  大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说,英文说法为<SPAN lang=EN-US>Big Bang,也称为大爆炸宇宙论。大爆炸理论诞生于20世纪20年代,在40年代得到补充和发展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论。
    大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,在<SPAN lang=EN-US>100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束(见元素合成理论)。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。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙。
     大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:
理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
    观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。
     在各种不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高,则可以说明这一事实。
     根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等,可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。
    按照大爆炸理论,宇宙是<SPAN lang=EN-US>150亿年前从一个极小的点诞生的,从那里诞生了时间和空间、质量和能量,从而由物质小微粒聚集成大团的物质,最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前,宇宙中没有物质,没有能量,甚至没有生命。
     但是,大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样,或者说发生这次大爆炸的原因是什么?按照大爆炸理论,宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程,从大爆炸到黑洞的周而复始,便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。
    大爆炸理论虽然并不成熟,但是仍然是主流的宇宙形成理论的关键就在于目前有一些证据支持大爆炸理论,比较传统的证据如下所示:
     红位移>从地球的任何方向看去,遥远的星系都在离开我们而去,故可以推出宇宙在膨胀,且离我们越远的星系,远离的速度越快。
    哈勃定律
哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。
是远离速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常数,为50;D(Mpc)是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。
   氢与氦的丰存度
由模型预测出氢占<SPAN lang=EN-US>25%,氦占75%,已经由试验证实。
微量元素的丰存度
   对这些微量元素,在模型中所推测的丰存度与实测的相同。
    3K的宇宙背景辐射
    根据大爆炸学说,宇宙因膨胀而冷却,现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬,1965年,3K的背景辐射被测得。背景辐射的微量不均匀证明宇宙最初的状态并不均匀,所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。
    宇宙大爆炸理论的新证据
2000年12月份的英国《自然》杂志上,科学家们称他们又发现了新的证据,可以用来证实宇宙大爆炸理论。长期以来,一直有一种理论认为宇宙最初是一个质量极大,体积极小,温度极高的点,然后这个点发生了爆炸,随着体积的膨胀,温度不断降低。至今,宇宙中还有大爆炸初期残留的称为“宇宙背景辐射”的宇宙射线。科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现,其温度确实比现在的宇宙温度要高。他们发现,背景温度约为-263. 89摄氏度,比现在测量的-273.33的宇宙温度要高。虽然已有上述证据存在,但是宇宙是否起源于大爆炸学说,仍然缺乏足够多的令人信服的证据。

3K是什么意思?二十世纪六十年代初,美国科学家彭齐亚斯和R·W·威尔逊为了改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年,他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音,他们甚至清除了天线上的鸟粪,但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为,这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年,他们又订正为3K,并将这一发现公诸于世,为此获1978年诺贝尔物理学奖金。