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?自古以來一直是人類最感興趣和不懈探索的問題歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過各種各樣的神話傳說，但宇宙的起源本身卻是一個科學問題20世紀以來，由于科學技術的發(fā)展，人們在對宇宙觀測中取得了越來越多的重大發(fā)現(xiàn)，從而逐漸建立起科學的宇宙模型棗大爆炸宇宙學模型 一、提出大爆炸宇宙學模型的背景 20世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的旋渦星云發(fā)出的光譜時，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認識到了旋渦星云正快速遠離人們而去1929年哈勃把這種退行紅移的測量與星系的距離的測量結合起來，總結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)哈勃定律和后來更多天體紅移的測定

2、，人們相信宇宙在長時間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變稀由此反推，宇宙的結構在某一時刻前是不存在的，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模型 二、大爆炸宇宙學模型 1948年，伽莫夫等在美國物理評論雜志上發(fā)表了關于大爆炸宇宙學模型的文章：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，這是一個由熱到冷、由密到稀，不斷膨脹的過程，尤如一次規(guī)模極其巨大的超級大爆炸 頁 1 第根據(jù)這一學說，在宇宙的最早期，即距今大約150億年前，今天所觀測到的全部物質(zhì)世界統(tǒng)統(tǒng)都集中在一個很小的范圍內(nèi)，溫度極高，密度極大大爆炸開始后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)，開始向外逃逸電子棗正電子對開始發(fā)生湮沒反應，中子與質(zhì)子之比進一步下降到0.3但這時溫度還太高，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30億攝氏度這時質(zhì)子和中子已可形成像氘、氦那樣穩(wěn)定的原子核化學元素從這時候開始形成35分鐘后，宇宙溫度進一步下降到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)子仍不能和電子結合起來形成中性原子中性原子大約是在大爆炸發(fā)生后30萬年才開始形成的，這時的溫度已降到3000攝氏度，化學結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，進一步 頁 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)歷了漫長的演化，才形成了我們今天所看到的宇宙 三、大爆炸宇宙學模型的成就 宇宙早期的溫度極高，今天的溫度已降到極低(絕對溫度)如此巨大的溫度跨度是任何實驗室條件都無法辦到的

5、但是人們可以把已有的關于粒子物理、核物理、等離子體物理以及其他的物理知識應用于不同的宇宙演化階段來預言各種宇宙學效應例如，大爆炸核合成及微波背景輻射等通過多年的天文觀測，這些預言已逐漸被證實，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，對宇宙大尺度結構的觀測結果已經(jīng)證實宇宙學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)星對微波背景輻射的精密測量進一步表明在-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來可以預言這種定律它已被28000個星系的紅移(或退行速度)與距離的關系的觀測數(shù)據(jù)所證實 3

6、宇宙的年齡 宇宙既然是在一次大爆炸中誕生，那就可以談論它的年 頁 3 第齡大爆炸宇宙學預言宇宙今天的年齡約為150億年，宇宙中的結構，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，人們通過采用多種不同的方式來測定星系和恒星的年齡，例如測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，這與宇宙的年齡是相容的 4大爆炸的核合成 大爆炸宇宙學認為最初的宇宙中，既沒有分子，也沒有原子第一批原子核是在大爆炸后秒到分鐘這一時間內(nèi)，由質(zhì)子和中子組合而成并遺留至今的因而預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）多年來人們對天體范圍內(nèi)的輕元素豐度的觀測結果，正好與大爆炸的預言相一致從而成為大爆炸宇宙學的最早證據(jù) 微波背景輻射 大爆炸宇宙學模型認為溫度降低到3000左右時，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獨立組分存留下來伽莫夫預言，這種作為歷史遺跡的背景光子應當可以在今天觀測到，并估計出大約溫度為 1964年就在物理學家們計劃用輻射計觀測這種背景輻射的時候，美國貝爾電話實驗室的兩位工程師，彭齊亞斯和威爾 頁 4 第遜在安裝調(diào)試衛(wèi)星天線的過程中，發(fā)現(xiàn)天空各個不同方向上都存在一種不變的相當于的黑體輻射背景(即微波背景輻射)他們因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎后來，1989年發(fā)射的（宇宙背景探測者）衛(wèi)星則最終測定出在精度內(nèi)宇宙背景輻射是各向同性的，且測得背景光子的溫度為，于是從理論上預言的，在年時留下的遺跡終于被實測充分證實了，這也成為大爆炸宇宙學的最強有力的證據(jù) 大爆炸宇宙學模型發(fā)展至今，特別是關于輕元素豐度的解釋和微波背景輻射的測量，說明大爆炸宇宙學模型正在走向成熟但這并不能說明該理論