宇宙大爆炸

宇宙大爆炸管婕信息科学技术学院2014级通信工程2班2220142950摘要“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。本文就宇宙大爆炸理论通过列举前人的研究证明结论，对比各方面不同的看法在理论的提出、历程、意义等方面做主要探究。尽管此理论在奇点方面仍有很多疑问，但由于此理论证据充分，可证明多个现象而广泛地为人们所接受。关键词宇宙大爆炸奇点膨胀伽莫夫大爆炸理论1.开始的地方道生一，一生二，二生三，三生万物。道者，无也。——老子《道德经》宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的，随着宇宙的迅速膨胀，其温度迅速下降。最初的1秒钟过后，宇宙的温度降到约100亿度，这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷，核反应开始发生，生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，并逐渐演化成星系、恒星和行星，在个别天体上还出现了生命现象。然后，能够认识宇宙的人类终于诞生了。这幅大爆炸图景，是目前关于宇宙起源最可能的一种解释，被称为“大爆炸模型”。2.前世今生2.1哈勃1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。2.2勒梅特在膨胀宇宙的概念下，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。2.3伽莫夫1948年前后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。2.4彭齐亚斯和威尔逊1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用贝尔实验室的一台微波接收器进行诊断性测量时，意外发现了宇宙微波背景辐射的存在。他们的发现为微波背景辐射的相关预言提供了坚实的验证——辐射被观测到是各向同性的，并且对应的黑体辐射温度为3K——并为大爆炸假说提供了有力的证据。彭齐亚斯和威尔逊为这项发现获得了诺贝尔物理学奖。2.5宇宙背景探测者卫星1989年，NASA发射了宇宙背景探测者卫星（COBE），并在1990年取得初步测量结果，显示大爆炸理论对微波背景辐射所做的预言和实验观测相符合。COBE测得的微波背景辐射余温为2。726K，并在1992年首次测量了微波背景辐射的涨落（各向异性），其结果显示这种各向异性在十万分之一的量级。约翰·马瑟和乔治·斯穆特因领导了这项工作而获得诺贝尔物理学奖。在接下来的十年间，微波背景辐射的各向异性被多个地面探测器以及气球实验进一步研究。2000年至2001年间，以毫米波段气球观天计划为代表的多个实验通过测量这种各向异性的典型角度大小，发现宇宙在空间上是近乎平直的。2.6各向异性探测器2003年初，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）给出了它的首次探测结果，其中包括了在当时人们所能获得的最精确的某些宇宙学参数。航天器的探测结果还否定了某些具体的宇宙暴涨模型，但总体而言仍然符合广义的暴涨理论。此外，WMAP还证实了有一片“中微子海”弥散于整个宇宙，这清晰地说明了最早的一批恒星诞生时曾经用了约五亿年的时间才形成所谓宇宙雾，从而开始在原本黑暗的宇宙中发光。2.7普朗克卫星2009年5月，普朗克卫星作为用于测量微波背景各向异性的新一代探测器发射升空，它被寄希望于能够对微波背景的各向异性进行更精确的测量，除此之外还有很多基于地面探测器和气球的观测实验也在进行中。2.8新发现2014年3月17日美国物理学家宣布，首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜，观测宇宙大爆炸的“余烬”—微波背景辐射。微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的，计算表明，原初引力波作用到微波背景光子，会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的扰动，都产生不了这种B模式偏振，因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。3.铁证如山3.1哈勃定律遥远星系退行速度与距离正比v=Hd，在观测宇宙范围内，红移与退行速度保持良好线性关系。即红移与距离成正比。这条定律是哈勃和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后，于1929年首先公式化的。它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据，和今天经常被援引作为支持大爆炸的一个重要证据。在宇宙学研究中，哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。在发现了宇宙膨胀这个事实后，爱因斯坦把他方程中的宇宙常数去掉，并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”。3.2宇宙微波背景辐射（CMB）随着宇宙膨胀，光子与物质退耦，在最后散射面处形成背景辐射，观测结果呈高度各向同性的2.7K的黑体谱。3.3原初元素丰度宇宙早期（大约3min）时，原初核合成停止，可从宇宙学模型推测出核合成停止后的元素丰度，并与早期天体的元素丰度的观测进行对比，吻合得非常好。4.作用与意义大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：（1）大爆炸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。（2）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。（3）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。（4）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。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为3K。5.不一样的声音5.1黑洞喷射产生宇宙加拿大滑铁卢市圆周理论物理研究所（PerimeterInstituteforTheoreticalPhysics）的天体物理学家们提出新的观点，认为黑洞喷射产生宇宙。这个理论有助于解释宇宙为何从所有方向看起来都是如此一致等各种物理现象。5.2奇点的疑惑圆周理论物理研究所的天体物理学家尼亚耶．阿肖迪（NiayeshAfshordi）博士解释：“所有大爆炸理论者都相信，龙可能是从奇点飞出来的，”但是他们很难解释如此激烈的大爆炸留下的宇宙何以拥有一个几乎完全均匀的温度，因为根据大爆炸的设想，宇宙不会有足够的时间达到温度平衡。5.3膜宇宙学阿肖迪等人提出的理论为膜宇宙学，属于超弦理论和M理论。膜宇宙学认为，我们的宇宙其实是镶在一些更高维度的膜上，有更高维度的膜在影响着我们的宇宙。5.4宇宙背景辐射图2005年，美国理论物理学家劳拉．梅尔西尼-霍顿（LauraMersini-Houghton）和理查德．赫尔曼（RichardHolman）推断，宇宙背景辐射是不规则分布的，其原因是我们的宇宙受到其他宇宙的作用。2012年，普朗克天文望远镜的实际观测结果显示，宇宙背景辐射图的确呈不均匀分布。在南半部天空的背景辐射图中，存在一个现有物理学无法解释的冷斑点。5.5小宇宙论2003年，美国宇宙学家马克斯．铁马克（MaxTegmark）在《科学美国人》杂志综述了各种宇宙理论。铁马克总结，有很多理论认为我们的宇宙是个小宇宙。相比之下，有的宇宙和我们的很类似，有类似的物理常数，但是粒子的排列方法不同；有的宇宙和我们的差别很大，可能具有不同的基本物理常数，不同的物理定律。5.6黑洞不存在美国的的科学家在2014.9.28用数学的方法证明了黑洞是不存在的。据美国物理学家组织网站报道，近日，美国北卡罗来纳州大学教堂山分校的理论物理学家劳拉·梅尔西尼-霍顿在在线物理学知识库ArXiv发表文章称，她已经用数学证明了黑洞是不可能存在的。而且，一旦她的观点被科学界论证是正确之后，现代物理学对于宇宙的起源学说将被全部推翻。报道指出，劳拉的理论使用了数学方法，将万有引力理论和量子力学理论和谐地融合在了一起：得出的结论就是人们期待的黑洞并不存在。她和霍金都认为当恒星死亡坍塌时，会释放出霍金提出的辐射。但在这个过程中，星球自身也将流失一大部分的质量，最终，死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。参考文献：【1】百度文库——《大爆炸理论的依据》【2】百度文库——《宇宙大爆炸理论》【3】奥创智能网《加拿大科学家：宇宙大爆炸理论只是幻觉》【4】《宇宙的最初三分钟》王艳红【5】百度百科《宇宙大爆炸》BigBangAbstract‘Big-bangcosmology’indicates:TheuniverseisformedbytheexpansionofacompactandfierySingularity13.7billionyearsagoinaexplosion.thisarticlelistssomepreviousresearchesandconclusions,contrastssomedifferentopinions,makesastudyoftheraises,progressandeffectoftheoriesonthebasisofthebagbangtheory.InspiteofthistheoryalsohasmanyquestionsintherespectofSingularity,butithasenoughproofandcandemonstratealotofphenomenons.Sothistheoryisacceptedbypeopleextensively.KeywordThebigbangSingularityexpansionGeorgeGamowThebigbangtheory签名：