宇宙大爆炸理论
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摘要
致密致热的奇点膨胀
[1]致密致热的奇点膨胀宇宙是由一个致密炽热的奇点于150亿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。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。
简介
大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。霍伊尔是与大爆炸对立的宇宙
学模型——稳恒态理论的倡导者，他在1949年3月BBC的一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。虽然有很多通俗轶事记录霍伊尔这样讲是出于讽刺，但霍伊尔本人明确否认了这一点，他声称这只是为了着重说明这两个模型的显著不同之处。霍伊尔后来为恒星核合成的研究做出了重要贡献，这是恒星内部通过核反应利用轻元素制造出某些重元素的途径。1964年发现的宇宙微波背景辐射是支持大爆炸确实发生的重要证据，特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。[2][3]
一、经典的宇宙观念
我们从哪里来？宇宙是什么样的？这自有人类以来的永恒疑问。从西方的海龟驮大陆，到中国的天圆地方，诞生了远古的神话和宗教。托勒密的天球模型认为地球是宇宙的中心，天上的太阳和其他行星绕着地球在不同层次的同心球面上运行，最高层的星星们则保持不动。这是个粗糙但有效的宇宙模型，更关键的是，符合基督教关于人间和天堂的描述。现代天文学的开创要从哥白尼等算起，借助更先进的光学望远镜，伽利略终于发现地球并非宇宙中心，地球和其他行星是围绕着太阳运转的。再到十七世纪，开普勒、胡克等人继续为太阳系勾勒大概的轮廓。最终伟大的牛顿建立了完美的经典力学大厦，其在天文学中的威望在发现冥王星后达到顶峰。那时人们确信宇宙间所有的规律都已发现殆尽，所有星系的运动都可纳入牛顿力学的体系中。这一时期人们相信宇宙是无限广大和永恒的存在，也许这使人有某种安全感。但是用牛顿力学解释宇宙有个致命的疑问，如果万有引力是正确的，为什么星系不会因为万有引力聚拢到一起？无论宇宙有没有一个中心，只要时间足够长，星系总会慢慢靠拢，最后碰撞、毁灭。这给现代天文学提出了挑战，但是即使是当时最具有革命精神的人，也无法想象今后的颠覆性的发现。
二、大爆炸理论及其反对者
大爆炸的猜想正式登台。这个起点，人们猜想宇宙起始于一个非常小的点（奇点），并在一次惊天动地的大爆炸中诞生，之后一直膨胀至今。有人肯定要问，那宇宙诞生之前有什么？宇宙之外有什么呢？大爆炸理论认为，这种问法是错误的。按照爱因斯坦的相对论，时间和空间是合为一体的四维时空，则大爆炸的奇异点既是空间的起始点，又是时间的起始点。宇宙包含一切，没有宇宙之前，也没有宇宙之外。从星系退行的速度和星系间的距离可以反推宇宙的年龄，现在的看法，宇宙年龄大概为140亿年左右。
任何新理论的出现都要遭到保守者的反对，也只有经受这些考验，一个科学理论才能走向成熟。大爆炸理论也不例外，它提出之初，就不断遭到多数物理学家的反对，认为太违背永恒宇宙的信仰。相反大爆炸理论受到罗马教廷的欢迎，认为是上帝创造世界的间接证明。爱因斯坦也是稳恒宇宙的支持者，他为了得出了一个符合广义相对论的稳恒态宇宙模型，不惜假设了一个宇宙常数产生斥力以抵消引力的影响。这个凭空假设的宇宙常数使整个理论显得可疑。很多年后，当大爆炸理论最终被大家接受时，爱因斯坦称这个假设是他一生中犯的最大错误。
稳恒态宇宙理论另一个无法解释的问题是，夜空为什么这么黑？什么意思呢，如果宇宙永恒存在，按照目前观察到的恒星分布的密度，夜晚的星光应该很亮很密集，夜空将亮如白昼，而实际上我们只看到稀疏的星光。有人反驳说远处星星的光在传播途中被星际尘埃吸收了，但如果宇宙永恒存在，经过足够长的时间，尘埃总会被加热到足够热，也会发光，天空应该还是很亮。大爆炸理论解释说，由于宇宙膨胀得很快，恒星年龄也有限，目前远处恒星的光线还没来得及传到地球上，所以我们看不到太多的星星。
另一位稳恒宇宙的支持者质霍伊尔质疑大爆炸理论无法解释构成我们宇宙的各种元素是如何形成的，他提出了一个恒星炉模型。在这个模型中恒星是个大氢气球，在万有引力作用下，氢气聚集成恒星，恒星中心高温高压，氢原子在这里发生核聚变反应生成氦，反应产生的压力正好抵抗外有引力，产生的热使恒星发光。在恒星老年，氦元素继续聚变成氮、氧、硫，最终合成铁。当核聚变燃料烧完时，质量较小的恒星会先膨胀成一颗红巨星，再变成一颗黯淡的白矮星，主要由碳和氧构成，依靠电子简并压来抵抗万有引力。而超过钱德拉塞卡极限（约1.38倍太阳质量）的恒星会死于一场剧烈爆炸，亮度急剧上升（太阳亮度的50亿倍），此时的恒星称为“超新星”，名字叫新星，其实是垂死的挣扎。根据史书记载，公元185年，中国人观察到半人马座超新星爆发，亮度超过金星（《后汉书》：“客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消”），369年又发现仙后座超新星爆发，亮度超过木星，其后又分别在1006（《宋史》：“景德三年四月戊寅，周伯星见，出氐南，骑官西一度，状如半月，有芒角，煌煌然可以鉴物，历库楼东”）、1054（《宋会要》：“至和元年五月己酉，出天关东南可数寸，岁余稍没。”）和1604年观察到豺狼座、金牛座和蛇夫座超新星爆发。
恒星死亡时，将这些核聚变合成元素喷发出来，再经过凝结形成新的恒星或行星。地球也是在恒星炉中锻造出来的，我们身上每个原子，都曾经是某颗恒星的一部分。行星被别的恒星俘获，构成了包括我们太阳
系在内的星系。超新星的结局为中子星或黑洞。由于万有引力的压力太大，超新星在短暂的爆发后朝中心“坍塌”，连电子都被挤压到原子核中，电子与质子中和变成中子，整个星体变成一个挨一个的中子形成的中子星，其密度如此大，一调羹这种物质就比地球总质量大好多倍。某些中子星由于自传和复杂的磁场作用，会周期性辐射高能射线脉冲，又称为脉冲星。
恒星炉模型非常好的解释了构成行星的各种元素的由来，但没法解释形成恒星的氢是如何来的，而且按照这个理论的计算，宇宙中恒星炉产生的元素氦的丰度（就是所占总物质的比例）没有实际上观察到的那么大。霍伊尔又假设氢是持续不断的从宇宙中创造出来的，这个凭空的假设和爱因斯坦的宇宙常数一样缺乏依据。而大爆炸理论认为，氢和氦都是在宇宙诞生后极短时间内被制造出来的。《圣经——创世纪》中说“上帝说要有光，于是便有了光”。按照大爆炸理论，宇宙诞生之初，没有物质，只有以辐射形式存在的能量。在宇宙早期极高的能量密度下，爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2，原子弹和氢弹就是一丁点物质转化成能量的结果）使得能量与物质间维持持续不断的相互转化，达到一种热平衡，光子与核子间的比例约为10亿比1。而且高温下物质也表现得极像辐射，可以认为宇宙此时是一锅炙热的宇宙汤。具体来说，宇宙诞生1微秒后，随宇宙膨胀，温度下降到1万亿度，光开始转化成最基本的物质，如电子正电子中子质子中微子等。3分钟后，温度下降到1千万度左右，这时基本粒子开始结合形成最基本的原子核氢、氦以及少量的锂，宇宙的基本成分从此固定了。但直到约38万年之后，宇宙温度变成1万度时，原子核才能和电子结合形成原子。再往后，它们随宇宙膨胀而分散，但相邻的星云又在引力作用下聚集、凝结成恒星，大约在宇宙诞生后10亿年，宇宙中第一个星系形成，此时温度已经下降到零下200度。150亿年后的今天，温度约零下270度，我们的太阳是第二或第三代恒星了。在这一模型下计算得到元素氦的丰度正和我们今天的观测相符，从而霍伊尔的恒星炉理论反过来进一步支持了大爆炸理论。
恒星炉模型还有更深刻的意义，在研究恒星演化过程中，彭罗斯发现约数倍于太阳质量的大质量恒星不可避免的要崩塌到一个奇点上去形成所谓的黑洞，将此过程的发生顺序反过来就是一种爆炸。霍金将彭罗斯的结果应用在宇宙上，发现在广义相对论下，宇宙必然诞生于一次唯一的奇点大爆炸。这样宇宙大爆炸理论终于接近完善了。单单黑洞这个话题就值得开个专题来讲。黑洞，顾名思义，就是某种不可见的空洞，最主要的性质是其引力如此之大，以至于光线都无法从中逃脱，空间弯曲为一个闭合曲面。在黑洞中一切已知的物理定律都失效，我们所能观察到的实际上是不可观察的事件的集合的边界，即黑洞的视界。“黑洞无毛”，一切物质落入黑洞之后就丧失原有的信息，黑洞仅携带面积、质量、温度、自转等少数几个可观测量，这似乎违反热力学第二定律——孤立系统熵增原理。然而黑洞有温度和熵，即也有辐射，以一种奇怪的方式遵从热力学第二定律，黑洞并非那么黑的。物质被吸入黑洞过程中被加速及加热，产生强烈辐射，以高能辐射喷流形式从黑洞转轴方向喷射出来，据信可产生可观测的伽玛射线。即使黑洞附近空无一物，黑洞视界附近也会偶然产生虚
