宇宙的起源——大爆炸宇宙学介绍，本文主要内容关键词为：起源论文,大爆炸论文,宇宙论文,宇宙学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1大爆炸宇宙学模型的背景
本世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离人们而去。1929年哈勃把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来，总结出了著名的哈勃定律：星系的退行速度v与它的距离r成正比。
根据哈勃定律和后来更多天体的红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变稀。由此反推，宇宙的结构在某一时间前是不存在的，它只能是演化的产物。
2大爆炸宇宙学模型
1948年，伽莫夫等在美国《物理评论》杂志上发表了大爆炸的文章：提出宇宙是由甚早期温度极高、密度极大、体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷、由密到稀，不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸。大爆炸开始后0.01秒，宇宙的温度约为1000亿度，其物质的主要成分为轻粒子（如光子，电子或中微子），而质子和中子只占10亿分之一，所有这些粒子都处于热平衡状态。由于整个体系在快速膨胀，因此温度很快下降。大爆炸后0.1秒，温度下降到300亿度，中子与质子之比从原来的1下降到0.61.1秒钟后，温度已下降到100亿度。随着密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃逸；电子——正电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一步下降到0.3，但这时温度还太高，核子仍不足以把中子和质子束缚在一起。大爆炸后13.8秒，宇宙温度下降到30亿度，这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核，化学元素就从这时候开始形成。35分钟后，宇宙温度进一步下降到3亿度，核形成停止了； 氦和自由质子的质量之比大致保持在0.22～0.28这一范围内；由于温度还很高，质子仍不能和电子结合起来形成中性原子。中性原子大约是在大爆炸发生后30万年才开始形成的，这时的温度已跌到3000度，化学结合作用已足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子中。到这一阶段，宇宙的主要成份是气态物质，随着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度较高的气体云，到10[9]年后，进一步形成各种星系，10[10]年形成恒星系统。这些恒星系统又经历了漫长的演化，才形成了我们今天所看到的宇宙。
3大爆炸宇宙学模型的成就
1）大尺度的均匀和各向同性 这是大爆炸宇宙模型的基础，对宇宙大尺度结构的观测结果已经证实宇宙学原理的正确性。即宇宙在大尺度上一定是均匀各向同性。1989年发射的COBE卫星对微波背景辐射的精密测量，进一步表明在10[－4]精度内宇宙是各向均匀、同性的。
2）哈勃定律 从哈勃定律得到启示建立的大爆炸宇宙模型，反过来可以预言这种定律，它已被28000 个星系的红移（或退行速度）与距离的关系的观测数据所证实。
3）宇宙的年龄 宇宙既然是在一次大爆炸中诞生，那就可以谈论它的年龄。大爆炸宇宙学预言宇宙今天的年龄约为150亿年， 宇宙中的结构，例如恒星、星系等，都是在宇宙形成以后逐渐形成的，所以它们的年龄必须小于宇宙年龄。近年来，人们通过多种不同的方式来测定星系和恒星的年龄，例如测量放射性元素及其衰变产物在星体中的丰度等，最后得到的结果是完全一致的。即星系和恒星的年龄，都在几十亿年的量级，这与宇宙的年龄是相容的。
4）大爆炸的核合成 大爆炸宇宙学认为最初的宇宙中， 既没有分子、也没有原子。第一批原子核是在大爆炸后10[－2]秒到3分钟这一时间内，由质子和中子组合而成并遗留至今的。因而预言了宇宙中轻元素的丰度（如氦的丰度约为25％，氢的丰度约为75％）。多年来人们对天体范围内的轻元素丰度的观测结果，正好与大爆炸的预言相一致，从而成为大爆炸宇宙学的最早证据。
5）微波背景辐射 大爆炸宇宙学模型认为温度降低到3000K左右时，中性原子将大量形成，光子与他们失去耦合，从而作为宇宙介质中的一个独立组分存留下来。伽莫夫预言，这种作为历史遗迹的背景光子应当可以在今天观测到，并估计出大约温度为10K。
1964年就在物理学家们计划用辐射计观测这种背景辐射的时候，美国贝尔电话实验室的两位工程师，彭齐亚斯和威尔逊在安装调试卫星天线的过程中，发现天空各个不同方向上都存在一种不变的相当于3.5K的黑体辐射背景（即微波背景辐射）。他们因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。后来，1989年发射的COBE（宇宙背景探测者）卫星则最终测定出在10[－4]精度内宇宙背景辐射是各向同性的，且测得背景光子的温度为2.7K，于是从理论上预言的、在4×10[5]年时留下的遗迹终于被实测充分证实了，这也成为大爆炸宇宙学的最强有力的证据。
大爆炸宇宙学模型发展至今，特别是关于轻元素丰度的解释和微波背景辐射的测量，说明大爆炸宇宙学模型正在走向成熟，但这并不能说明该理论无可挑剔。相反，大爆炸理论存在诸多包括视界问题、平坦性问题（现已被暴涨理论所解释）、奇性问题、磁单极子问题、重子不对称问题、暗物质问题和宇宙常数等困难，等待进一步研究。相信对这些问题的不断解决，必将进一步完善大爆炸宇宙学模型。