大爆炸宇宙学(理论概念)详细数据收集
基本介绍中文名:BIGBANG mbth:宇宙？大爆炸；宇宙大爆炸理论时间:654.38+03.82亿年前？形成:稠密而炽热的奇点膨胀和爆炸理论的奠基人:勒迈特、伽莫夫、哈勃等。简介、产生原理、基本假设、研究过程、初始阶段、验证阶段、成熟阶段、简要爆炸史、观测事实、相关概念、膨胀空间、视界、微波辐射(1978诺贝尔物理学奖)、氦丰度、主要证据、理论奖、爆炸。引言“宇宙大爆炸理论”认为，宇宙是在6543.8+037亿年前的一次大爆炸后，由一个密集而炽热的奇点膨胀而形成的。1927，比利时天文学家和宇宙学家勒迈特(乔治·马乐？Tre)首次提出大爆炸假说。1929年，美国天文学家哈勃提出了星系红移与星系间距离成正比的哈勃定律，并推导出星系间距离较远的暴胀宇宙理论。现代宇宙学中最有影响力的理论。它的主要观点是，宇宙曾经有过从热到冷的进化史。在此期间，宇宙系统不断膨胀，使得物质的密度从稠密演化到稀疏，就像一次巨大的爆炸。这个理论的创始人之一是加莫夫。1946年，美国物理学家加莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙是由大约14亿年前发生的一次大爆炸形成的。上世纪末，对Ia超新星的观测表明，宇宙正在加速膨胀，因为宇宙可能大部分由暗能量组成。在爆炸初期，物质只能以中子、质子、电子、光子、中微子等基本粒子的形式存在。宇宙爆炸后的不断膨胀导致温度和密度迅速下降。随着温度的降低和冷却，逐渐形成原子、原子核和分子，并结合成常见的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成了各种恒星和星系，最终形成了我们今天看到的宇宙。宇宙不是永远存在的，而是从虚无中创造出来的这种观念，可以说是深深植根于西方文化中的。虽然希腊哲学家考虑过宇宙永恒的可能性，但西方各大宗教一直坚持宇宙是上帝在过去某个时间创造的。基本假设大爆炸理论的建立基于两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指宇宙在大尺度上是均匀的、各向同性的。起初，这些观点是作为先验公理引入的，现在也有相关的研究工作试图验证它们。比如，对于第一个假设，已经有实验证明，在宇宙诞生以来的大部分时间里，精细结构常数的相对误差不会超过10 (-5)。此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论得到了非常精确的实验验证；在更广阔的宇宙尺度上，大爆炸理论在很多方面的实证成功也是对广义相对论的有力支持。假设大尺度宇宙从地球看是各向同性的，那么宇宙学原理可以从更简单的哥白尼原理推导出来。哥白尼原理意味着不存在偏好的(或特殊的)观察者或观察位置。根据对微波背景辐射的观测，宇宙学原理已被证明在10 (-5)量级上成立，而大尺度上观测到的宇宙均匀性在10%量级上。很多人在研究过程的初始阶段并不知道的是，与大爆炸理论已经成为常识的今天相比，世界科学界的态度在它刚刚提出后的很长一段时间里都是“嗤之以鼻”。这种奇怪的现象是因为当时的科学界受到进化论推翻上帝创世论的哲学思潮的影响，盲目反对传统理论，拒绝承认宇宙有一个起点，正如圣经所说。这一时期，西方科学界普遍坚持宇宙和物质是不变的，没有开始也没有结束。所以所有涉及宇宙和万物“都有起点”的理论都不被认可。包括像爱因斯坦这样的伟大科学家，也受到它的影响。爱因斯坦总结引力场方程，发现Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv这个公式会推导出宇宙其实是一个物质变化永无止境的动态宇宙，于是他在这个公式中强加了一个“宇宙常数”来维持静态宇宙的计算结果。也就是说，原来的场方程其实是这样的:∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv，其中常数∧是宇宙常数。验证阶段但自从美国天文学家埃德温·哈勃在1922年开始观测到“红移现象”，关于“宇宙膨胀”的观点开始形成。1929年，埃德温·哈勃总结了一个具有里程碑意义的发现，那就是无论你从哪个方向看，遥远的星系都在快速离开我们，而附近的星系正在向我们靠近。换句话说，宇宙正在膨胀。这意味着早期恒星之间的距离更近。事实上，看起来它们在大约654.38+00亿年到200亿年前的某个时间恰好在同一个地方，所以哈勃的发现提出有一个时刻叫做大爆炸，当时宇宙处于一个密度无穷大的奇点。听到这一消息，爱因斯坦很快来到哈勃工作的威尔逊天文台，在哈勃的带领下亲自观测红移现象。采访结束后，爱因斯坦公开承认了自己主观意识影响科学结论的错误，将场方程中的宇宙常数去掉，于是就有了我们今天所熟悉的爱因斯坦场方程。大约在1948的成熟阶段，伽莫夫第一个建立了热爆炸的概念。创造宇宙的大爆炸不是那种发生在地球上某一点，然后扩散到周围空气中的爆炸，而是那种同时发生在各处，从一开始就充满整个空间的爆炸。爆炸中的每一个粒子都飞离了其他粒子。其实应该理解为空间的急速膨胀。“整个空间”可以指整个无限宇宙，也可以指像球体一样可以弯回到原来位置的有限宇宙。根据大爆炸宇宙学，早期宇宙是由微观粒子组成的大型均匀气体，温度极高，密度极高，膨胀速度极大。这些气体在热平衡状态下具有均匀的温度。这个统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，所以被称为宇宙温度。气体的绝热膨胀会降低温度，使原子核、原子甚至恒星系统相继出现。宇宙大爆炸初期爆炸简史:大约6543.8+05亿年前，体积无限小、密度无限高、温度无限高、时空曲率无限大的点称为奇点。空间和时间诞生于某种永恒性——一些宇宙学家称之为量子真空(伪真空)，它充满了符合海森堡测不准原理的量子能量扰动。大爆炸后10 -43秒(普朗克时间):约10 32度，宇宙从量子涨落的背景中浮现出来，这个阶段称为普朗克时间。在此之前，宇宙密度可能超过每立方厘米1094g，比质子密度高10 78倍。物理学中所有的力都是一种。(超对称)在这个阶段，宇宙已经冷却到引力可以分离并开始独立存在的程度，存在传递引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力(强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用)仍然是一体的。宇宙大爆炸后10-35秒:约10 27度。在暴涨期(第一次推动)，引力已经分离，形成了夸克、玻色子和轻子。在这个阶段，宇宙已经冷却到可以分离强相互作用的程度，而弱相互作用和电磁相互作用仍然统一在所谓的电弱相互作用中。宇宙也暴涨了，只持续了10-33秒。此时此刻，宇宙经历了100倍的倍增(2100)，得到的尺度是之前尺度的1030倍(暴涨的是宇宙本身，也就是空间和时间本身，不违反光速屏障)。在暴胀之前，宇宙还在光子的互联范围内，可以抹平所有的粗糙点。当通货膨胀停止时，今天检测到的已经稳定在各自的小区域内，这就是所谓的通货膨胀理论。宇宙大爆炸后10 -12秒:约10 15度。在粒子阶段，质子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、电子、夸克和胶子稳定下来。宇宙变得足够冷，弱电相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用。轻子族(电子、中微子和相应的反粒子)需要等待宇宙继续冷却10 -4秒，才能与其他粒子脱离平衡相。一旦中微子与物质解耦，它们将在太空中自由旅行，原则上，这些原生中微子可以被探测到。大爆炸后0.01秒:约1000亿度，主要是光子、电子和中微子，质子中子仅占1亿的一部分，处于热平衡，系统迅速膨胀，温度和密度不断下降。大爆炸后0.1秒:约300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。宇宙大爆炸后1秒:约1000亿度，中微子向外逃逸，正负电子出现湮灭反应，核力不足以束缚中子和质子。大爆炸后10秒:约30亿度。在原子核时期，形成了氢、氦等稳定的原子核(化学元素)。当宇宙冷却到10 9开尔文以下时(大约100秒后)，粒子跃迁是不可能的。核合成的计算表明，重子密度只占一个拓扑平坦宇宙所需物质的2%~5%，这强烈暗示了其他形式的物质能量(非重子暗物质和暗能量)充斥着宇宙。大爆炸后35分钟:约3亿度，初级核合成过程停止，中性原子无法形成。大爆炸后为10 11秒(10 4年)，温度约为10 5开尔文，为物质期。在宇宙的早期历史中，光主宰了所有形式的能量。随着宇宙的膨胀，电磁辐射的波长拉长，相应的光子能量也减少。辐射能量密度与尺度(R)和体积(4πR 3 /3)的乘积成反比减小，即An 1/R 4减小，而物质的能量密度只是与体积1/R 3成反比减小。一万年后，物质密度赶上了辐射密度，并超过了辐射密度。从此，宇宙及其动力学开始被物质所主宰。宇宙大爆炸后30万年:大约3000度，中性原子通过化学结合形成，宇宙的主要成分是气态物质，在自引力的作用下逐渐凝聚成密度很高的气体云，直至恒星和恒星系统。量子真空在暴涨期达到顶峰，随后以暗能量的形式渗透到整个宇宙，并且随着物质和辐射密度的迅速降低，暗能量越来越明显。暗能量可能占据宇宙总能量密度的2/3，从而推动宇宙加速膨胀。《生活大爆炸》理论的科学性令人信服。最直接的证据来自对遥远星系光特性的研究。20世纪20年代，天文学家埃德温·哈勃研究了维斯塔·斯莱弗的观测结果。他注意到遥远星系的颜色比附近星系的颜色略红。哈勃仔细测量了这种变红，并制作了一张图片。他发现这种变红(红移)是有系统的，一个星系离我们越远，它就显得越红。光的颜色与其波长有关。在白光光谱中，蓝光在短波端，红光在长波端。遥远星系的变红意味着它们的光波波长略长。哈勃在仔细确定了许多星系光谱中特征谱线的位置后，证实了这一效应。他认为光波的拉长是宇宙膨胀的结果。哈勃的这一伟大发现奠定了现代宇宙学的基础。膨胀宇宙的本质令许多人困惑。从地球的角度来看，似乎遥远的星系正在迅速离开我们。然而，这并不意味着地球是宇宙的中心。平均来说，宇宙不同地方的膨胀图像是一样的。可以说每一个点都是中心，没有一个点是中心(最好的解释就是一幅画:三维空间的切割)。我们最好把它想象成星系之间的空间在拉伸或膨胀，而不是星系在空间运动。这和我们日常生活中看到的从一个点爆炸是不同的。空间可以拉伸这个事实看起来很奇怪，但自从1915年爱因斯坦的广义相对论发表以来，这是一个科学家们早已熟悉的概念。广义相对论认为引力实际上是空间(严格来说是时空)弯曲或变形的一种表现。从某种意义上说，空间是有弹性的，可以按照一定的方式弯曲或拉伸，这取决于物质的排列。这个想法已经被观察充分证实了。相关概念膨胀空间的基本概念可以通过简单的模拟来理解。想象一下在松紧带上缝一排纽扣。假设松紧带从两端拉伸，结果所有的扣子都离得很远。无论我们选择看哪个按钮，其相邻侧的按钮似乎都在远离，而且这种扩展在哪里都是一样的，没有特别的中心。当然，我们画这一排按钮的时候，它有一个中央按钮，但这和系统的扩展方式无关。只要这个带纽扣的弹力带被无限拉长或者绕成一个圈，这个中心就不存在了。从任意一个按钮开始，最近的[URL]按钮以一定的速度后退，然后下一个按钮后退两次，以此类推。在你看来，按钮离得越远，退得越快。所以，这种膨胀意味着回归速度与距离成正比——这是一个极其重要的关系。借助这个图像，我们可以想象光波是。难怪哈勃发现红移与距离成正比，与这个简单的图像模拟结果完全一致。视界大爆炸的一个重要特征就是视界的存在:因为宇宙的年龄是有限的，光的速度也是有限的，所以可能会有一些过去的事件无法通过光向我们传递信息。从这个分析可以看出，存在这样一个极限或过去的视界，只有在这个极限距离内的事件才能被观测到。另一方面是因为空间在不断膨胀，而物体离得越远，倒退的速度就越大，以至于我们发出的光可能永远也到不了那里。从这个分析中我们可以看出，存在这样一个极限或者说未来的视界，只有在这个极限距离内的事件才能被我们影响。上述两个视界的存在依赖于描述我们宇宙的FLRW模型的具体形式:我们现有的关于非常早期宇宙的知识意味着宇宙应该有一个过去的视界，但在实验中，我们的观测仍然受到早期宇宙对电磁波的不透明性的限制，这导致我们无法在过去的视界由于空间膨胀已经退化的情况下，通过电磁波观测到更遥远的事件。另一方面，如果宇宙的膨胀保持加速，宇宙也会有未来视界。微波辐射(1978诺贝尔物理学奖)早在四十年代末，大爆炸宇宙学的鼻祖加莫夫就认为，我们的宇宙沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，其温度约为6 K，就像一个火炉，虽然没有火，但仍能散发出一点热量。宇宙微波背景辐射1964、美国贝尔电话公司的年轻工程师彭齐亚斯(penzias)和威尔逊(Wilson)在调试他们巨大的喇叭天线时，意外地收到了一种无线电干扰噪音。各个方向的信号强度都是一样的，持续了几个月都没有变化。仪器本身有问题吗？还是栖息在天线上的鸽子造成的？他们把天线拆开，然后重新组装，但他们仍然收到那种无法解释的噪音。这种噪声的波长在微波波段，对应的是有效温度为3.5K的黑体辐射的电磁波(其光谱与达到一定热平衡状态的炉内发光完全一致，这种辐射被物理学家称为“黑体辐射”)。经过分析，他们认为这种噪声肯定不是来自卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系的射电源，因为旋转天线时噪声强度总是相同的。后来经过进一步的测算。得出辐射温度为2.7K，一般称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现极大地鼓舞了许多从事大爆炸宇宙学研究的科学家。因为彭齐亚斯和威尔逊的观测结果与理论预测的温度如此接近，是对BIGBANG理论非常有力的支持！这是继哈勃在1929年发现星系谱线红移后的又一重大天文发现。宇宙微波背景辐射的发现开辟了观测宇宙的新领域，为各种宇宙模型提供了新的观测约束，因此被列为20世纪60年代天文学的四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊在1978年获得诺贝尔物理学奖。科学瑞典学院在获奖决定中指出:这一发现使我们能够获得很久以前宇宙创造时期发生的宇宙过程的信息。氦丰度终于有了证明热高密度宇宙起源理论的证据。只要知道今天热辐射的温度，就很容易计算出宇宙诞生后，宇宙周围的温度大约是1秒，对于现有的核合成来说，这个温度太高了。那时候物质肯定被撕成最基本的成分，形成一锅夸克胶子汤，比如质子、中子、电子。然而，随着汤变冷，可能会发生核反应。大爆炸模型可以用来计算宇宙中氦-4、氦-3、氘、锂-7等轻元素相对于普通氢的比例。所有这些轻元素的丰度取决于一个参数，即早期宇宙中光子与重子的比例，而这个参数的计算与微波背景辐射起伏的具体细节无关。根据宇宙大爆炸理论，轻元素的比例(这里指元素总质量之比而非数量之比)约为:氦-4/氢=0.25，氘/氢= 10-3，氦-3/氢= 10-4，锂-7/氢= 65433。将各种轻元素的实测丰度与由光子重子比计算出的理论值进行比较，可以发现两者大致一致。其中氘是与测量值符合最好的元素，氦-4与测量值接近，但仍有差别，锂-7差一倍，所以后两种元素的计算存在较大的系统随机误差。尽管如此，大爆炸核合成理论预测的轻元素丰度与实际观测基本一致，是对大爆炸理论的有力支持。到目前为止，没有其他理论可以很好地解释和给出这些轻元素的相对丰度。同时，大爆炸理论预言的宇宙中可以“调节”的氦的含量不能超过或低于现有丰度的20%至30%。其实很多观测只能用大爆炸理论来解释，比如为什么早期宇宙中氦的丰度比氘高，氘的含量比氦-3高，比例是常数。主要证据2014 3月17日，美国物理学家宣布，首次发现了宇宙原始引力波存在的直接证据。最初的引力波是爱因斯坦在1916年发表的《广义相对论》中提出的。它是宇宙诞生之初的一种时空涨落，随着宇宙的演化而减弱。科学家表示，最初的引力波就像创世纪大爆炸的“回响”一样，将帮助人们追溯到宇宙开始时非常短暂的快速膨胀时期，即所谓的“膨胀”。然而，自广义相对论提出近百年以来，由其衍生出的其他重要预言，如光的弯曲、水星近日点进动、引力红移效应等都被一一证实，但引力波却从未被直接探测到。问题是它们的信号极其微弱，技术上难以测量。
美国哈佛-史密森天体物理中心等机构的物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜观测BIGBANG中的“余烬”——微波背景辐射。微波背景辐射是由在宇宙中扩散的微波背景光子形成的。计算表明，原始引力波作用于微波背景光子，会产生一种特殊的极化模式，称为B模式。其他形式的扰动无法产生这种B模式偏振，于是B模式偏振就成了原始引力波的“独特印记”。观测到的B模式偏振意味着引力波的存在。
南极洲是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比预期强得多的B模式偏振信号。经过三年多的分析，排除了其他可能的来源，确认是原始引力波引起的。2016年初，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文台(处女座)的科学家联合宣布，他们探测到了13亿年前两个质量约为太阳30倍的黑洞合并产生的引力波。这一发现被称为“世纪发现”。获得理论奖的美国人索尔·佩尔穆特(saul perlmutter)和亚当·里斯(adam riess)以及拥有美国和澳大利亚双重国籍的布莱恩·施密特(brian schmidt)获得2011诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖评委会4日评论说，三位获奖者“研究了数十颗爆炸的恒星，即‘超新星’，发现宇宙正在膨胀，膨胀速度正在加快”。在瑞典斯德哥尔摩的瑞典学院，诺贝尔物理学奖于当地时间11: 45(台北时间17: 45)揭晓。佩尔穆特、里斯和施密特的研究对象是一些大质量恒星在演化后期从星壳中分离出来的现象，即超大爆炸。一颗质量为太阳8-25倍的恒星以超新星爆发的形式结束“生命”，而恒星外的气袋则被高速抛掉，其绝对光度可超过太阳654.38+000亿倍。佩尔穆特、里斯和施密特的研究小组分析了特定类型的超新星爆炸，发现超过50颗超新星的光度比之前预计的要暗。对这一结果的解释是宇宙正在加速膨胀。这一发现被皇家科学瑞典学院称为“动摇了宇宙学的基础”。诺贝尔物理学奖评审团认定，三位获奖者获得的研究成果改变了人类对宇宙的认识。“近一个世纪以来，人们已经认识到，宇宙正在膨胀，这是大约6543.8+04亿年前大爆炸的结果。”陪审团说。"然而，令人惊奇的是，我们发现宇宙正在加速膨胀."陪审团表示，“如果膨胀继续加速，宇宙将以冻结状态结束。”另外，三个人的研究证实了一个最初由科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出的理论，他称之为“宇宙常数”。在1998期间，佩尔穆特主持了一个研究小组，而施密特则主持了包括里斯在内的另一个研究小组。两组人努力工作，相互竞争，观察结果“巧合”。陪审团宣布奖金为654.38+00万瑞典克朗(约合654.38+046万美元)，佩尔穆特得到一半，施密特和里斯得到另一半。存在的问题在大爆炸后的最初几分钟，严重缺乏相关的观测，最早的宇宙物质-能量的实际形式在很大程度上仍然是一种猜测。统一理论预言了某些类型的粒子(比如难以捉摸的磁单极子)，而超弦、超对称、超引力等多维理论都预言了它们的原始粒子和力。物质对反物质的绝对优势也是需要彻底解释的经验事实。其他主要问题与暗物质和暗能量的产生和性质有关(量子真空通常被认为是两者的主要提供者)。2014年9月28日，美国科学家从数学上证明了“黑洞不存在”。据美国物理学家组织网站报道，北卡罗来纳大学教堂山分校的理论物理学家劳拉·梅尔西尼·霍顿(Laura Mersini Horton)在在线物理知识库ArXiv上发表文章称，她已经从数学上证明了“黑洞不存在”。一旦她的观点被科学界证明是正确的，现代物理学中的宇宙起源理论很可能会被彻底推翻。报道指出，劳拉的理论用数学方法将万有引力理论和量子力学理论和谐地融合在一起:结论是人“黑洞不存在”。她和霍金认为，当一颗恒星死亡坍缩时，会释放出霍金辐射。在这个过程中，星球本身会损失很大一部分质量，最终，死亡星球留下的密度不足以形成黑洞。如果这个理论被证明是正确的，大爆炸理论可能被推翻，甚至现代物理学的宇宙起源理论可能被彻底推翻，或者整合万有引力理论和量子力学的新理论设定“黑洞不存在”。