為什么宇宙會大爆炸？

　　宇宙大爆炸僅僅是一種學(xué)說，是根據(jù)天文觀測研究后得到的一種設(shè)想。

　　大約在50億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質(zhì)開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。大爆炸的整個過程是復(fù)雜的，現(xiàn)在只能從理論研究的基礎(chǔ)上描繪過去遠(yuǎn)古的宇宙發(fā)展史。在這150億年中先后誕生了星系團(tuán)、星系、我們的銀河系、恒星、太陽系、行星、衛(wèi)星等。現(xiàn)在我們看見的和看不見的一切天體和宇宙物質(zhì)，形成了當(dāng)今的宇宙形態(tài)，人類就是在這一宇宙演變中誕生的。

　　人們是怎樣能推測出曾經(jīng)可能有過宇宙大爆炸呢？這就要依賴天文學(xué)的觀測和研究。我們的太陽只是銀河系中的一兩千億個恒星中的一個。像我們銀河系同類的恒星系——河外星系還有千千萬萬。從觀測中發(fā)現(xiàn)了那些遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們而去，離我們越遠(yuǎn)的星系，飛奔的速度越快，因而形成了膨脹的宇宙。

　　對此，人們開始反思，如果把這些向四面八方遠(yuǎn)離中的星系運動倒過來看，它們可能當(dāng)初是從同一源頭發(fā)射出去的，是不是在宇宙之初發(fā)生過一次難以想像的宇宙大爆炸呢？后來又觀測到了充滿宇宙的微波背景輻射，就是說大約在150億年前宇宙大爆炸所產(chǎn)生的余波雖然是微弱的但確實存在。這一發(fā)現(xiàn)對宇宙大爆炸是個有力的支持。

　　宇宙大爆炸的觀點：

　　1932年勒梅特首次提出了現(xiàn)代宇宙大爆炸理論：整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，后來發(fā)生了大爆炸，碎片向四面八方散開，形成了我們的宇宙。美籍俄國天體物理學(xué)家伽莫夫第一次將廣義相對論融入到宇宙理論中，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型：宇宙開始于高溫、高密度的原始物質(zhì)，最初的溫度超過幾十億度，隨著溫度的繼續(xù)下降，宇宙開始膨脹。

　　1965年，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射，后來他們證實宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時留下的遺跡，從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據(jù)。他們也因此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎。

　　20世紀(jì)科學(xué)的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現(xiàn)。他對于宇宙起源后10-43秒以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋.

　　宇宙的起源：最初是比原子還要小的奇點，然后是大爆炸，通過大爆炸的能量形成了一些基本粒子，這些粒子在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì)。至此，大爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論。然而，至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實驗的支持，而且我們尚不知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景。

　　宇宙大爆炸理論：大爆炸理論

　　大爆炸理論是關(guān)于宇宙形成的最有影響的一種學(xué)說，英文說法為BigBang，也稱為大爆炸宇宙論。大爆炸理論誕生于20世紀(jì)20年代，在40年代得到補充和發(fā)展，但一直寂寂無聞。直到50年代，人們才開始廣泛注意這個理論。

　　大爆炸理論的主要觀點是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點，大爆炸的整個過程是：在宇宙的早期，溫度極高，在100億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大，整個宇宙體系達(dá)到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。但是因為整個體系在不斷膨脹，結(jié)果溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素；化學(xué)元素就是從這一時期開始形成的。溫度進(jìn)一步下降到100萬度后，早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束（見元素合成理論）。宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐漸凝聚成氣云，再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系，成為我們今天看到的宇宙。

　　大爆炸模型能統(tǒng)一地說明以下幾個觀測事實：

　　a）理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時間為短，即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。

　　b）觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來解釋，那么紅移就是宇宙膨脹的反映。

　　c）在各種不同天體上，氦豐度相當(dāng)大，而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機制不足以說明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高，則可以說明這一事實。

　　d）根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。

　　按照大爆炸理論，宇宙是150億年前從一個極小的點誕生的，從那里誕生了時間和空間、質(zhì)量和能量，從而由物質(zhì)小微粒聚集成大團(tuán)的物質(zhì)，最終形成星系、恒星和行星等。在大爆炸發(fā)生前，宇宙中沒有物質(zhì)，沒有能量，甚至沒有生命。

　　但是，大爆炸理論無法回答現(xiàn)在的宇宙在大爆炸發(fā)生之前到底是什么樣，或者說發(fā)生這次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理論，宇宙沒有開端。它只是一個循環(huán)不斷的過程，從大爆炸到黑洞的周而復(fù)始，便是宇宙創(chuàng)生與毀滅并再創(chuàng)生的過程。

　　這只是一個設(shè)想，并不是一個完美的理論。

　　大爆炸理論雖然并不成熟，但是仍然是主流的宇宙形成理論的關(guān)鍵就在于目前有一些證據(jù)支持大爆炸理論，比較傳統(tǒng)的證據(jù)如下所示：

　　a）紅位移

　　從地球的任何方向看去，遙遠(yuǎn)的星系都在離開我們而去，故可以推出宇宙在膨脹，且離我們越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離的速度越快。

　　b）哈勃定律

　　哈勃定律就是一個關(guān)于星系之間相互遠(yuǎn)離速度和距離的確定的關(guān)系式。仍然是說明宇宙的運動和膨脹。

　　V＝H×D

　　其中，V（Km/sec）是遠(yuǎn)離速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常數(shù)，為50；D（Mpc）是星系距離。1Mpc＝3.26百萬光年。

　　c）氫與氦的豐存度

　　由模型預(yù)測出氫占25％，氦占75％，已經(jīng)由試驗證實。

　　d）微量元素的豐存度

　　對這些微量元素，在模型中所推測的豐存度與實測的相同。

　　e）3K的宇宙背景輻射

　　根據(jù)大爆炸學(xué)說，宇宙因膨脹而冷卻，現(xiàn)今的宇宙中仍然應(yīng)該存在當(dāng)時產(chǎn)生的輻射余燼，1965年，3K的背景輻射被測得。

　　f）背景輻射的微量不均勻

　　證明宇宙最初的狀態(tài)并不均勻，所以才有現(xiàn)在的宇宙和現(xiàn)在星系和星團(tuán)的產(chǎn)生。

　　g）宇宙大爆炸理論的新證據(jù)

　　在2000年12月份的英國《自然》雜志上，科學(xué)家們稱他們又發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)，可以用來證實宇宙大爆炸理論。

　　長期以來，一直有一種理論認(rèn)為宇宙最初是一個質(zhì)量極大，體積極小，溫度極高的點，然后這個點發(fā)生了爆炸，隨著體積的膨脹，溫度不斷降低。至今，宇宙中還有大爆炸初期殘留的稱為“宇宙背景輻射”的宇宙射線。

　　科學(xué)家們在分析了宇宙中一個遙遠(yuǎn)的氣體云在數(shù)十億年前從一個類星體中吸收的光線后發(fā)現(xiàn)，其溫度確實比現(xiàn)在的宇宙溫度要高。他們發(fā)現(xiàn)，背景溫度約為-263.89攝氏度，比現(xiàn)在測量的-273.33的宇宙溫度要高。

　　雖然已有上述證據(jù)存在，但是宇宙是否起源于大爆炸學(xué)說，仍然缺乏足夠多的令人信服的證據(jù)。

　　宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個主要流派，它能較滿意地解釋宇宙學(xué)的一些根本問題。宇宙大爆炸理論雖然在20世紀(jì)40年代才提出，但20年代以來就有了萌芽。20年代時，若干天文學(xué)者均觀測到，許多河外星系的光譜線與地球上同種元素的譜線相比，都有波長變化，即紅移現(xiàn)象。

　　到了1929年，美國天文學(xué)家哈勃總結(jié)出星系譜線紅移星與星系同地球之間的距離成正比的規(guī)律。他在理論中指出：如果認(rèn)為譜線紅移是多普勒效果的結(jié)果，則意味著河外星系都在離開我們向遠(yuǎn)方退行，而且距離越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越快。這正是一幅宇宙膨脹的圖像。

　　40年代美國天體物理學(xué)家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理論。該理論認(rèn)為，宇宙在遙遠(yuǎn)的過去曾處于一種極度高溫和極大密度的狀態(tài)，這種狀態(tài)被形象地稱為“原始火球”。以后，火球爆炸，宇宙就開始膨脹，物質(zhì)密度逐漸變稀，溫度也逐漸降低，直到今天的狀態(tài)。這個理論能自然地說明河外天體的譜線紅移現(xiàn)象，也能圓滿地解釋許多天體物理學(xué)問題。1964年美國人彭齊亞斯和威爾遜又發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸理論的新的有力證據(jù)。

　　該理論作為一門發(fā)展中的理論，雖然得到了絕大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)同，但仍有一些解釋不了的問題，需要進(jìn)一步完善其理論體系。

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