宇宙大爆炸理论—科学史课阐述

哈勃定律所代表的天文观测事实说明宇宙正在向外膨胀着，也就是说，今天的宇宙较之昨天的宇宙膨胀了，宇宙空间有一个从小到大的发展过程，宇宙物质分布有一个从密到疏的变化过程。据此我们如果逆着宇宙演化的时间方向追溯，在过去的某一时刻，宇宙中所有的物质应该是彼此紧密地聚集在一点的，这可能就是宇宙的开端或起点，原初的宇宙也就从这里开始其演化历程。这种逆向推理的方法是我们探讨宇宙起源的重要方法，大爆炸宇宙理论就是沿着这一思路提出的。

大爆炸宇宙模型是美籍苏联物理学家伽莫夫于1948年提出的。在此之前，勒梅特于1932年提出了原始原子爆炸宇宙模型。勒梅特认为，现在观测到的宇宙是由一个极端压缩状态的巨大的原始原子（Primeral atom）通过一系列相继的裂变过程而形成的，这一过程经历了三个膨胀阶段，第一阶段是快速膨胀期，当原始原子裂变时，物质高度密集，原子碎片快速向四面八方散开，由于物质密度很大，引力足以超过宇宙斥力，而使碎片散开的速度渐渐慢下来；第二阶段是慢速膨胀期，这个时期，宇宙物质密度会达到均匀数值；第三阶段是加速膨胀期，宇宙中斥力超过引力，膨胀又开始加速地进行，在整个过程中，原始原子裂变的碎块随着宇宙向外膨胀而愈来愈小，最后成为气态物质，然后由于密度涨落和碰撞等偶然的机会使它们相互聚集成各种宇宙天体。勒梅特认为，在宇宙演化的每个阶段，物质都是均匀地充满整个空间的，宇宙空间的半径由起始时的零值永远增加着。显然，勒梅特描述的是一个膨胀着的、物质分布均匀的、各向同性的宇宙。这种图像大体上与观测事实相符，因此勒梅特曾自豪地说：“给我一个原子，我将用它建造出一个宇宙。”事实上，这一理论存在不少问题，他未说明原始原子是如何形成的，也未说明宇宙斥力是如何产生的，更无法说明宇宙中不同元素丰度是如何造成的等一系列问题。不过这是现代宇宙学中根据天文观测事实而构造的第一个宇宙大爆炸模型，其基本思想对后人的工作有启发性。

勒梅特的原始原子思想被伽莫夫所接受，后者把宇宙的起源与化学元素的起源联系在一起，并运用核子物理学知识提出了大爆炸宇宙学说。这种理论认为，今天所看到的宇宙膨胀现象，如果逆着时间追溯回去，将开始于一次强烈的爆炸，爆炸时的宇宙是极其致密的，而且处于一种超高温状态。这一理论提出后，伽莫夫和其学生阿尔弗及核物理学家贝特对早期宇宙中元素的生成过程作了进一步探讨。伽莫夫根据推论而预言，现今宇宙背景中应留有当初大爆炸残留下来的热辐射。阿尔弗和赫尔曼经过计算进一步指出，早期宇宙遗留下来的背景辐射至今已经很微弱了，其谱分布大体对应于绝对温度为5K的黑体辐射。伽莫夫等人的这些工作，奠定了热大爆炸宇宙模型的基础。在此基础上，经过人们的不断完善和发展，形成现代宇宙学中最具影响的一种学说。

根据现代的大爆炸理论，我们今天的世界是在约200亿年中，经历一连串的物理过程逐渐演化而成的，物理过程是通过粒子的碰撞进行的，不同温度就有不同的物理过程，宇宙的演化也就直接与宇宙的温度相关联。今天认为，宇宙的演化过程大致如下：

在大爆炸时刻，宇宙物质以无限高温高密的状态存在，能量集中为引力能。爆炸后，约10-44秒，开始产生粒子，这时总重子数为零，随着宇宙的膨胀温度也逐渐降低。到10-36秒，产生重子略多于反重子的不对称性，这时温度约为10 28 K，约在爆炸后10-6秒时宇宙温度降至10 13 K，在10 13 K以上的宇宙早期，重子数与反重子数几乎相等，它与光子数也同量级。温度降至10 11 K，重子、反重子湮灭变成高能光子，宇宙中将主要由光子、反中微子和电子、正电子组成。由于重子、反重子极其微小的不对称使极少量质子、中子得以保留，我们今天这个绚丽多彩的世界才得以形成。当大爆炸后约1秒钟时，温度降低到约100亿度（10 10 K），这大约是太阳中心温度的1000倍，此刻宇宙中的中微子不再参与碰撞，与其他粒子脱离耦合，可以自由运动。由于宇宙整个体积在不断膨胀，温度会继续降低。在大爆炸后约3分钟，温度降至10亿度（10 9 K），也即最热的恒星内部的温度，此时质子和中子失去单独存在的条件，它们开始结合产生重氢的原子核，即氘核（由一个质子和一个中子构成），然后，氘核进一步和更多的质子及中子结合形成氦核。自由中子的寿命只有15分钟，它进入氦核后就稳定了，组成我们今天多种元素的中子就是这样得以保存的。据计算，在大爆炸过程中大约有四分之一的质子和中子转变成氦核，其余的中子衰变成质子，即氢的原子核。随着膨胀，宇宙温度继续下降，当温度降至100万度后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙中的物质主要是大量的中微子和光子，再有就是少量的质子、电子、氦核和一些比较轻的原子核。最后，一旦温度降低到几千度时，电子和原子核不再有足够的能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，它们开始结合成中性原子，物质变成中性以后，它与光子几乎不发生碰撞，这时宇宙变得透明了。这样，4000K以后，光子也脱离热平衡而变成自由气体，这一阶段称为宇宙的复合时代。随着宇宙的膨胀，温度进一步降低，气体物质的热运动不断减慢，在局部区域由于密度的涨落，会形成若干引力中心。在引力作用下，这个区域会进一步缩小，并导致物质密集区的出现，进而形成星系、星系团等结构。要定量描述星系、星系团的形成以及当今宇宙的大尺度结构，还不是一件十分容易的事，目前宇宙学的研究在这方面还有待进一步的努力。(www.xing528.com)

关于恒星的形成过程，目前已有比较清楚的认识。通常认为，星系中的氢和氦等气体由于涨落和引力不稳定性会进一步坍缩，并导致温度升高，当温度达到氢聚变为氦的温度时，热核聚变反应发生。这些反应不断将氢转变成氦，同时释放大量热量使热膨胀压与引力收缩作用相平衡，这时星体不再继续收缩，并保持这种平衡状态。星体依靠其内部依次进行的由轻元素聚变成较重元素的核反应，不断释放能量并以热和光的形式辐射出去，就形成了恒星。

早期的大爆炸宇宙论还只是关于宇宙起源和演化的一种假说，它虽以广义相对论为理论基础，以宇宙天体的红移现象为经验基础，对宇宙的演化情况作了推测性说明，但这一理论只说明了轻元素的形成过程，对于比氦重的元素则遇到了困难。因为在宇宙演化中以中子俘获方式只能形成少量轻元素。事实表明，氦原子俘获一个中子成为核子数为5的氦同位素时，它立即会重新衰变为核子数为4的氦原子，同样，两个氦原子聚合成核子数为8的铍的同位素时，也会立即分裂为两个氦原子核。于是形成元素的一连串过程在这里会中断，如此世界上不会有比氦更重的元素了。这一困难被后来的恒星和超新星合成元素的理论所取代。因此，到60年代，伽莫夫等人的大爆炸宇宙论已逐渐被人淡忘了。

但是，60年代末宇宙微波背景辐射的发现，使大爆炸理论又重新引起了人们的兴趣，由此这一理论又获得了进一步发展，并得到一系列观测事实的支持。