13.宇宙大爆炸
定 义:大爆炸理论为我们提供了关于宇宙与物质诞生最好的模型。
发现历史:1931年,比利时神父兼宇宙学家阿贝·乔治·勒梅特(Abbe Georges Lemaitre)首次提出了宇宙起源于一个“原初原子”的想法。
关键突破:1948年,乔治·伽莫夫(George Gamow)与拉尔夫·阿尔弗(Ralph Alpher)共同发现如何利用勒梅特的理论解释宇宙中化学元素比例的观测事实。
重要意义:大爆炸理论约束了宇宙大尺度结构的性质,而大尺度结构影响着小得多的事件和现象。
认为宇宙起源于一个原始火球的大爆炸理论是20世纪最成功的科学理论。虽然宇宙大爆炸理论通过了许多科学检验,但是仍有许多悬而未决的问题。
大爆炸理论的创立通常被归功于比利时神父兼物理学家的阿贝·乔治·勒梅特,勒梅特曾在剑桥大学的亚瑟·爱丁顿及哈佛大学天文台的哈洛·沙普利门下学习宇宙学。1927年,他基于对相对论的解释发表了一篇论文,预言了宇宙正在膨胀。然而,直到1929年埃德温·哈勃通过观测证实宇宙膨胀之前,勒梅特及与其观点类似的亚历山大·弗里德曼的理论都不被爱因斯坦和其他人认同。
勒梅特也是第一个考虑宇宙膨胀的必然推论的人——特别是我们的宇宙在遥远的过去必定更小、更炽热的事实。这使得勒梅特相信宇宙起源于一场被他称为“原初原子”的爆炸事件。起初,各科学机构对勒梅特的想法持怀疑态度,许多人认为这一理论是受到其宗教信仰的影响而非基于科学实证。另一些人则试图在不放弃稳恒宇宙概念的前提下解释宇宙膨胀,包括弗里德曼的“震荡宇宙”理论,这一理论认为宇宙处于收缩与膨胀的循环中。此外的“稳恒态宇宙”理论认为,宇宙的膨胀应伴随着新物质的创造。讽刺的是,正是作为“稳恒态宇宙”理论最狂热拥趸的英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)在1951年将勒梅特的理论蔑称为“大爆炸”(Big Bang)。
大爆炸的验证
与此同时,飞速发展的核物理学越来越支持勒梅特的理论。在1948年发表的一篇关键论文中,物理学家乔治·伽莫夫与拉尔夫·阿尔弗阐释了大爆炸释放的大量能量是如何产生氢与氦等最轻的化学元素,以及仍然保留在未经过核反应的星系际物质的氢氦丰度比的。同时,他们还预言宇宙仍然遗留着大爆炸微弱的余晖——宇宙微波背景辐射。在20世纪五六十年代,另一些人结合当时关于原子结构与基本相互作用的最新成果发展了大爆炸模型,其中最重要的两项贡献分别来自美国数学物理学家霍华德·罗伯森(Howard Robertson)以及英国数学家杰弗里·沃克(Geoffrey Walker)。
大爆炸理论的细节十分复杂,需要用一本书的篇幅讲述,但大体上,它们是基于在高温与高能量条件下物质与能量可相互转化的事实。高温使物质分解成为更小的粒子——如氢分子会分解成氢原子,而后氢原子被电离,甚至其质子与中子最终也会被分解为构成它们的夸克。
自发发生的宇宙大爆炸同时创造了宇宙空间、时间以及其中的能量。经过一段被称为暴胀的极速膨胀时期后,宇宙转入了较为平稳的膨胀时期,这时,许多能量转变成了物质。宇宙在经过一段“黑暗时代”后,物质聚集到足够的密度从而触发了核反应,所形成的第一代恒星又重新照亮了宇宙。
“勒梅特是第一个认为宇宙在过去必定更小、更热的人。这使得他确信宇宙必定起源于一场爆炸。”
重走创造路
宇宙大爆炸的最初时刻迄今约137亿年,那时的高温度与高能量使得物质不断地生成和湮灭(事实上物质与反物质应当是同时产生的,这产生了有趣的问题)。物理中的四种基本作用力,即引力、强核力、弱核力以及电磁力,在宇宙初期表现为单一的一种力,但很快就退耦为对粒子有不同作用效果的不同力。
随着宇宙的膨胀以及温度的降低,诸如组成核子(质子与中子)的夸克这样的重粒子越来越难以自发产生。于是,夸克的总数在大爆炸十亿分之一秒后固定了下来,不过这时,质量较小的轻子(如电子、正电子和中微子)仍然处在产生与湮灭的动态过程中。大约在大爆炸后的一百万分之一秒,温度下降到了强核力能够使得夸克结合形成核子的程度。这些核子中绝大多数是质子,但也有部分中子。大爆炸1秒后,中子与质子则在核合成过程中结合,形成了氢的同位素氘与氚以及元素氦和锂。大多数的质子则并没有与中子结合,仍然以最简单的氢原子核的形式存在。
大爆炸3分钟后,能量水平已不足以产生电子,于是电子的总数也固定了下来。此时的宇宙是一个正在膨胀的物质和能量球——高能光子在原子核和电子之间弹射,有点像太阳这样的恒星中的辐射区。大爆炸38万年后,宇宙仍在膨胀,其温度降到了大约2 700 ℃(4 900℉)。这时,原子核与电子结合形成了最早的原子。粒子密度的突然下降使得宇宙变得透明(译注:早期电子的散射使得光子不能自由传播,宇宙是不透明的。所以宇宙变得透明时发出的第一批能够被我们探测到的光子就形成了“临界最后散射面”),来自最后散射面的光子可以在广阔的空间中自由传播。如今这些光子已经由于红移效应落入低能量的微波波段,形成了宇宙微波背景辐射。
根据宇宙起源的混沌暴胀理论,我们的宇宙只是早期持续暴胀宇宙所产生的无穷多“泡泡宇宙”中的一个。