宇宙大爆炸学说主要依据与不足（一切开始的地方）

简介：宇宙大爆炸理论及其支持证据、微波背景、爆炸过程历经的阶段以及宇宙的终极命运。

宇宙的爆炸被称之为大爆炸。在这篇文章中，我们将会探讨宇宙大爆炸的理论是什么，我们对理论的支持证据以及宇宙将会有一个怎样的未来。

几个世纪以来，人类凝视着星星并想知道宇宙是如何发展到今天的。这是一个有关宗教、哲学和科学的讨论和辩论的主题。一些著名的科学家，像是阿尔伯特爱因斯坦、爱德文哈博和斯提芬霍金都曾尽力去揭开宇宙发展的奥秘。其中最著名和被最广泛接受的宇宙发展的模型是大爆炸宇宙论，

大爆炸宇宙论早期聚焦于一个时刻，宇宙所有独立的力量都是统一力量的一部分。你越往后看科学理论越崩溃。最终，你不能对正在发生的发表任何科学理论，因为科学本身并不适用。

图源：lonewolfonline

如今，当我们注视夜空，我们看到星系被似乎是巨大的空旷空间所分离。在大爆炸最初的时刻，我们所能观察到的所有的物质、能量和空间被压缩到一个零体积无线密度的区域。宇宙学家将它称之为奇点。

在那些最初的时刻，宇宙中有太多的能量以至于它无法形成物质。但是宇宙快速地扩大，这意味着它将变得不再那么密集并冷静下来。当它扩大，物质开始形成并且辐射开始失去能量。没过多久，宇宙就由一个横跨太空的奇点中诞生出来。

图源：zhihu

大爆炸的结果之一就是宇宙中四个基本力量的形成。

这些力量是：

1、电磁

2、强大的核力量

3、弱核力量

4、重力

在大爆炸之初，这些力量都是统一力量的一部分。大爆炸开始后不久这些力量就被分散成它们如今这样子。

尽管宇宙是复杂的，所有的物质都是由有限数量的粒子构成的，并且这些粒子相互作用方式可以被简化为不超过四种的不同的相互作用。

许多物理学家和宇宙学家始终致力于构成大统一理论，这将解释这四种力量是怎样一度统一和它们是如何相互联系的。

大爆炸的证据

大爆炸理论是牢固的建立起来的并且有三条证据支持。从超速星系到古气云，这有大量的证据表明，我们今天可以探测到宇宙大爆炸的残留物，它讲述了一个关于我们宇宙起源的清晰的故事。

一是宇宙正在膨胀-星系分开飞行，所以在过去，一切都很近并且必定曾在一个点上。

第二是宇宙微波背景辐射的发现，即年轻热宇宙的余晖。

三是恒星和气团中轻元素氘、氦、锂的丰度，如果它们是由大爆炸火球中的核过程形成的，那么它们的丰度是可以预期的。

证据表明，大爆炸发生在13.77亿年前。宇宙快速的膨胀了一小会儿时间，这个时期被叫做宇宙膨胀期，并持续快速膨胀和冷却。质子（氢原子核）和中子在第一秒钟内出现，三分钟内合成轻元素的原子核。一亿年后，第一批恒星开始在氢云中生长。

宇宙微波背景

在38万年后宇宙的温度大概是2,727°C。这足够让质子和电子合并成氢原子氢原子。宇宙从等离子体（一碗带电粒子的汤）变得中性，并允许光子在宇宙中自由穿梭。如今我们看到这些照片是因为宇宙在一个远低于 -270°C的温度下产生的。这些余晖似乎是一个来自天空的虚弱的微波信号，最早在1965年被探测到。它准确的温度在1990年被美国国家航空航天局宇宙背景探索者计划测量，并且自此以后宇航员细致地描绘宇宙微波背景辐射的地图。这些地图揭露了一些热和冷的点，显示着在年轻宇宙上星系结构生长密度高和密度低的地区。新的地图正被能源审计计划普朗克卫星制作。

图源：prnasia

大爆炸的阶段

1.奇点

利用广义相对论对宇宙在时间上向后扩展的推断，在过去的有限时间内产生了无限的密度和温度。这种奇异性表明广义相对论并不能充分描述这一领域的物理定律。仅仅基于广义相对论的模型无法在普朗克时代结束后向奇点进行外推。

普朗克时间是一个光子以光速移动到距离等于普朗克长度的时间。这是“时间的量子”，对时间的最小测量，有任何意义，等于10-43秒。时间的划分没有任何意义。在我们今天理解的物理定律的框架下，我们只能说宇宙已经在10-43秒的年龄出现了。

2.膨胀

大爆炸最早期的阶段受非常多的推测的影响。在最常见的模式中，宇宙充满了均匀的和各向同性的高能量密度和巨大的温度和压力，并且快速的扩展和冷却。大概膨胀了 10-37 秒，阶段的转变引起了一个宇宙的膨胀，宇宙呈指数增长，在这个过程中，由于不确定性原理而发生的时间密度波动被放大到后来形成大规模宇宙结构的种子中。

在膨胀结束以后，重新加热将会发生，直到宇宙获得了满足夸克胶子等离子体和其他基础粒子需求的温度。温度是如此之高以至于随机的粒子都是以相对论速度，所有种类的粒子-反粒子都将在碰撞中继续被创造和毁灭。

3.重子产生

宇宙的密度继续减少，温度继续下降，因此每一个粒子的特有的能量都在下降。对称破坏阶段的转变把物理学的基础力量和基本粒子的参数转化为了它们现在的形式。在大约10-11秒以后，因为粒子能量下降到一个可以被粒子加速器获得的数值，这幅图画的风险性降低。

大约10-6秒，夸克和胶子结合形成了重子，如质子和中子。夸克对反夸克的少量过剩导致了重子对反重子的少量过剩。这就导致了目前宇宙中物质比反物质占优势地位。

温度现在已经不再够高去创造新的质子--反质子对（中子--反中子一样），所以马上发生了一次大规模的湮灭。在原始的1010个质子和中子中只剩下了一个，并且没有它们的反粒子。

4.冷却

膨胀的几分钟，当温度大概是十亿（一千百万）开氏度和密度大概是大气的密度时，质子与中子结合形成了宇宙的氘和氦核的过程被称作大爆炸核合成。大多数的质子没有结合成氢核。

当宇宙冷却时，物质的剩余质量能量密度在引力上主导光子辐射的质量能量密度。大约37.9万年后，电子和原子核结合成原子（主要是氢）；因此，辐射与物质分离，并在很大程度上不受阻碍地继续穿过太空。这种残余辐射被称为宇宙微波背景辐射。在138亿年前的大爆炸之后不久，当宇宙只有10-17百万的年龄的这个宜居的纪元中，生命的化学可能已经开始了。

5.结构形成

经过很长一段时间以后，附近略微密集的地区均匀地分布物质，引力吸引附近的物质并且它们变得更密集，组成了气云，星星，星系和其他的如今可以观察到的宇宙的结构。这个过程的细节决定于宇宙物质的数量和种类。这四种可能的物质的种类被称作为冷暗物质，暖暗物质，热暗物质和重子物质。

最好的测量是可获得的，来自威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），它展示了数据与被假定为冷的暗物质的Λ冷暗物质模型是很吻合的（暖暗物质被早期的再电离排除），并且估计占了宇宙物质/能量的23%，重子物质占了约4.6%。

图源：sina.

宇宙的加速

来自于Ia超新星和宇宙微波背景辐射的几条独立证据表明了宇宙如今是被一种被称之为暗能量的神秘能量形式所支配，它显然渗透了全宇宙。观察显示如今宇宙的全部能量密度的73%都是以这个形式存在的。当宇宙还很年轻时，它可能被暗能量注入，但是随着越来越少的空间，一切变得更近，重力占主导地位，它慢慢地打破了膨胀。但是最终，在经过数十亿年的扩张后，生长充足的暗能量导致宇宙膨胀慢慢开始加速。

图源：m.baike.so

暗能量最简单的形式是爱因斯坦广义相对论场方程中的宇宙学常数项，但是它的组成和机制是未知的，更普遍的是，它的状态方程的细节及其与粒子物理标准模型的关系，无论是从观测上还是从理论上都有待进一步研究。

宇宙的终极命运

在对暗能量的观测前，宇宙学家想出了两种有关宇宙未来的设想。如果质量密度大于临界密度，宇宙将会到达一个最大的尺寸，然后开始崩溃。它将变得再次密集和热，并以一个与它开始时相似的状态——一声巨响结束。

或者，如果宇宙的密度等于或低于临界密度，膨胀将会减缓，但永远不会停下。恒星的形成将会伴随着每一个星系中星际气体的消耗而停止；恒星将会燃烧殆尽，留下白矮星，中子星，和黑洞。非常缓慢地，这些之间的碰撞将会导致质量积聚成越来越大的黑洞。宇宙的平均温度将会渐渐地接近绝对零度—一个大的冰冻。

图源：sohu

如果质子是不稳定的，重子物质将会消失，只留下辐射和黑洞。最终，黑洞将会通过发射霍克辐射而蒸发。宇宙的熵将会上升到一个点，不再能从它中提取有组织形式能量的程度，这一种设想被称之为热死亡。现代对于加速膨胀的观测表明越来越多的当前可视的宇宙将会超出我们的视界并与我们失去联系。最后的结果不得而知。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

translate: 至安

author: Tim Trott

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