天文观测引出的学说——“宇宙大爆炸”理论

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1948年4与1日,美国《物理评论》杂志发表了伽莫夫的“化学元素的起源”一文。伽莫夫在文中提出了宇宙大爆炸理论。该理论认为我们今天所看到的宇宙,开始于一次猛烈的大爆炸。这个超乎想象的理论源自何处呢?

1910年,美国天文学家斯莱弗在洛威尔天文台观测星系时,偶然发现某一星系的某一元素光谱的频率低于地球上同一元素的光谱线频率,这一现象称为“红移”。随着他进一步的观测,发现许多星系都有红移现象。此现象源于多普勒效应,从而得到了这些星系正在以极大的速度远离地球而去的结论。

随后,斯莱弗测定了四十多个星系的视向速度,发现除有少数星系以3´105m/s的速度趋向地球(蓝移),大多数星系都以1.8´106m/s的退行速度离地球飞驰而去(红移),这种退行速度比喷气式飞机还要快。

1929年,美国天文学家哈勃发现红移与星系距地球的距离呈线性关系:星系的距离越远,它的的退行速度越快,因此宇宙似乎在膨胀。

美国天文学家哈勃

科学家利用越来越大的天文望远镜观测到越来越远的星系的光谱,哈勃的发现不断得到天文观测的证实。到1951年,哈勃已经测到了2´107m/s的退行速度。记录很快被打破,1960年,天文学家观测到一些非常遥远的天体,其退行速度居然达到了2´109m/s,天体以接近光速的速度在太空中飞行。即使如此,天体速度和距离之间仍保持着良好的线性关系:v=Hr,式中v为退行速度,r为距离,H为著名的哈勃常数。这个规律被称为哈勃定律,它可以量度上千万光年乃至几亿光年的宇宙深处。

哈勃定律发表不久,英国著名天文学家爱丁顿认为这些事实证实了宇宙膨胀论。

天文观测引出的学说——“宇宙大爆炸”理论

既然宇宙在膨胀,那么,如果我们沿着时间倒退回去,宇宙的过去肯定要比今天小。当退回到遥远过去的宇宙开始存在的某个时刻,宇宙一定是个非常小且非常紧密的物质团。

1932年,比利时科学家勒梅特从宇宙膨胀论出发,提出了一个宇宙演化学说:整个宇宙的物质最初聚集在一个“原始原子”--“宇宙蛋”里,当宇宙蛋发生了爆炸,碎片飞散开去,便形成了今天的宇宙。那些碎片形成了各个星系。由于几十亿年前的威力无穷的巨大爆炸的作用,星系直到现在还在向四处飞散。这被称为宇宙大爆炸理论的“原子模型”。

1948年,俄国出生的美国物理学家伽莫夫把核物理知识同宇宙膨胀论相结合,提出了宇宙大爆炸理论的“原始火球模型”。该理论认为,宇宙开始是个高温、高密度的“原始火球”,球内充满了基本粒子,当这些基本粒子发生核聚变时,引起爆炸膨胀,其间产生的各种元素四散而形成今天宇宙中的各种物质。

天文观测引出的学说——“宇宙大爆炸”理论

美国物理学家伽莫夫

宇宙大爆炸模型向人们提供了自大爆炸开始后10-6秒直到今天的演化全过程。在宇宙的极早期,温度达100亿℃以上,密度则几乎为原子核的密度。此时宇宙中只有质子、中子等一些基本粒子。由于整个体系在不断膨胀,温度很快下降,当降至10亿℃时,中子失去自由存在的条件,开始与质子结合成重氢、氦或其他轻元素。化学元素从这一时期开始形成,宇宙中30%左右的氦丰度就是此时形成的。当温度降至100万℃时,宇宙以热辐射为主,物质形态主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降至几千度时,热辐射减退,电子和原子核开始结合成原子,这时宇宙间主要是弥漫的气体。由于引力不稳定,有些地方的弥漫气体凝聚为气体星云,气体星云进一步收缩成星系和恒星,成为我们今天观测到的宇宙。

与此同时,大爆炸的辐射还遗留到今天。当初大爆炸产生的辐射是可见光和红外线,由于宇宙的膨胀,这些辐射的波长发生了红移,它们目前正处于微波波段上。所以,今天我们的宇宙都沐浴在一片微波辐射之中,人们形象地把这种辐射称为“宇宙背景辐射”。

天文观测引出的学说——“宇宙大爆炸”理论

宇宙辐射背景

但是伽莫夫提出的大爆炸理论,由于当时缺乏直接的天文观测证据的支持,后来渐渐被人们遗忘了。

1965年,由于一次偶然的重大发现,大爆炸理论获得了新生。

1964年5月,美国贝尔实验室的两位科学家彭齐亚斯和威尔逊在利用一套新型天线接收系统测量天空中的噪音时,偶然发现了一种过剩的噪音辐射,其辐射温度约3.5K。在此后将近一年的测量中,无论他们如何改进仪器,都不能消除这个噪声。这个噪声是各向同性的,也与季节无关。显然,这一辐射不可能来自任何特定的辐射源。1965年初,正当两位科学家困惑不解时,他们无意中从普林斯顿大学物理学教授皮尔布斯关于“大爆炸宇宙起源会留下射电噪声残余物”的理论预言中得到启示,经过深入探讨后,终于得出结论:他们所观测到的,正是这种宇宙微波背景辐射—3K宇宙背景辐射。他们的这一结论,得到了物理学界的证实。1978年,彭齐亚斯和威尔逊为此获得诺贝尔物理学奖。同时,宇宙微波背景辐射为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据。

彭齐亚斯和威尔逊使用的新型天线接收系统

宇宙会一直膨胀下去吗?宇宙大爆炸的量子起源是什么?大爆炸之前还可能存在什么?《自然杂志》1997年第4期上97个物理难题中编号为94、95、96的上述三个难题,正等待着科学家们去探索!


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