だいばく

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重定しげさだこうだいばく炸理ろん
すえだいばく炸理论,宇宙うちゅうよしいち个極緊密きんみつごくおき热的てん膨胀到现在てきじょう态。

だいばく英語えいごBig Bang),描述宇宙うちゅうてき起源きげんあずかえんじてき宇宙うちゅうがく模型もけい,这一模型得到了当今科学研究和觀測最廣泛且最精確的支持[1][2][3]

宇宙うちゅうがくちゅう通常つうじょうしょ说的“だいばく炸”ゆび宇宙うちゅうざい过去有限ゆうげんてき时间これまえよしいち密度みつど极大且温度おんど极高てき太初たいしょじょうえいInitial singularityえんじ变而らいてきすえ2015ねんひろしろうかつ卫星所得しょとくいたてきさいけい观测结果,宇宙うちゅうだいばく炸距いま137.99 ± 0.21亿年[4],并经过不断ふだんてき膨胀えいMetric expansion of spaceいた达今てんてきじょう态。[5]だいばく炸这一模型的框架基于爱因斯坦てき广义しょう对论またざい场方ほどてきもとめかいじょう作出さくしゅつりょう一定いっていてき简化(れい宇宙うちゅうがく原理げんりかり设空间的ひとし匀性えいHomogeneity (physics)かくこう同性どうせい)。[5]1922ねん苏联物理ぶつりがく亚历山大やまだい·どるさととくよう广义しょう对论描述りょう流体りゅうたい,从而给出りょう这一模型もけいてき场方ほど。1927ねん时物理学りがく乔治·勒梅とくつう过求かいどるさととく曼方ほどやめ经在论上提出ていしゅつりょうどう样的观点,这个かいきさきしょうさくどるさととく曼-勒梅とく-罗伯逊-沃尔かつ。1929ねん美国びくに物理ぶつりがくあいとくゆたか·哈伯とおる过观测发现,从地球ちきゅういた达遥远ほしけいてき距离せい于这些星けいてき红移,从而推导宇宙うちゅう膨胀てき观点。哈勃てき观测表明ひょうめい所有しょゆうはるか远的ほしけいほしけいざい视線速度そくどうえざい远离わが们这いち观察てん,并且距离えつ退行たいこう速度そくどえつだい[6]。如果とうぜんほしけいぼし团间彼此ひしてき距离ざい不断ふだん增大ぞうだい,则说あきら它们ざい过去曾经距离很近。从这一观点物理学家进一步推测:ざい过去宇宙うちゅう曾经处于一个密度极高且温度极高的状态[7][8][9]大型おおがた粒子りゅうし加速器かそくきざい类似条件下じょうけんかしょ进行てき实验结果则有力ゆうりょく支持しじりょう一理いちり论。しか而,ゆかり于当ぜんわざ原因げんいん粒子りゅうし加速器かそくきしょのう达到てきこうのう范围じゅう分有ぶんゆうげんいん而到目前もくぜん为止,还没ゆう证据のう直接ちょくせつある间接描述膨胀はつはじめてき极短时间ないてき宇宙うちゅうじょう态。从而,だいばく炸理论还无法对宇宙うちゅうてきはつはじめじょう态作にんなん描述和解わかい释,こと实上它所のう描述并解释的宇宙うちゅうざいはつはじめじょう态之きさきてきえんじ图景。とうまえしょ观测到てき宇宙うちゅうちゅう氢元素的すてき丰度かずさとし论所预言てき宇宙うちゅう早期そうき快速かいそく膨胀并冷却れいきゃく过程ちゅう最初さいしょてき几分钟内どおり过核はん应所形成けいせいてき这些元素げんそてき论丰非常ひじょう接近せっきん定性ていせい并定りょう描述宇宙うちゅう早期そうき形成けいせいてき元素げんそ丰度てき论被しょうさく太初たいしょかく合成ごうせい

だいばく炸一词首さきゆかり英国えいこく天文学てんもんがくどるかみなりとく·霍伊尔ところさいようてき。霍伊尔是あずかだいばく炸对りつてき宇宙うちゅうがく模型もけい——穩態理論りろんてき倡导しゃざい1949ねん3がつ英國えいこくこう公司こうしてき一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个だいばく炸的观点”。虽然ゆう很多通俗つうぞく轶事记录霍伊尔这样讲于讽とげただし霍伊尔本じんあきら确否认了这いちてんこえしょう这只为了じゅう说明这两个模がたてき显著不同ふどう[10][11][12]。霍伊尔后らい恒星こうせいかく合成ごうせいてき研究けんきゅう做出りょう重要じゅうよう贡献,这是恒星こうせい内部ないぶどおり过核はん利用りよう元素げんそせいづくりぼう些重元素げんそてきみち。1964ねん发现てき宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい支持しじだいばく炸确实发せいてき重要じゅうよう证据,とく别是とう测得其频谱从而绘制它的くろたい辐射きょく线之きさきだい多数たすう科学かがく开始しょうしんじだいばく炸理论了。

动机发展[编辑]

だいばく炸理论是どおり过对宇宙うちゅう结构てき实验观测论推导发てん而来てきざい实验观测方面ほうめん,1912ねん維斯たく·斯里どるくび测量りょういち个“旋涡ぼしうん”(“旋涡ぼしうんとう时对旋涡ほしけいてき旧称きゅうしょうほうてき勒频うつり,其后また证实绝大多数たすう类似てきほしうんざい退すさ地球ちきゅう过斯さとどる尔并ぼつゆういん此联想到そうとう这个观测结果对宇宙うちゅうがくてき义,いん为在とう时,这些“ほしうんわが们的银河けいこれ外的がいてき“岛宇宙うちゅう”这一问题存在强烈争议,并引发了天文てんもんだい辩论[13][14]ざい研究けんきゅう方面ほうめん,1917ねん爱因斯坦はた广义しょう对论论应よういたせい宇宙うちゅう,发表りょう标志物理ぶつり宇宙うちゅうがく诞生てき论文《すえ广义しょう对论对宇宙うちゅうがくしょ做的考察こうさつ》。しか而从广义しょう对论建立こんりゅうてき宇宙うちゅう模型もけいせい态的,这和とうせい宇宙うちゅうてき主流しゅりゅう观点并不符合ふごう,爱因斯坦为此ざい场方ほどちゅう加入かにゅうりょういち宇宙うちゅうがく常数じょうすうらい进行修正しゅうせい。1922ねん,苏联宇宙うちゅうがく数学すうがく亚历山大やまだい·どるさととくかり设了宇宙うちゅうざいだい尺度しゃくどうえひとし匀和かくこう同性どうせい利用りよう引力いんりょく场方ほど推导描述そら间上均一きんいつ且各こう同性どうせいてきどるさととく曼方ほどざい这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。つう过选取合とりあえ适的じょう态方ほど,从弗さととく曼方ほどいたてき宇宙うちゅう模型もけいざい膨胀てき[15]。1924ねんほこりとくゆたか·哈勃测量りょう最近さいきんてき“旋涡ぼしうん”距地球ちきゅうてき距离,其结はて证实りょう它们ざい银河けいそとほん质是其他てきほしけい。1927ねん时物理学りがく乔治·勒梅とくざい了解りょうかいどるさととく工作こうさくてきじょう况下独立どくりつ提出ていしゅつりょうぼしうんきさき退すさ现象てき原因げんいん宇宙うちゅうざい膨胀[16]。1931ねん勒梅とくいち提出ていしゅつ原生げんせい原子げんしかり说”,认为宇宙うちゅうただしざい进行てき膨胀意味いみ它在时间はんえんじうえかい发生坍缩,这种じょうがたかい一直发生下去直到它不能再坍缩为止,此时宇宙うちゅうちゅうてき所有しょゆう质量都会とかい集中しゅうちゅういた一个几何尺寸很小的“原生げんせい原子げんしじょう,时间そら间的结构就是从这个“原生げんせい原子げんし”产生てき[17]

1924ねんおこり,哈勃为勒うめとくてき提供ていきょうりょう实验条件じょうけんざい尔逊やま天文台てんもんだい利用りよう口径こうけい250りんまいてきえびすかつもち远镜费心建造けんぞうりょう一系列天文距离指示仪,这是宇宙うちゅう距离尺度しゃくどてき前身ぜんしん。这些仪器使のう够通过观测星けいてき红移りょうらい推测ほしけいあずか地球ちきゅう间的距离。ざい1929ねん发现,ほしけい远离地球ちきゅうてき速度そくどどう它们与地球ちきゅう间的距离刚好なりせい,这就しょ哈勃定律ていりつ[6][18]。而勒うめとくざい论推测,すえ宇宙うちゅうがく原理げんりとう观测あし够大てきそら间时,ぼつゆう特殊とくしゅ方向ほうこう特殊とくしゅてんいん此哈勃定律ていりつ说明宇宙うちゅうざい膨胀[19]

艺术绘制てき金森かなもりほろなみかくこう异性さがせ测器WMAPさいしゅうすうすえてきけいぞう

じゅうせいさんじゅう年代ねんだい,还出现了一些尝试解释哈勃所观测现象的主流しゅりゅう宇宙うちゅう模型もけいえいnon-standard cosmologyれいべい尔恩宇宙うちゅう[20]宇宙うちゅうえいcyclic model最早もはやゆかりどるさととく提出ていしゅつきさきらいてき主要しゅよう推广しゃおもね尔伯とく·爱因斯坦查德·たく尔曼[21]どるさといばら·兹威もとてきおとろえ光子こうしかりえいtired light hypothesis[22]

だい世界せかいだい以后,宇宙うちゅう膨胀てき观点引出りょう两种互相对立てき可能かのう论:一种理论是由勒梅特提出,乔治·とぎ莫夫支持しじかずかんぜんてきだいばく炸理论。とぎ莫夫提出ていしゅつりょう太初たいしょかく合成ごうせい[23],而他てきどうことひしげ尔夫·おもね尔菲罗伯とく·赫尔曼则理论上预言りょう宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射てき存在そんざい[24]。另一种理论则是英国天文学家どるかみなりとく·霍伊尔とうひと提出ていしゅつてき穩態理論りろん[25]ざい稳恒态宇宙うちゅう模型もけいさとしんもの质在ほしけい远离とめてきそら间中不断ふだん产生,从而宇宙うちゅう在任ざいにんなん时候じょう基本きほん变化。具有ぐゆう讽刺意味いみてきだいばく炸理论的名称めいしょう却是霍伊尔提いた勒梅とくてき论时所用しょようてき称呼しょうこざい1949ねん3がつてきいちBBC广播节目《もの质的特性とくせい》(The Nature of Things中将ちゅうじょう勒梅特等とくとう人的じんてき论称さく“这个だいばく炸的观点”[26]:129[ちゅう 1]これきさきてき许多ねん,这两种理论并りつただしみなもと计数えいsource count一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。1965ねん宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射てき发现确认さら使绝大多数たすう物理ぶつりがくしょうしん[27]だいばく是能これよし描述宇宙うちゅう起源きげんえんじさいこのみてき论。现在宇宙うちゅう物理ぶつりがくてき几乎所有しょゆう研究けんきゅうあずか宇宙うちゅうだいばく炸理论有关,あるもの它的延伸えんしんあるものいちかい释,れい如大ばく炸理论的かまちほしけい如何いか产生,早期そうき极早宇宙うちゅうてき物理ぶつり定律ていりつ,以及ようだいばく炸理论解释新观测结果とう

十世纪九十年代后期和二十一世纪初,もち远镜わざ术的重大じゅうだい发展宇宙うちゅう背景はいけいさがせ测者COBE[28]哈勃ふとむなしもち远镜HST金森かなもりほろなみかくこう异性さがせ测器WMAP[29]ひとしそら间探测器收集しゅうしゅういたてき大量たいりょうすうすえ使だいばく炸理论又ゆうりょうしんてきだい突破とっぱ宇宙うちゅうがく从而以更为精确地测量だいばく炸模がたちゅうてきかく种参すう,并从ちゅう发现りょう很多意想いそういたてき结果,宇宙うちゅうてき膨胀ただしざい加速かそく

がいじゅつ[编辑]

だいばく炸年ひょう[编辑]

つう广义しょう对论はた宇宙うちゅうてき膨胀进行时间はんえんじ,则可とく宇宙うちゅうざい过去有限ゆうげんてき时间ぜん曾经处于いち密度みつど温度おんど无限だかてきじょうえいInitial singularity[30],这一状态被称为てんてんてき存在そんざい意味いみ广义しょう对论论在这里适用。而仍しか存在そんざいそう论的问题じょ广义しょう对论わが们能ざい多大ただい程度ていどじょう理解りかい接近せっきんてんてき物理ぶつりがく——肯定こうていてきかいひろしろうかつ时期宇宙うちゅう极早这一高温高密的相态被称作“だいばく炸”[ちゅう 2],这被さくわが宇宙うちゅうてき诞生时期。つう过观测Iaがた超新星ちょうしんせいらい测量宇宙うちゅうてき膨胀,对宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射温度おんど涨落てき测量,以及对星けいあい关函すうてき测量,科学かがく算出さんしゅつ宇宙うちゅうてきとしだい约为137.3 ± 1.2亿年[31]。这三个独立测算所得到的结果相符,从而为具体ぐたい描述宇宙うちゅうしょ包含ほうがんぶつ比例ひれいてきΛらむだCDM模型もけい提供ていきょうりょう有力ゆうりょく证据。

关于だいばく炸模がたちゅう极早宇宙うちゅうてきしょう态问题,いたりいまじん们仍たかし满了猜测。ざいだい多数たすうつね见的模型もけいちゅう宇宙うちゅう诞生初期しょきゆかりひとしえいHomogeneity (physics)かくこう同性どうせいてき高密こうみつ高温こうおんだか压物质构なりてき,并在极早发生りょう非常ひじょう快速かいそくてき膨胀冷却れいきゃくだい约在膨胀进行いた10-37びょう时,产生りょういちあい使つかい宇宙うちゅう发生暴脹ざい此期间宇宙うちゅうてき膨胀てい指数しすうぞう长的[32]:191-202とう暴脹结束きさき,构成宇宙うちゅうてきぶつ包括ほうかつ夸克-にかわ漿,以及其他所有しょゆう基本きほん粒子りゅうし[33]:210。此时てき宇宙うちゅう仍然非常ひじょう炽热,以至于粒子りゅうしざい做着あい对论せいてき高速こうそくずいつくえ运动,而粒子りゅうしはん粒子りゅうしざい此期间也どおり过碰撞不断ふだん创生湮灭,从而宇宙うちゅうちゅう粒子りゅうしはん粒子りゅうしてき数量すうりょう相等そうとうてき宇宙うちゅうちゅうてき重子しげこすう为零)。ちょくいた其后てきぼう个时こく,一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现,它使夸克轻子てき数量すうりょうりゃくほろちょう过了はん夸克はん轻子てき数量すうりょう——ちょう范围だい约在さん千万分之一的量级上,这一过程しょうさく重子しげこ生成せいせい。这一机制导致了当今宇宙中ものあい对于反物たんものてきしゅ导地[34]:だい6しょう

ずい宇宙うちゅうてき膨胀速度そくど温度おんどいちてきくだてい粒子りゅうししょ具有ぐゆうてきのうりょう普遍ふへん开始逐渐下降かこうとうのうりょうくだていいた1ふとし电子ふくとく(1012eV)时产せいりょう对称やぶかけ,这いちそう变使基本きほん粒子りゅうし基本きほん相互そうご作用さよう形成けいせいりょう当今とうこんわが们看いたてき样子[34]:だい7しょう宇宙うちゅう诞生てき10-11びょうきさきだいばく炸模がたちゅう猜测てき成分せいぶん就进いち减少りょういん为此时的粒子りゅうしのうりょうやめ经降ていいたりょうこうのう物理ぶつり实验しょのう企及ききゅうてき范围。10-6びょうきさき,夸克胶子结合形成けいせいりょう诸如质子かず中子なかこてき重子しげこぞくゆかり于夸かつてき数量すうりょう要略ようりゃくだか于反夸克,重子しげこてき数量すうりょう要略ようりゃくだか于反重子しげこ。此时宇宙うちゅうてき温度おんどやめ经降ていいた不足ふそく以产生新せいしんてき质子-はん质子对(类似,也不能ふのう生新せいしんてき中子なかごはん中子なかご对),从而即刻そっこく导致りょう粒子りゅうしはん粒子りゅうし间的质量湮灭,这使とくはらゆうてき质子かず中子なかこ仅有十亿分之一的数量保留下来,而对应的所有しょゆうはん粒子りゅうし则全湮灭。だい约在1びょうきさき,电子和正かずまさ电子间也发生りょう类似てき过程。经过这一系列けいれつてき湮灭,剩余じょうよてき质子、中子なかご电子てき速度そくどくだていいたあい对论せい以下いか,而此时的宇宙うちゅうのうりょう密度みつどてき主要しゅよう贡献湮灭产生てき大量たいりょう光子こうししょう部分ぶぶんちゅうほろ)。

ざいだいばく炸发せいてき几分钟后,宇宙うちゅうてき温度おんどくだていいただいじゅう亿开尔ぶんまとりょう级,密度みつどくだていいただい约海平面へいめん附近ふきんそら密度みつどてき水平すいへい少数しょうすう质子所有しょゆう中子なかご结合,组成てき原子核げんしかく,这个过程さけべ太初たいしょかく合成ごうせい[34]:だい4しょう。而大多数たすう质子ぼつゆうあずか中子なかご结合,形成けいせいりょう氢的原子核げんしかくずい宇宙うちゅうてき冷却れいきゃく宇宙うちゅうのうりょう密度みつどてき主要しゅよう静止せいし质量产生てき引力いんりょくてき贡献,并超过原さき光子こうし辐射形式けいしきてきのうりょう密度みつどざいだい约37.9まんねんきさき,电子原子核げんしかく合成ごうせい为原主要しゅよう原子げんし),而通过與物質ぶっしつだつ耦,辐射とく以在宇宙うちゅうそら间中しょう自由じゆうてき传播,这个辐射てきざん迹就形成けいせいりょうこんてんてき宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射[35]:だい9しょう

哈勃ちょうふかむなし描绘りょう远古时代てきほしけい图景,すえだいばく炸理论,它们处于いち个更ねん轻、さら致密且更炽热てき宇宙うちゅう

虽然宇宙うちゅうざいだい尺度しゃくど上物じょうもの质几乎均いち分布ぶんぷただし存在そんざいぼう些密ややだいてき区域くいきいん而在此后相当そうとう长的いちだん时间ない这些区域くいき内的ないてきぶつ质通过引力作りきさくよう吸引きゅういん附近ふきんてきぶつ质,从而变得密度みつどさらだい,并形成けいせいりょう气体うん恒星こうせいほしけいとう其他ざいこんてんてき天文学てんもんがくじょう观测てき结构。这一过程的具体细节取决於宇宙中物质的形式和数量,其中形式けいしき可能かのうゆうさん种:冷暗れいあんぶつ热暗ぶつ重子しげこぶつ目前もくぜんWMAPてきさいけい观测结果表明ひょうめい宇宙うちゅうちゅううらないぬし导地てきぶつ质形しき冷暗れいあんぶつ质,而其两种ぶつ质形しきざい宇宙うちゅうちゅうしょうらない比例ひれいちょう过18%[31]。另一方面ほうめん,对Iaがた超新星ちょうしんせい宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射てき独立どくりつ观测表明ひょうめい当今とうぎんてき宇宙うちゅういち种称さくくらのうりょうてき知能ちのうりょう形式けいしきぬし导着,くらのうりょう认为渗透いたむなし间中てきごといち个角落。观测显示,当今とうぎん宇宙うちゅうてき总能りょう密度みつど中有ちゅうう72%てき部分ぶぶん以暗のうりょう这一形式けいしき存在そんざいてきすえ推测,ざい宇宙うちゅう非常ひじょうねん轻时くらのうりょう就已经存在そんざいただし此时てき宇宙うちゅう尺度しゃくど很小而物质间彼此ひし距离很近,いん而在时引りょくてき效果こうか显著从而减缓りょう宇宙うちゅうてき膨胀。ただし经过りょう几十上百亿年的膨胀,不断ふだんぞう长的くらのうりょう开始让宇宙うちゅう膨胀缓慢加速かそくおもてじゅつくらのう量的りょうてきさい简洁方法ほうほうざい爱因斯坦引力いんりょく场方ほどちゅう添加てんかしょ宇宙うちゅう常数じょうすうただし这仍しか无法回答かいとうくらのう量的りょうてき构成、形成けいせいつくえせいとう问题,以及与此伴ずいてき一些更基础问题:れい如关于它じょう态方ほどてき细节,以及它与粒子りゅうし物理ぶつりがくなか标准模型もけいてき内在ないざい联系,这些かい决的问题仍然ゆうまち论和实验观测てきいち研究けんきゅう[19]

所有しょゆうざい暴脹時期じきこれてき宇宙うちゅうえんじ以用宇宙うちゅうがくちゅうてきΛらむだCDM模型もけいらい非常ひじょうせい确地描述,這宇宙うちゅうがく標準ひょうじゅん模型もけい广义しょう对论量子力学りょうしりきがく各自かくじ独立どくりつてきかまち[36]物理ぶつり學者がくしゃひさし清楚せいそくら物質ぶっしつあずかくらのう量的りょうてき物理ぶつり性質せいしつ天文てんもん觀測かんそく也尚あかしじつ暴脹理論りろんてき正確せいかくせい[37]:14ffたい於更時期じきせき宇宙うちゅうてき描述,一般认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子りょうし引力いんりょく论来突破とっぱ这一难题。如何いか才能さいのう理解りかい这一极早期宇宙的物理图景是当今物理学的最大かい决问题これいち[38]:85ff

基本きほんかり[编辑]

だいばく炸理论的建立こんりゅうもと於了两个基本きほんかり设:物理ぶつり定律ていりつてき适性宇宙うちゅうがく原理げんり宇宙うちゅうがく原理げんりゆびざいだい尺度しゃくどじょう宇宙うちゅうひとし匀且かくこう同性どうせいてき

这些观点おこりはつさく为先验的公理こうり引入てきただし现今やめゆうしょう研究けんきゅう工作こうさく试图对它们进ぎょう验证。れい如对だい一个假设而言,やめゆう实验证实ざい宇宙うちゅう诞生以来いらいてき绝大多数たすう时间ないせい细结构常すうまとしょう对误值不かいちょう过10-5[39]。此外,つう过对ふとし阳系そうほしけいてき观测,广义しょう对论やめ经得いたりょう非常ひじょうせい确的实验验证;而在さら广阔てき宇宙うちゅうがく尺度しゃくどじょうだいばく炸理论在个方めん经验せい取得しゅとくてき成功せいこう也是对广义相对论てき有力ゆうりょく支持しじ[ちゅう 3]

かり设从地球ちきゅうじょうだい尺度しゃくど宇宙うちゅうかくこう同性どうせいてき宇宙うちゅうがく原理げんり以从いち个更简单てき哥白あま原理げんりちゅう导出。哥白あま原理げんりゆび存在そんざいいち个受へんこのみてきあるもの说特别的)观测しゃある观测位置いちすえ对微背景はいけい辐射てき观测,宇宙うちゅうがく原理げんりやめ经被证实ざい10-5まとりょう级上成立せいりつ[ちゅう 4],而宇宙うちゅうざいだい尺度しゃくどじょう观测到てきひとし匀性则在10%てきりょう[40]

どるさととく曼-勒梅とく-罗伯逊-沃尔かつ[编辑]

广义しょう对论さいようらい描述时空てき几何属性ぞくせい规能够给时空ちゅう任意にんい两点间的间隔。这些てん以是恒星こうせいほしけいある其他天体てんたい,它们ざい时空ちゅうてき位置いち以用一个遍布整个时空的すわ标卡ある“网格”らい说明。すえ宇宙うちゅうがく原理げんりざいだい尺度しゃくどじょう规应とうひとし匀且かくこう同性どうせいてきただ一符合这一要求的度规叫做どるさととく曼-勒梅とく-罗伯逊-沃尔かつFLRW规)。这一度规包含一个含时的しるべ因子いんし,它描じゅつりょう宇宙うちゅうてき尺寸しゃくすん如何いかずい时间变化,这使わが们可以选择建立こんりゅういち个方便びんてきすわ标系そくしょどううつりすわ标系ざい这个坐标系ちゅう网格ずい宇宙うちゅういちおこり膨胀,从而仅由于宇宙うちゅう膨胀而发せい运动てき天体てんたいはた固定こていざい网格てき特定とくてい位置いちじょう。虽然这些どううつり天體てんたい两者间的すわ标距离(どううつり距離きょり保持ほじ变,它们彼此ひし间实际的物理ぶつり距离是正ぜせい宇宙うちゅうてきしるべ因子いんし而膨胀的[41]

だいばく炸的ほん质并ぶつ质的ばく炸从而向がい扩散いたりせい个空旷的宇宙うちゅうそら间,而是ごといち处的そら本身ほんみずい时间てき膨胀えいmetric expansion of space,从而两个ども动天たい间的物理ぶつり距离ざい不断ふだんぞう长。よしFLRW规假设了宇宙うちゅうちゅうぶつ质和のう量的りょうてきひとし分布ぶんぷ,它只对宇宙うちゅうざいだい尺度しゃくどてきじょうがた适用——对於ぞうわが们的ほしけい这样局部きょくぶてきぶつ质聚しゅうじょうがた引力いんりょくてきたば缚作ようよう远大于空间度规膨胀的かげ响,从而不能ふのうさいようFLRW[42]

视界[编辑]

だいばく炸时そらてき一个重要特点就是视界てき存在そんざいよし宇宙うちゅう具有ぐゆう有限ゆうげんてきとし龄,并且こう具有ぐゆう有限ゆうげんてき速度そくど,从而可能かのう存在そんざいぼう些过去てき事件じけん无法どおり过光こうわが们传递信いき。从这いち分析ぶんせき可知かち存在そんざい这样一个极限或称为过去视界,ただゆうざい这个极限距离以内いないてき事件じけんざいゆう可能かのう观测到。另一方面ほうめんゆかり于空间在不断ふだん膨胀,并且こしはるか远的物体ぶったい退行たいこう速度そくどえつだい,从而导致从我们这さと发出てきひかりゆう可能かのうなが远也无法いた达那さと。从这いち分析ぶんせき可知かち存在そんざい这样一个极限或称为未来视界,ただゆうざい这个极限距离以内いないてき事件じけんざいゆう可能かのうかむわが们所かげ响。以上いじょう两种视界てき存在そんざいあずかいな决于描述わが宇宙うちゅうてきFLRW模型もけいてき具体ぐたい形式けいしきわが们现ゆう对极早期そうき宇宙うちゅうてき认知意味いみ宇宙うちゅう应当存在そんざい一个过去视界,过在实验ちゅうわが们的观测仍然早期そうき宇宙うちゅう对电磁波てき不透明ふとうめいせいしょげんせい,这导致我们在过去视界いんそら间膨胀而退行たいこうてきじょうがた依然いぜん无法どおり过电磁波观测到さらひさ远的事件じけん。另一方面ほうめんかり宇宙うちゅうてき膨胀いちちょく加速かそく宇宙うちゅう也会存在そんざい一个未来视界[34]:だい3しょう

观测证据[编辑]

だいばく炸理论最早もはや也最直接的ちょくせつてき观测证据包括ほうかつ从星けい红移观测到てき哈勃膨胀、对宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射てきせい细测りょう宇宙うちゅう间轻元素げんそてき丰度(まいり太初たいしょかく合成ごうせい),而今だい尺度しゃくど结构ほしけいえんじ也成为了しんてき支持しじ证据[43]。这四种观测证据有时被称作“だいばく炸理论的よんだい支柱しちゅう[44]

哈勃定律ていりつ[编辑]

对遥远ほしけい类星たいてき观测表明ひょうめい这些天体てんたい存在そんざい红移——从这些天体てんたい发出てき电磁なみ长会变长。つう过观测取得しゅとくぼしからだてき频谱,而构なり天体てんたいてき化学かがく元素げんそてき原子げんしあずか电磁てき相互そうご作用さよう对应特定とくてい样式てき吸收きゅうしゅう发射谱线はた两者进行对则发现这些谱线むこう长更长的いちはしうつり动。这些红移ひとしえいHomogeneity (physics)かくこう同性どうせいてき,也就说在观测しゃらい任意にんいかた向上こうじょうてき天体てんたい都会とかい发生ひとし分布ぶんぷてき红移。如果はた这种红移かい释为いち勒频うつり,则可进而推知すいち天体てんたいてき退行たいこう速度そくど。对於ぼう些星けい,它们到地球ちきゅうてき距离以通过宇宙うちゅう距离尺度しゃくどらい算出さんしゅつ。如果はたかく个星けいてき退行たいこう速度そくど它们到地球ちきゅうてき距离いちいちれつ,则可发现两者存在そんざい一个线性关系即哈勃定律ていりつ[6]

其中

ほしけいある其他はるか天体てんたいてき退行たいこう速度そくど
天体てんたいてききょう固有こゆう距离えいproper length
これ哈勃常数じょうすうすえWMAP最近さいきんてき测量结果为70.1 ± 1.3せんめーとる/びょう/びょう[31]

すえ哈勃定律ていりつわが们的宇宙うちゅう图景ゆう两种可能かのうあるものわが们正处於そら间膨胀的せい中央ちゅうおう,从而所有しょゆうてきほしけいざい远离わが们——这与哥白あま原理げんりしょう违背——あるもの宇宙うちゅうてき膨胀かく处都しょうどうてき。从广义相对论推测宇宙うちゅうただしざい膨胀てきかり说是ゆかり亚历山大やまだい·どるさととく[15]乔治·勒梅とく[16]ぶん别在1922ねん1927ねん各自かくじ提出ていしゅつてきみやこかなめ於哈勃在1929ねんしょ进行てき实验观测分析ぶんせき工作こうさく宇宙うちゅう膨胀てき论后らいなり为了どるさととく曼、勒梅とく、罗伯逊、沃尔かつとうひと建立こんりゅうだいばく炸理论的もとせき

だいばく炸理论要求ようきゅう哈勃定律ていりつ在任ざいにんなんじょう况下成立せいりつ注意ちゅうい这里ずい宇宙うちゅう膨胀ざい不断ふだん变化(いん此哈勃常すう实际ゆびとうまえじょう态下てき哈勃常数じょうすう”)。对於距离远小於观测宇宙うちゅう尺度しゃくどてきじょうがた,哈勃红移以被理解りかい为因退行たいこう速度そくど造成ぞうせいてき勒频うつりただしほん质上哈勃红移并不真正しんせいてき勒频うつり,而是ざいひかり从遥远星けい发出而后观测しゃ接收せっしゅうてき这个时间间隔ない宇宙うちゅう膨胀てき结果[35]:だい3しょう

天文学てんもんがくじょう观测到てき高度こうどひとし分布ぶんぷ且各こう同性どうせいてき红移[6],以及其他很多观测证据,支持しじ宇宙うちゅうざいかく个方向上こうじょうおこりらいしょうどう这一宇宙うちゅうがく原理げんり。2000ねんにん们通过测りょう宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射对遥远天体系たいけい统的动力がくしょ产生てきかげ响,证实りょう哥白あま原理げんりそく地球ちきゅうしょう对大尺度しゃくど宇宙うちゅうらい说绝宇宙うちゅうてき中心ちゅうしん早期そうき宇宙うちゅうらい自大じだいばく炸的ほろなみ背景はいけい辐射温度おんどよう显著だか当今とうぎんてき辐射あまりあつし,而几じゅう亿年ほろなみ背景はいけい辐射ひとし匀降ゆたかてきこと实只のうかい释为宇宙うちゅうそら间正ざい进行规膨胀,并排除はいじょりょうわが们处于接近せっきん一个特殊的爆炸中心的位置的可能性。[32]:152[ちゅう 5]

宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射[编辑]

金森かなもりほろなみかくこう异性探測たんそくWMAPはくいた宇宙うちゅうざいだいばく炸發生後せいご宇宙うちゅうほろなみ背景はいけいてき影像えいぞう

ざい宇宙うちゅう诞生てき最初さいしょ几天さと宇宙うちゅう处於完全かんぜんてき热平衡态,并伴ずいゆう光子こうしてき不断ふだん吸收きゅうしゅう发射,从而产生りょういちくろたい辐射てき频谱。其后ずい宇宙うちゅうてき膨胀,温度おんど逐渐くだていいた光子こうし不能ふのう继续产生ある湮灭,过此时的高温こうおん仍然あし以使电子原子核げんしかく彼此ひしぶん离。此时てき光子こうし不断ふだんあずか这些自由じゆう电子發生はっせいいん此,早期そうき宇宙うちゅう对电磁波不透明ふとうめいてきとう温度おんど继续くだていいた大約たいやく3000K时,电子原子核げんしかく开始结合成ごうせい原子げんし,这一过程在宇宙学中称为ふくあいよし光子こうし中性ちゅうせい原子げんし射的しゃてき几率很小,とう几乎所有しょゆう电子与原よはらかく发生复合きさき光子こうしてき电磁辐射あずかもの质脱耦[32]:22-24。这一时期大约发生在大爆炸后三十七万九千年,しょうさくさい终的”时期。这些光子こうし构成りょう以被こん天人てんにん们观测到てき背景はいけい辐射,而观测到てき背景はいけい辐射てき涨落图样せい这一时期的早期宇宙的直接写照。ずい宇宙うちゅうてき膨胀,光子こうしてきのうりょういん红移而随くだてい,从而使光子こうし落入りょう电磁てきほろなみ频段。ほろなみ背景はいけい辐射认为ざい宇宙うちゅうちゅうてきにんなん一点都可被观测,并且ざいかく个方向上こうじょう(几乎)具有ぐゆうしょうどうてきのうりょう密度みつど[45]

1964ねんおもね诺·彭齐亚斯罗伯とく·尔逊ざい使用しよう贝尔实验しつてき一台微波接收器进行诊断性测量时,意外いがい发现りょう宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射てき存在そんざい[27]们的发现为微背景はいけい辐射てきしょう关预げん提供ていきょうりょう坚实てき验证——辐射观测到かくこう同性どうせいてき,并且对应てきくろたい辐射温度おんど为3K——并为だいばく炸假说提供ていきょうりょう有力ゆうりょくてき证据。[32]:148-152彭齐亚斯かずたけし尔逊为这项发现获とくりょう诺贝尔物理学りがく[46]

1989ねんNASA发射りょう宇宙うちゅう背景はいけいさがせ测者卫星COBE),并在1990ねん取得しゅとく初步しょほ测量结果,显示だいばく炸理论对ほろなみ背景はいけい辐射しょ做的预言实验观测しょう符合ふごう。COBE测得てきほろなみ背景はいけい辐射あまりゆたか为2.726K,并在1992ねんくび测量りょうほろなみ背景はいけい辐射てき涨落(かくこう异性),其结はて显示这种かくこう异性ざいじゅうまんふんいちてきりょう[28]约翰·马瑟乔治·斯穆とくいん领导りょう这项工作こうさく而获とく诺贝尔物理学りがく[47]ざいせっらいてきじゅうねん间,ほろなみ背景はいけい辐射てきかくこう异性个地めんさがせ测器以及气球实验进いち研究けんきゅう。2000ねんいたり2001ねん间,以毫米だん气球观天计划代表だいひょうてき个实验通过测りょう这种かくこう异性てき典型てんけい角度かくど大小だいしょう,发现宇宙うちゅうざいそら间上きん乎平じきてき[48][49][50]

2003年初ねんしょ金森かなもりほろなみかくこう异性さがせ测器WMAP)给出りょう它的くびさがせ测结はて,其中包括ほうかつりょうざいとう时人们所のう获得てきさいせい确的ぼう宇宙うちゅうがくさんすうこうてんてきさがせ测结はて否定ひていりょうぼう具体ぐたいてき宇宙うちゅう暴胀模型もけいただし总体而言仍然符合ふごう广义てき暴胀[29]。此外,WMAP还证实了ゆういちへんちゅうほろうみわたる於整个宇宙うちゅう,这清晰地说明りょう最早もはやてき一批恒星诞生时曾经用了约五亿年的时间才形成所谓宇宙うちゅう,从而开始ざい原本げんぽんくろくらてき宇宙うちゅうちゅう发光[51]。2009ねん5がつひろしろうかつ卫星さく为用於测りょうほろなみ背景はいけいかくこう异性てきしん一代探测器发射升空,它被よせ希望きぼう於能够对ほろなみ背景はいけいてきかくこう异性进行さらせい确的测量,じょ此之がい还有很多もと于地めんさがせ测器气球てき观测实验えいList of cosmic microwave background experiments也在进行ちゅう[52]

原始げんしぶつ质丰[编辑]

さいようだいばく炸模がた以计さん氦-4氦-3锂-7とう元素げんそしょう对普どおり元素げんそざい宇宙うちゅうちゅうしょうらない含量てき比例ひれい所有しょゆう这些轻元素的すてき丰度决于いち个参すうそく早期そうき宇宙うちゅうちゅう辐射(光子こうしあずかもの质(重子しげこてき比例ひれい,而这个参すうてき计算あずかほろなみ背景はいけい辐射涨落てき具体ぐたい细节无关。だいばく炸理论所推测てき元素げんそ比例ひれい注意ちゅうい这里元素げんそてき总质りょう而非数量すうりょうこれだい约为:氦-4/氢 = 0.25,氘/氢 = 10-3,氦-3/氢 = 10-4,锂-7/氢 = 10-7[34]:だい4しょう

はた实际测量いたてきかく种轻元素げんそ丰度从光重子しげこ比例ひれい推算すいさんてき论值两者较,以发现至しょう粗略そりゃく符合ふごう。其中论值测量值符合ふごうさいこのみてき元素げんそ,氦-4てき论值测量值接近せっきんただし仍有别,锂-7则是りょう两倍,そく对於きさき两种元素げんそてきじょうがた存在そんざいあきら显的けい统随つくえ误差つきかん如此,だいばく炸核合成ごうせい论所预言てき元素げんそ丰度あずか实际观测以认为是基本きほん符合ふごう,这是对大ばく炸理论的きょう有力ゆうりょく支持しじよし为到目前もくぜん为止还没ゆうだい二种理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度,而从だいばく炸理论所预言てき宇宙うちゅうちゅう“调控”てき元素げんそ含量也不可能ふかのうちょうあるてい于现ゆう丰度てき20%いたり30%[53]こと实上很多观测也没ゆうじょだいばく炸以外的がいてき论可以解释,れい如为什么早期そうき宇宙うちゅうそくざい恒星こうせい形成けいせいまえ,从而对物质的研究けんきゅう排除はいじょ恒星こうせいかく合成ごうせいてきかげ响)ちゅう氦的丰度ようだか于氘,而氘てき含量またようこう于氦-3,而且比例ひれいまた常数じょうすう[32]:182-185

ほしけいえんじ变和分布ぶんぷ[编辑]

ようきん红外はく天空てんくういたてき全景ぜんけい图,显示りょう银河けい以外いがいほしけいてきざい宇宙うちゅうちゅうてき分布ぶんぷ,其中不同ふどうてき红移りょうよう不同ふどうてき颜色标出。

对星けい类星たいてきぶん分布ぶんぷてき详细观测为大ばく炸理论提供ていきょうりょうきょう有力ゆうりょくてき支持しじ证据。论和观测结果共同きょうどう显示,最初さいしょてき一批星系和类星体诞生於大爆炸后十亿年,从那以后さらだいてき结构如ほしけいちょうほしけい开始形成けいせいよし恒星こうせいぞくぐん不断ふだんおとろえろうえんじわが们所观测到てき距离はるか远的ほしけい些距离较ちかてきほしけい非常ひじょう不同ふどう。此外,そく使つかい距离うえ相近すけちかあい对较ばん形成けいせいてきほしけい也和些在だいばく炸之きさき较早形成けいせいてきほしけい存在そんざい较大异。这些观测结果都和つわ宇宙うちゅうてき稳恒态理论强烈きょうれつ抵触ていしょく,而对恒星こうせい形成けいせいほしけい类星たい分布ぶんぷ以及だい尺度しゃくど结构てき观测则通过大ばく炸理论对宇宙うちゅう结构形成けいせいてき计算拟结はて符合ふごうとく很好,从而使だいばく炸理论的细节さら趋完ぜん[54][55]

其他证据[编辑]

ひと们通过对哈勃膨胀以及对微背景はいけい辐射てき观测,ふん别估算出さんしゅつりょう宇宙うちゅうてきとし。虽然这两个结はて彼此ひし曾经存在そんざい一些矛盾和争议,ただしさい终还取得しゅとくりょう相当そうとう程度ていどじょうてき一致いっち:两者认为宇宙うちゅうてきとし龄要ややだい于最ろうてき恒星こうせいてきとし龄。两者てき测量方法ほうほうしょう恒星こうせいえんじ论应よういた球状きゅうじょうぼしうえ,并用放射ほうしゃせい定年ていねんほう测定ごといちだいほしぞく恒星こうせいてきとし[56]

だいばく炸理论预ごとりょうほろなみ背景はいけい辐射てき温度おんどざい过去曾经现在ようだか,而对於位于高红移区域くいきそく距离很远)てき气体うんつう过观测它们对温度おんど敏感びんかんてき发射谱线やめ经证实了这个预言[57]。这个预言也意味いみほしけいなか苏尼亚耶おっと-泽尔奇效きこうてき强度きょうどあずか红移并不直接ちょくせつしょう关;这一点从目前观测来看应该是近似正确,しか而由于苏あま亚耶おっと-泽尔奇效きこう应的强度きょうど还和ほしけい团的本身ほんみせい直接ちょくせつ关联,并且ほしけい团的せい质在宇宙うちゅうがくてき时间尺度しゃくどうえかい发生根本こんぽんてき变化,いん而导致无ほうせい确检验这个猜そうてきせい确性[58][59]

とくてん疑点ぎてん问题[编辑]

当今とうぎんてき科学かがくざい宇宙うちゅうがく问题うえ普遍ふへんさらあお睐大ばく炸模がた过在历史上しじょう科学かがくかい曾经ぶんなり两派,一派是大爆炸模型的支持者,另一其他がえだい宇宙うちゅう模型もけいえいnon-standard cosmologyてき支持しじしゃざい宇宙うちゅうがくてきせい个发てんちゅう科学かがくかい曾经不断ふだんそう论着哪个宇宙うちゅうがく模型もけいのう够最符合ふごう描述宇宙うちゅうがくてき观测えいobservational cosmology结果(まいり动机发展いち节),だいばく炸理论的一些问题也因此浮出水面。ざい当今とうぎんてき科学かがくかい支持しじだいばく炸理论是压倒せいてききょういん此这些曾经提出ていしゅつてき问题很多やめ经成为了历史,にん们为此不断ふだん修正しゅうせいかずかんぜんだいばく炸理论以及获取さらてき观测结果,从而一一获得了这些问题的解释[60]:112

だいばく炸的核心かくしん观点——包括ほうかつ规膨胀、早期そうき高温こうおん态、氦元素げんそ形成けいせいほしけい形成けいせい——独立どくりつ于任なん宇宙うちゅうがく模型もけいてき实际观测ちゅう推论てき,这些实际观测包括ほうかつ轻元素的すてき丰度宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射だい尺度しゃくど结构Iaがた超新星ちょうしんせいてき哈勃图ひとし。而大ばく炸理论发てんいたりいま,它的せい确性かずきよし确性ゆう赖于很多奇特きとくてき物理ぶつり现象,这些物理ぶつり现象あるもの还没ゆう在地ざいちめん实验ちゅう观测到,あるもの还没纳入粒子りゅうし物理ぶつりがくてき标准模型もけいなかざい这些现象ちゅうくらものとうぜんかく个实验室しょ研究けんきゅうてきさい为活跃的ぬし[61]。虽然くらもの质理论中いたりこん仍然存在そんざい一些未得到解决的细节和疑点,诸如ほしけいぼけとんがてん问题冷暗れいあんぶつてき矮星けい问题ただし这些疑点ぎてんてきかい决只需将来しょうらい对理论做いちてき修正しゅうせい,而不かい对暗ぶつ质这一解释产生颠覆性的影响。くらのうりょう科学かがくかい另一高度关注的领域,ただしいたりこん仍然清楚せいそ将来しょうらいいやゆう可能かのう直接ちょくせつ对暗のうりょう进行观测[62]

另一方面ほうめんだいばく炸模がたちゅうてき两个重要じゅうよう概念がいねん暴胀重子しげこすう产生えいbaryogenesisざいぼう种意义上仍然认为具有ぐゆう猜测せい质的。它们虽然のう够解释早宇宙うちゅうてき重要じゅうようせい质,却可以被其他かい释所がえだい而不かげ响大ばく炸理论本身ほんみ[ちゅう 6]如何いか找到这些观测现象てきせい确解释仍しか当今とうぎん物理ぶつりがく最大さいだいてきかい决问题之いち

视界问题[编辑]

视界问题えいhorizon problemらいみなもと于任なんしんいきてき传递速度そくど不可能ふかのうちょう过光そくてき前提ぜんてい。对於一个存在有限时间的宇宙而言,这个前提ぜんてい决定りょう两个具有ぐゆう因果いんが联系てき时空区域くいき间的间隔具有ぐゆういち个上かい[34]:だい8しょう,这个うえかいしょうさく粒子りゅうし视界。从这个意义上しょ观测到てきほろなみ背景はいけい辐射てきかくこう同性どうせいあずか这个推论存在そんざい矛盾むじゅん:如果早期そうき宇宙うちゅうちょくいたさい终的”时期ぜん一直都被物质或辐射主导,时的粒子りゅうし视界はたただ对应天空てんくう中大ちゅうだい约2てき范围,从而无法かい释为なんざいいち个如此广てき范围ない具有ぐゆうしょうどうてき辐射温度おんど以及如此相似そうじてき物理ぶつりせい[32]:193-195

对於这一看似矛盾之处,暴胀给出了解りょうかい决方あん,它指ざい宇宙うちゅう诞生极早于重すう产生)てきいちだん时间ない宇宙うちゅうひとし匀且かくこう同性どうせいてきのうりょう标量场主导着。ざい暴胀过程ちゅう宇宙うちゅうそら间发せいりょう指数しすう膨胀,而粒子りゅうし视界てき膨胀速度そくどよう远比ばらさき预想てきようかい,从而导致现在处于观测宇宙うちゅう两端てき区域くいき完全かんぜん处于彼此ひしてき粒子りゅうし视界ちゅうよし此,现今观测到てきほろなみ背景はいけい辐射ざいだい尺度しゃくどじょうてきかくこう同性どうせいよし于是ざい暴胀发生まえ,这些区域くいき彼此ひし相互そうご接触せっしょく具有ぐゆう因果いんが联系てき[33]:180-186

すえ維爾おさめ·うみもりてき确定せい原理げんりざい暴胀时期宇宙うちゅうちゅうそん微小びしょうてき量子りょうし热涨落えいprimordial fluctionずい暴胀这些涨落だいいた宇观尺度しゃくど,这就なり为了当今とうぎん宇宙うちゅうちゅう所有しょゆう结构てき种子[32]:207。暴胀论预げん这些原初げんしょ涨落えいprimordial fluction基本きほんじょう具有ぐゆう尺度しゃくど变性えいscale invariance并满あしこう分布ぶんぷ,这已经通过测りょうほろなみ背景はいけい辐射いたりょうせい确的证实[63]:だい6だん

如果暴胀てき确发せい过,宇宙うちゅうそら间中てきだいかた区域くいきしょういん指数しすう膨胀而完ぜん处于わが们可观测てき视界范围以外いがい[33]:180-186

平坦へいたんせい问题[编辑]

宇宙うちゅうてき整体せいたい几何形状けいじょう决于しょう临界密度みつどΩおめが0值大于、とう于还しょう于1。图中从上いたりしょしめせ为具有正ありまさきょくりつてきふう宇宙うちゅう具有ぐゆう负曲りつてきそう曲面きょくめん宇宙うちゅう具有ぐゆうれいきょくりつてき平坦へいたん宇宙うちゅう

平坦へいたんせい问题えいflatness problemいち个与どるさととく曼-勒梅とく-罗伯逊-沃尔かつあい关的观测问题[34]:だい8しょう决于宇宙うちゅうてき总能りょう密度みつどいやだい于、しょう于或とう于临かい密度みつど宇宙うちゅうてきそらきょくりつ是正ぜせいてき、负的ある为零てきとう宇宙うちゅうてきのうりょう密度みつどとう于临かい密度みつど时,宇宙うちゅうそら间被认为平坦へいたんてきしか而问题在於,にんなん一个偏离临界密度的微小扰动都会随着时间逐渐放大,ただしいたりこん观测到てき宇宙うちゅう仍然是非ぜひつね平坦へいたんてき[ちゅう 7]。如果かり设空间曲りつへん平坦へいたんしょ经的时间尺度しゃくどひろしろうかつ时间そく10-43びょう,经过几十亿年的演化宇宙将会进入热寂あるだい挤压じょう态,这一矛盾从而需要一个解释。こと实上,そく使つかいざい太初たいしょかく合成ごうせい时期,宇宙うちゅうてきのうりょう密度みつど也必须在へん离临かい密度みつどちょう过10-14ばいてき范围ないいや则将かい形成けいせいぞうわが们今てんいたてき这样[64]

暴胀论对此给てきかい释为,暴胀时期そら间膨胀的速度そくど如此かい,以至于能够将产生てきにんなん微小びしょうきょくりつ抹平。现在普遍ふへん认为暴胀导致りょう现今宇宙うちゅうそら间的高度こうど平坦へいたんせい,并且其能りょう密度みつど非常ひじょう接近せっきん临界密度みつど[33]:176-179

磁单极子问题[编辑]

关于磁单极子てきはん对意见源于じゅうせいななじゅう年代ねんだいまつだい一理いちり预言りょうそら间中てきつぶせ缺陷けっかんはたおもて现为磁单极子,这种缺陷けっかんざい早期そうき高温こうおん宇宙うちゅうちゅう应当大量たいりょう产生,从而导致现今磁单极子てき密度みつど应当远大于所のう观测到てき结果。而非常ひじょう难以理解りかいてきいたりこん为止じん们从观测到にんなん磁单极子。かい决这一矛盾的理论仍然是暴胀,あずか抹平そら间中てききょくりつしょう类似,そら间呈指数しすう暴胀也消じょりょう所有しょゆうひらけ缺陷けっかん[34]:だい8しょう

值得いちひさげてきそと尔曲りつかりえいWeyl curvature hypothesisさく为暴胀理论的がえ代理だいり论,どう样能够解释视かい问题、平坦へいたんせい问题磁单极子问题[65][66]

重子しげこ对称せい[编辑]

いたりいまじん们还理解りかい为什么宇宙うちゅうちゅうてきぶつ质要反物たんもの质多[34]:だい6しょうだいばく炸理论认为高温こうおんてき早期そうき宇宙うちゅう处在统计平衡へいこう态,具有ぐゆうどう样数量的りょうてき重子しげこはん重子しげこしか而观测表明ひょうめいそく使つかいざい非常ひじょうはるか远的地方ちほう宇宙うちゅう仍然几乎よしぶつ质构なり。产生这种对称せいてき未知みち过程しょうさく重子しげこすう产生えいBaryogenesis,而重すう产生てき条件じょうけんしょ薩哈おっと条件じょうけんえいBaryogenesis#Sakharov conditions必须满足。这些条件じょうけん包括ほうかつ存在そんざい一种过程破坏重子しげこすう守恒もりつね电荷ども轭不变性电荷ども轭-そら间反えんじ变性必须やぶ坏、宇宙うちゅうへん热平衡态。这さん条件じょうけんざい标准模型もけいてきかまちないいた满足,しか而标じゅん模型もけいしょ预言てき此种こう应在数量すうりょううえふとししょう不足ふそく以完ぜんかい释重对称性的せいてき由来ゆらい[67]

球状きゅうじょうぼし团年龄[编辑]

じゅうせい纪九じゅう年代ねんだい中期ちゅうきにん们发现对球状きゅうじょうぼしてき观测结果あずかだいばく炸理论出现矛盾むじゅんひと们进ぎょうりょう球状きゅうじょうぼし团的ほしぞく观测しょうてき计算つくえ拟,其结はて显示这些球状きゅうじょうぼし团的ねん龄竟しかこう达150亿年,这与だいばく炸理论所预言てき宇宙うちゅうてきとし为137亿年严重きゅうじゅう年代ねんだいきさきさらかんぜんてき计算つくえ拟考虑了恒星こうせい引起てき质量损失效しっこう应,这一矛盾也基本得到了解决:最新さいしんとくてき球状きゅうじょうぼし团年龄要はらさきてき结果しょう很多[68]。虽然じん们还确定这种方法ほうほう测定てき球状きゅうじょうぼし团年龄到そこゆうせい确,ただしやめ经明确的它们无疑宇宙うちゅうちゅうさい古老ころうてき天体てんたいいち

くらもの[编辑]

表示ひょうじ宇宙うちゅうちゅう不同ふどうのうりょう密度みつど组成比例ひれいてき饼图すえあずか观测さいあい符合ふごうてきΛらむだCDM模型もけいゆう95%てき成分せいぶん以充满奇异性质的くらものくらのうりょう形式けいしき存在そんざい

十世纪七十至八十年代进行的多种观测显示,宇宙うちゅうちゅう见的ぶつ质含りょう不足ふそく以解释所观测到てきほしけい内部ないぶ以及ほしけい间彼此产せいてき引力いんりょく强度きょうど。这就导致りょう科学かがく猜测宇宙うちゅう中有ちゅうう含量达90%てきぶつ质都ぞく于不かい辐射电磁也不かいあずか普通ふつう重子しげこもの相互そうご作用さようてきくらもの质。另一方面ほうめんわかかり宇宙うちゅうちゅうてきだい多数たすうぶつ质都普通ふつう重子しげこぶつ质,所得しょとくてき一些预言也和观测结果强烈矛盾。れい如,如果かり设暗ぶつ质的存在そんざいはた难以かい释为なん宇宙うちゅうちゅうてき实际含量よう论上预计てきてい很多。つきかんくらもの质这一概念在刚提出时还存在争议,ただしゆう种观测都显示りょう它的存在そんざい包括ほうかつほろなみ背景はいけい辐射てきかくこう异性、ほしけいてき速度そくどわたるだい尺度しゃくど结构てき分布ぶんぷ、对引力いんりょくとおるてき研究けんきゅう、对星けい团的X线观测ひとし[69]

如要证实くらもの质的存在そんざい需要じゅようじょ它与其他ぶつ质的引力いんりょく相互そうご作用さようただしいたりこん还没ゆうざい实验しつちゅう发现构成くらもの质的粒子りゅうしいたりこん物理ぶつりがくやめ提出ていしゅつりょう粒子りゅうし物理ぶつりがく论来试图かい释暗ぶつ质,どう时实验上也存在そんざい直接ちょくせつ实验观测くらもの质的さがせ测计划[70]

くらのうりょう[编辑]

Iaがた超新星ちょうしんせい红移ほしひとしこれ间关けいてき测量揭示けいじりょう宇宙うちゅう现有ねん龄的一半いっぱん时,它的膨胀开始加速かそく。如要かい释这种加そく膨胀,广义しょう对论要求ようきゅう宇宙うちゅうちゅうてきだい部分ぶぶんのうりょう具有ぐゆう一个能够提供负压的因子,そくしょ谓“くらのうりょう”。ゆう其他若干じゃっかん证据显示くらのうりょう确实存在そんざい:对ほろなみ背景はいけい辐射てき测量显示宇宙うちゅうそら间是きん乎平じきてき,从而宇宙うちゅうてきのうりょう密度みつど需要じゅよう非常ひじょう接近せっきん临界密度みつどしか而通过引りょく汇聚对宇宙うちゅう质量密度みつどてき测量表明ひょうめい宇宙うちゅうてきのうりょう密度みつどただゆう临界密度みつどてき30%左右さゆう[19]よし于暗のうりょう并不ぞう普通ふつう质量样发せい正常せいじょうてき引力いんりょく汇聚,它是对那部分ぶぶん“丢失”てきのうりょう密度みつどてきさいこうかい释。此外ゆう两种对宇宙うちゅう总曲りつてき几何测量结果也要求ようきゅうりょうくらのう量的りょうてき存在そんざいいち种借じょりょう引力いんりょくとおるてき频率,另一种则利用りようだい尺度しゃくど结构てきとくせい图样さく为量てんじゃく。 负压真空しんくうのうりょうてきいち种性质,ただしくらのう量的りょうてき本性ほんしょう到底とうてい什么仍然だいばく炸理论的最大さいだい谜团いち目前もくぜん提出ていしゅつてきよう於解释暗のう量的りょうてきこう选者包括ほうかつ宇宙うちゅうがく常数じょうすうだい元素げんそ。2008ねんWMAP团队给出りょう结合宇宙うちゅうほろなみ背景はいけい辐射其他观测すうすえてき结果,显示当今とうぎんてき宇宙うちゅう含有がんゆう72%てきくらのうりょう、23%てきくらもの质、4.6%てきつね规物质和しょう于1%的中てきちゅうほろ[31]:だい8れつひょう。其中つね规物质的のうりょう密度みつどずい宇宙うちゅうてき膨胀逐渐减少,而暗のう量的りょうてきのうりょう密度みつど却(几乎)保持ほじ变。从而宇宙うちゅう过去含有がんゆうてきつね规物质比例ひれい现在ようだか,而在未来みらいくらのう量的りょうてき比例ひれい则会ぬしてのひら宇宙うちゅうてき膨脹ぼうちょう行為こういただしなおゆう描述くらのうりょう物理ぶつり性質せいしつてき理論りろんいん此,くらのうりょう未來みらいてき物理ぶつり行為こうい仍就未知數みちすう[71]:19-20

ざいΛらむだCDM这一当前大爆炸理论的最佳模型中,くらのうりょうかい释为广义しょう对论ちゅうてき宇宙うちゅうがく常数じょうすう[72][73]しか而,于广义相对论并能够合理解りかい释暗のう量的りょうてき宇宙うちゅうがく常数じょうすう值,そく使つかいあずかもと量子りょうし引力いんりょく观点てき成熟せいじゅく估算值比おこりらい仍然れいじん惊讶しょうざい宇宙うちゅうがく常数じょうすう以及其他かい释暗のう量的りょうてきがえ代理だいり论之间做较和选择とうぜんだいばく研究けんきゅう领域ちゅうかつ跃的课题いち

だいばく宇宙うちゅうてき未来みらい[编辑]

ざい发现くらのうりょうまえ宇宙うちゅうがく认为宇宙うちゅうてき未来みらい存在そんざいゆう两种图景:如果宇宙うちゅうのうりょう密度みつどちょう临界密度みつど宇宙うちゅうかいざい膨胀いたさい大体だいたい积之きさき坍缩,ざい坍缩过程ちゅう宇宙うちゅうてき密度みつど温度おんど都会とかいさいつぎますだかさいきさき终结于同ばく炸开はじめ相似そうじてきじょう态——そくだい挤压[34]:だい3しょう相反あいはん,如果宇宙うちゅうのうりょう密度みつどとう于或しゃしょう于临かい密度みつど,膨胀かい逐渐减速,ただしえい远不かい停止ていし恒星こうせい形成けいせいかいいんかく个星けいちゅうてきほし际气たい逐渐消耗しょうもう而最终停止ていし恒星こうせいえんじさい终导致只あましたしろ矮星中子なかごぼしくろほら相当そうとう缓慢,这些致密ほしたい彼此ひしてき碰撞かい导致质量聚集而陆续产せいさらだいてきくろほら宇宙うちゅうてき平均へいきん温度おんどかい渐近趋于绝对れい,从而达到しょだい冻结[74]。此外,倘若质子しんぞう标准模型もけい预言てき样是稳定てき重子しげこぶつ质最终也かい全部ぜんぶ消失しょうしつ宇宙うちゅうちゅうただとめ辐射くろほら,而最终黑ほら也会いん霍金辐射而全ふけ发。宇宙うちゅうてきかい增加ぞうかいた极点,以致于再也不かいゆう组织てきのうりょう形式けいしき产生,さい宇宙うちゅう达到热寂じょう[75]:だいVI.Dだん

现代观测发现宇宙うちゅう加速かそく膨胀これきさきにん们意识到现今观测てき宇宙うちゅう越来ごえくえつてき部分ぶぶんはた膨胀いたわが们的事件じけん视界以外いがい而同わが们失联系,这一效应的最终结果还不清楚。ざいΛらむだCDM模型もけいちゅうくらのうりょう宇宙うちゅうがく常数じょうすうてき形式けいしき存在そんざい,这个论认为只ゆう诸如ほしけいとう重力じゅうりょくたば缚系统的ぶつ质会聚集,并随宇宙うちゅうてき膨胀冷却れいきゃく它们也会いた热寂。对暗のう量的りょうてき其他かい释,れい幻影げんえいのうりょうえいphantom energy则认为最终ほしけいぐん恒星こうせいくだりぼし原子げんし原子核げんしかく以及所有しょゆうぶつ质都かいざい一直持续下去的膨胀中被撕开,そくしょだい撕裂[76]

超越ちょうえつだいばく炸理论的物理ぶつりがく[编辑]

描述宇宙うちゅう膨胀てき艺术构想图,其中よこすわ表示ひょうじ宇宙うちゅうえんじてき时间,而对应的そら尺寸しゃくすん包括ほうかつそうぞうちゅうてき不可ふか观测部分ぶぶんようしょう应的圆横截面表示ひょうじ左端ひだりはし表示ひょうじざい暴胀时期发生てき急速きゅうそく膨胀(注意ちゅういなり实际比例ひれい),而当宇宙うちゅうえんじいた中期ちゅうき时开はじめ加速かそく膨胀。而微背景はいけい辐射てき形成けいせい恒星こうせい形成けいせいほしけい形成けいせい以及WMAPてき现都ざいしょう应的时间じょう表示ひょうじ出来でき
图片2006ねんてきWMAPしん闻发ぬのかい

虽然ざい宇宙うちゅうがく中大ちゅうだいばく炸模がたやめ建立こんりゅうどく相当そうとうかんぜんざい将来しょうらい它仍しか非常ひじょうゆう可能かのう修正しゅうせいれい如对於宇宙うちゅう诞生さい早期そうきてき一刻人们还几乎一无所知。彭罗斯-霍金てん定理ていり表明ひょうめいざい宇宙うちゅう时间てき开端必然ひつぜん存在そんざいいちてんただし,这些论都ざい广义しょう对论せい确的前提ぜんていざい成立せいりつ,而广义相对论ざい宇宙うちゅう达到ひろしろうかつ温度おんどこれぜん必须失效しっこう,而一个可能かのう存在そんざいてき量子りょうし引力いんりょく论则ゆう希望きぼう避免产生てん[77]

现在やめ提出ていしゅつりょういち些设おもえただしまい一个设想都基于了一些还没有任何验证的假说:

  • 认为暴胀よしつるなかまくてき运动てきまく宇宙うちゅう模型もけい[79];一个前大爆炸模型;认为だいばく炸是よし于膜彼此ひし碰撞产生てきだい碰撞模型もけいえいekpyrotic universe;以及ekpyrotic模型もけいてき变种——循环模型もけいえいcyclic model,认为这种まくてき碰撞しゅう而复はじめてきざい循环模型もけいちゅうだい挤压跟随ざいだいばく炸之きさき发生,并且宇宙うちゅうながとま歇地进行这种循环[80][81][82]
  • 混沌こんとん暴胀えいchaotic inflationざい这一理论中宇宙的暴胀会在随机的地方发生局部停止,ごといち停止ていしてん都会とかい发生自身じしんてきだいばく炸并よし此膨胀出しんてき气泡宇宙うちゅう[83][84][85]

きさき两类设想だいばく炸看さくただ一个更庞大且更古老的宇宙(そく平行へいこう宇宙うちゅうちゅうてきいち事件じけん,而非传统义上てき宇宙うちゅう开端。

哲学てつがく宗教しゅうきょう诠释[编辑]

だいばく炸理论是一种科学理论,它的成立せいりつ建立こんりゅうざい观测しょう符合ふごうてきもと础上てきただしさく为一个阐じゅつ“实在”起源きげんてき论,它对神学しんがく哲学てつがくあるおおあるしょう产生りょう暗示あんじ作用さようじゅうせいじゅういたりさんじゅう年代ねんだい,几乎ごといち个主りゅう宇宙うちゅうがくさら認定にんてい宇宙うちゅう存在そんざい始末しまつ且能保持ほじ密度みつど不變ふへん增長ぞうちょうてき稳恒态理论,还有很多じんゆび责说だいばく炸理论提出ていしゅつてき宇宙うちゅうざい时间じょうてき开端はた宗教しゅうきょう概念がいねん引入りょう物理ぶつりがくちゅう,这一反对意见后来经常被稳恒态理论的支持者反复提出[86]。而大ばく炸理论创はじめじんいちてき乔治·勒梅とく一位罗马天主教神父的事实则更为这种意见添油加醋[87]。1951ねん11月22にちきょうむねひさしじゅうせいざいそう科学かがくいんてき开幕かい上声じょうせいたたえだいばく炸理论和天主教てんしゅきょうてき创世概念がいねんしょう符合ふごう[88]

自大じだいばく炸理论被主流しゅりゅう物理ぶつり宇宙うちゅう学界がっかい接受せつじゅ以来いらいやめ经有个宗きょう团体对大ばく炸理论做りょうはん应,其中有ちゅうう些忠实接受せつじゅりょうだいばく炸理论的科学かがくすえ,而有些试图将だいばく炸理论和自己じこてき宗教しゅうきょうきょう义相统合,ゆう些则完全かんぜんはん对或ゆるがせ视了だいばく炸理论的证据[89]

薩根標準ひょうじゅん[编辑]

薩根標準ひょうじゅんいち格言かくげんみとめため超凡ちょうぼんてき主張しゅちょう需要じゅようゆう超凡ちょうぼんてき證據しょうこ」(Extraordinary claims require extraordinary evidence),這個格言かくげん往往おうおうなりため理性りせい思考しこう批判ひはんせい思考しこう、以及科學かがく考證こうしょうてき重要じゅうよう標準ひょうじゅんいち[90][91]

だいばく炸論ざい宗教しゅうきょう人士じんし(特別とくべつはくひしげ罕諸きょう基督教きりすときょう天主教てんしゅきょう斯蘭きょう教徒きょうと)及公眾人眼中がんちゅう往往おうおうみとめため它是ぞく超凡ちょうぼんてき主張しゅちょういんためあずか直覺ちょっかく宗教しゅうきょう經典きょうてん創造そうぞうろん發生はっせい衝突しょうとついん要求ようきゅう超凡ちょうぼんてき證據しょうこよし於沒ゆうにんなに歷史れきし文獻ぶんけん記錄きろく宇宙うちゅう誕生たんじょう宇宙うちゅうばく炸的歷史れきし過程かていとう超凡ちょうぼん證據しょうこ作為さくいしょう宗教しゅうきょう人士じんし及不しょうおおやけ眾人ひとしせっおさめ宇宙うちゅうだいばく炸論[92]

ただしざい物理ぶつりがく宇宙うちゅう科學かがく眼中がんちゅうだいばく炸論なみ超凡ちょうぼん主張しゅちょういんためだいばく炸論なみぼつゆうあずか現今げんこんてき科學かがく及物理學りがく衝突しょうとついん此無需有如歷史れきし文獻ぶんけん記錄きろくとう超凡ちょうぼんてき證據しょうこ」也可せっおさめだいばく炸論ため學理がくり

流行りゅうこう文化ぶんか[编辑]

注釋ちゅうしゃく[编辑]

  1. ^ ゆう很多しょう关报どうごえしょう霍伊尔是于讽とげてき目的もくてきざい如此称呼しょうこだいばく炸理论,ただし霍伊尔本じんきさきらいいや认了这个说法。指出さしで这种とく别的说法ただ为了こう听众じゅう说明两个论的不同ふどうまいり见肯·かつ罗斯韦尔しょちょThe Alchemy of the Heavens》(1995ねんだいきゅうしょうちゅう译本めい为《银河けい》,磷译,海南かいなん出版しゅっぱんしゃ1999ねん出版しゅっぱん
  2. ^ 关于だいばく炸这一阶段持续多久目前还没有定论,ゆう些作しゃしょ说的だいばく炸仅ゆび最初さいしょてきてん,而有些作しゃ则用它指だいせい宇宙うちゅうてき历史。通常つうじょう义下,いたりしょうざい合成ごうせい氦元素的すてき最初さいしょ几分钟内认为处於だいばく炸期间。
  3. ^ 关于验证广义しょう对论てき详细しんいき参考さんこうさん广义しょう对论てき实验验证
  4. ^ 这里ゆるがせりゃくりょうりょう级约为0.1%てき偶极かくこう异性えいdipole anisotropy,它来げん于太阳系ざい辐射场中てきほん速度そくど
  5. ^ 天文学てんもんがくてき测量结果发表ざい2000ねん12月てき自然しぜん》杂志じょう,论文标题为《红移りょう为2.33771てきほろなみ背景はいけい温度おんど》(The microwave background temperature at the redshift of 2.33771页面そん档备份そん互联网档あん)),以从这里页面そん档备份そん互联网档あん)获取ArXivぶん档。
  6. ^ 如果暴胀てき确曾经发せい,则重すう产生也必然ひつぜん发生;はん则不しか
  7. ^ 宇宙うちゅうがく常数じょうすう形式けいしき存在そんざいてきくらのうりょう使宇宙うちゅう趋向平坦へいたんしか而早ざいくらのう量的りょうてきのうりょう密度みつどざい宇宙うちゅう中居なかい于主导地まえわが们的宇宙うちゅうやめ经处于接近せっきん平坦へいたんじょう态达几じゅう亿年。

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