根 ね 据 すえ 大 だい 爆 ばく 炸理论,宇宙 うちゅう 是 ぜ 由 よし 一 いち 个極緊密 きんみつ 、極 ごく 熾 おき 热的奇 き 点 てん 膨胀到现在的 てき 状 じょう 态。
大 だい 爆 ばく 炸 (英語 えいご :Big Bang ),是 ぜ 描述宇宙 うちゅう 的 てき 起源 きげん 與 あずか 演 えんじ 化 か 的 てき 宇宙 うちゅう 學 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 学 がく 中 ちゅう 通常 つうじょう 所 しょ 说的“大 だい 爆 ばく 炸”是 ぜ 指 ゆび :宇宙 うちゅう 是 ぜ 在 ざい 过去有限 ゆうげん 的 てき 时间 之 これ 前 まえ ,由 よし 一 いち 个密度 みつど 极大且温度 おんど 极高的 てき 太初 たいしょ 状 じょう 态演 えんじ 变而来 らい 的 てき 。根 ね 据 すえ 2015年 ねん 普 ひろし 朗 ろう 克 かつ 卫星所得 しょとく 到 いた 的 てき 最 さい 佳 けい 观测结果,宇宙 うちゅう 大 だい 爆 ばく 炸距今 いま 137.99 ± 0.21亿年[4] ,并经过不断 ふだん 的 てき 膨胀 到 いた 达今天 てん 的 てき 状 じょう 态。[5] 大 だい 爆 ばく 炸这一模型的框架基于爱因斯坦 的 てき 广义相 しょう 对论 ,又 また 在 ざい 场方程 ほど 的 てき 求 もとめ 解 かい 上 じょう 作出 さくしゅつ 了 りょう 一定 いってい 的 てき 简化(例 れい 如宇宙 うちゅう 學 がく 原理 げんり 假 かり 设空间的均 ひとし 匀性和 わ 各 かく 向 こう 同性 どうせい )。[5] 1922年 ねん ,苏联 物理 ぶつり 学 がく 家 か 亚历山大 やまだい ·弗 どる 里 さと 德 とく 曼 用 よう 广义相 しょう 对论描述了 りょう 流体 りゅうたい ,从而给出了 りょう 这一模型 もけい 的 てき 场方程 ほど 。1927年 ねん ,比 ひ 利 り 时物理学 りがく 家 か 乔治·勒梅特 とく 通 つう 过求解 かい 弗 どる 里 さと 德 とく 曼方程 ほど 已 やめ 经在理 り 论上提出 ていしゅつ 了 りょう 同 どう 样的观点,这个解 かい 后 きさき 来 き 被 ひ 称 しょう 作 さく 弗 どる 里 さと 德 とく 曼-勒梅特 とく -罗伯逊-沃尔克 かつ 度 ど 规 。1929年 ねん ,美国 びくに 物理 ぶつり 学 がく 家 か 愛 あい 德 とく 溫 ゆたか ·哈伯透 とおる 过观测发现,从地球 ちきゅう 到 いた 达遥远星 ほし 系 けい 的 てき 距离正 せい 比 ひ 于这些星系 けい 的 てき 红移 ,从而推导出 で 宇宙 うちゅう 膨胀的 てき 观点。哈勃的 てき 观测表明 ひょうめい ,所有 しょゆう 遥 はるか 远的星 ほし 系 けい 和 わ 星 ほし 系 けい 团在 ざい 视線速度 そくど 上 うえ 都 と 在 ざい 远离我 わが 们这一 いち 观察点 てん ,并且距离越 えつ 远退行 たいこう 视速度 そくど 越 えつ 大 だい [6] 。如果当 とう 前 ぜん 星 ほし 系 けい 和 わ 星 ぼし 团间彼此 ひし 的 てき 距离在 ざい 不断 ふだん 增大 ぞうだい ,则说明 あきら 它们在 ざい 过去曾经距离很近。从这一观点物理学家进一步推测:在 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 在 ざい 类似条件下 じょうけんか 所 しょ 进行的 てき 实验结果则有力 ゆうりょく 地 ち 支持 しじ 了 りょう 这一理 いちり 论。然 しか 而,由 ゆかり 于当前 ぜん 技 わざ 术原因 げんいん ,粒子 りゅうし 加速器 かそくき 所 しょ 能 のう 达到的 てき 高 こう 能 のう 范围 还十 じゅう 分有 ぶんゆう 限 げん ,因 いん 而到目前 もくぜん 为止,还没有 ゆう 证据能 のう 够直接 ちょくせつ 或 ある 间接描述膨胀初 はつ 始 はじめ 的 てき 极短时间内 ない 的 てき 宇宙 うちゅう 状 じょう 态。从而,大 だい 爆 ばく 炸理论还无法对宇宙 うちゅう 的 てき 初 はつ 始 はじめ 状 じょう 态作出 で 任 にん 何 なん 描述和解 わかい 释,事 こと 实上它所能 のう 描述并解释的是 ぜ 宇宙 うちゅう 在 ざい 初 はつ 始 はじめ 状 じょう 态之后 きさき 的 てき 演 えんじ 化 か 图景。当 とう 前 まえ 所 しょ 观测到的 てき 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 氢元素的 すてき 丰度 ,和 かず 理 さとし 论所预言的 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 过程中 ちゅう ,最初 さいしょ 的 てき 几分钟内通 どおり 过核反 はん 应所形成 けいせい 的 てき 这些元素 げんそ 的 てき 理 り 论丰度 ど 值非常 ひじょう 接近 せっきん ,定性 ていせい 并定量 りょう 描述宇宙 うちゅう 早期 そうき 形成 けいせい 的 てき 氢元素 げんそ 丰度的 てき 理 り 论被称 しょう 作 さく 太初 たいしょ 核 かく 合成 ごうせい 。
大 だい 爆 ばく 炸一词首先 さき 是 ぜ 由 ゆかり 英国 えいこく 天文学 てんもんがく 家 か 弗 どる 雷 かみなり 德 とく ·霍伊尔所 ところ 采 さい 用 よう 的 てき 。霍伊尔是与 あずか 大 だい 爆 ばく 炸对立 りつ 的 てき 宇宙 うちゅう 学 がく 模型 もけい ——穩態理論 りろん 的 てき 倡导者 しゃ ,他 た 在 ざい 1949年 ねん 3月 がつ 英國 えいこく 廣 こう 播公司 こうし 的 てき 一次广播节目中将勒梅特等人的理论称作“这个大 だい 爆 ばく 炸的观点”。虽然有 ゆう 很多通俗 つうぞく 轶事记录霍伊尔这样讲是 ぜ 出 で 于讽刺 とげ ,但 ただし 霍伊尔本人 じん 明 あきら 确否认了这一 いち 点 てん ,他 た 声 こえ 称 しょう 这只是 ぜ 为了着 ぎ 重 じゅう 说明这两个模型 がた 的 てき 显著不同 ふどう 之 の 处[10] [11] [12] 。霍伊尔后来 らい 为恒星 こうせい 核 かく 合成 ごうせい 的 てき 研究 けんきゅう 做出了 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 通 どおり 过核反 はん 应利用 りよう 氢元素 げんそ 制 せい 造 づくり 出 で 某 ぼう 些重元素 げんそ 的 てき 途 と 径 みち 。1964年 ねん 发现的 てき 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 是 ぜ 支持 しじ 大 だい 爆 ばく 炸确实发生 せい 的 てき 重要 じゅうよう 证据,特 とく 别是当 とう 测得其频谱 从而绘制出 で 它的黑 くろ 体 たい 辐射曲 きょく 线之后 きさき ,大 だい 多数 たすう 科学 かがく 家 か 都 と 开始相 しょう 信 しんじ 大 だい 爆 ばく 炸理论了。
动机和 わ 发展 [ 编辑 ]
大 だい 爆 ばく 炸理论是通 どおり 过对宇宙 うちゅう 结构的 てき 实验观测和 わ 理 り 论推导发展 てん 而来的 てき 。在 ざい 实验观测方面 ほうめん ,1912年 ねん 維斯托 たく ·斯里弗 どる 首 くび 次 じ 测量了 りょう 一 いち 个“旋涡星 ぼし 云 うん ”(“旋涡星 ぼし 云 うん ”是 ぜ 当 とう 时对旋涡星 ほし 系 けい 的 てき 旧称 きゅうしょう 法 ほう )的 てき 多 た 普 ふ 勒频移 うつり ,其后他 た 又 また 证实绝大多数 たすう 类似的 てき 星 ほし 云 うん 都 と 在 ざい 退 すさ 离地球 ちきゅう 。不 ふ 过斯里 さと 弗 どる 尔并没 ぼつ 有 ゆう 因 いん 此联想到 そうとう 这个观测结果对宇宙 うちゅう 学 がく 的 てき 意 い 义,因 いん 为在当 とう 时,这些“星 ほし 云 うん ”是 ぜ 否 ひ 是 ぜ 我 わが 们的银河系 けい 之 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,并引发了世 よ 纪天文 てんもん 大 だい 辩论[13] [14] 。在 ざい 理 り 论研究 けんきゅう 方面 ほうめん ,1917年 ねん 爱因斯坦 将 はた 广义相 しょう 对论理 り 论应用 よう 到 いた 整 せい 个宇宙 うちゅう ,发表了 りょう 标志着 ぎ 物理 ぶつり 宇宙 うちゅう 学 がく 诞生的 てき 论文《根 ね 据 すえ 广义相 しょう 对论对宇宙 うちゅう 学 がく 所 しょ 做的考察 こうさつ 》。然 しか 而从广义相 しょう 对论出 で 发建立 こんりゅう 的 てき 宇宙 うちゅう 模型 もけい 不 ふ 是 ぜ 静 せい 态的,这和当 とう 时静 せい 态宇宙 うちゅう 的 てき 主流 しゅりゅう 观点并不符合 ふごう ,爱因斯坦为此在 ざい 场方程 ほど 中 ちゅう 加入 かにゅう 了 りょう 一 いち 个宇宙 うちゅう 学 がく 常数 じょうすう 来 らい 进行修正 しゅうせい 。1922年 ねん ,苏联宇宙 うちゅう 学 がく 家 か 、数学 すうがく 家 か 亚历山大 やまだい ·弗 どる 里 さと 德 とく 曼 假 かり 设了宇宙 うちゅう 在 ざい 大 だい 尺度 しゃくど 上 うえ 均 ひとし 匀和各 かく 向 こう 同性 どうせい ,利用 りよう 引力 いんりょく 场方程 ほど 推导出 で 描述空 そら 间上均一 きんいつ 且各向 こう 同性 どうせい 的 てき 弗 どる 里 さと 德 とく 曼方程 ほど ,在 ざい 这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。通 つう 过选取合 とりあえ 适的状 じょう 态方程 ほど ,从弗里 さと 德 とく 曼方程 ほど 得 え 到 いた 的 てき 宇宙 うちゅう 模型 もけい 是 ぜ 在 ざい 膨胀的 てき [15] 。1924年 ねん ,埃 ほこり 德 とく 温 ゆたか ·哈勃 测量了 りょう 最近 さいきん 的 てき “旋涡星 ぼし 云 うん ”距地球 ちきゅう 的 てき 距离,其结果 はて 证实了 りょう 它们在 ざい 银河系 けい 之 の 外 そと ,本 ほん 质是其他的 てき 星 ほし 系 けい 。1927年 ねん ,比 ひ 利 り 时物理学 りがく 家 か 乔治·勒梅特 とく 在 ざい 不 ふ 了解 りょうかい 弗 どる 里 さと 德 とく 曼工作 こうさく 的 てき 情 じょう 况下独立 どくりつ 提出 ていしゅつ 了 りょう 星 ぼし 云 うん 后 きさき 退 すさ 现象的 てき 原因 げんいん 是 ぜ 宇宙 うちゅう 在 ざい 膨胀[16] 。1931年 ねん 勒梅特 とく 进一 いち 步 ほ 提出 ていしゅつ “原生 げんせい 原子 げんし 假 かり 说”,认为宇宙 うちゅう 正 ただし 在 ざい 进行的 てき 膨胀意味 いみ 着 ぎ 它在时间反 はん 演 えんじ 上 うえ 会 かい 发生坍缩,这种情 じょう 形 がた 会 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 中 ちゅう 的 てき 所有 しょゆう 质量都会 とかい 集中 しゅうちゅう 到 いた 一个几何尺寸很小的“原生 げんせい 原子 げんし ”上 じょう ,时间和 わ 空 そら 间的结构就是从这个“原生 げんせい 原子 げんし ”产生的 てき [17] 。
1924年 ねん 起 おこり ,哈勃为勒梅 うめ 特 とく 的 てき 理 り 论提供 ていきょう 了 りょう 实验条件 じょうけん :他 た 在 ざい 威 い 尔逊山 やま 天文台 てんもんだい 利用 りよう 口径 こうけい 250厘 りん 米 まい 的 てき 胡 えびす 克 かつ 望 もち 远镜费心建造 けんぞう 了 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 的 てき 前身 ぜんしん 。这些仪器使 し 他 た 能 のう 够通过观测星系 けい 的 てき 红移量 りょう 来 らい 推测星 ほし 系 けい 与 あずか 地球 ちきゅう 之 の 间的距离。他 た 在 ざい 1929年 ねん 发现,星 ほし 系 けい 远离地球 ちきゅう 的 てき 速度 そくど 同 どう 它们与地球 ちきゅう 之 の 间的距离刚好成 なり 正 せい 比 ひ ,这就是 ぜ 所 しょ 谓哈勃定律 ていりつ [6] [18] 。而勒梅 うめ 特 とく 在 ざい 理 り 论推测,根 ね 据 すえ 宇宙 うちゅう 学 がく 原理 げんり 当 とう 观测足 あし 够大的 てき 空 そら 间时,没 ぼつ 有 ゆう 特殊 とくしゅ 方向 ほうこう 和 わ 特殊 とくしゅ 点 てん ,因 いん 此哈勃定律 ていりつ 说明宇宙 うちゅう 在 ざい 膨胀[19] 。
艺术家 か 绘制的 てき 威 い 尔金森 かなもり 微 ほろ 波 なみ 各 かく 向 こう 异性探 さがせ 测器 (WMAP )采 さい 集 しゅう 数 すう 据 すえ 的 てき 景 けい 象 ぞう
二 に 十 じゅう 世 せい 纪三 さん 十 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非 ひ 主流 しゅりゅう 宇宙 うちゅう 模型 もけい ,例 れい 如米 べい 尔恩宇宙 うちゅう [20] 、振 ふ 荡宇宙 うちゅう (最早 もはや 由 ゆかり 弗 どる 里 さと 德 とく 曼提出 ていしゅつ ,后 きさき 来 らい 的 てき 主要 しゅよう 推广者 しゃ 是 ぜ 阿 おもね 尔伯特 とく ·爱因斯坦和 わ 理 り 查德·托 たく 尔曼[21] 、弗 どる 里 さと 茨 いばら ·兹威基 もと 的 てき 衰 おとろえ 减光子 こうし 假 かり 说[22] 。
第 だい 二 に 次 じ 世界 せかい 大 だい 战 以后,宇宙 うちゅう 膨胀的 てき 观点引出了 りょう 两种互相对立的 てき 可能 かのう 理 り 论:一种理论是由勒梅特提出,乔治·伽 とぎ 莫夫 支持 しじ 和 かず 完 かん 善 ぜん 的 てき 大 だい 爆 ばく 炸理论。伽 とぎ 莫夫提出 ていしゅつ 了 りょう 太初 たいしょ 核 かく 合成 ごうせい 理 り 论[23] ,而他的 てき 同 どう 事 こと 拉 ひしげ 尔夫·阿 おもね 尔菲和 わ 罗伯特 とく ·赫尔曼 则理论上预言了 りょう 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 存在 そんざい [24] 。另一种理论则是英国天文学家弗 どる 雷 かみなり 德 とく ·霍伊尔等 とう 人 ひと 提出 ていしゅつ 的 てき 穩態理論 りろん [25] 。在 ざい 稳恒态宇宙 うちゅう 模型 もけい 里 さと ,新 しん 物 もの 质在星 ほし 系 けい 远离留 とめ 下 か 的 てき 空 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 何 なん 时候看 み 上 じょう 去 さ 都 と 基本 きほん 不 ふ 变化。具有 ぐゆう 讽刺意味 いみ 的 てき 是 ぜ ,大 だい 爆 ばく 炸理论的名称 めいしょう 却是来 き 自 じ 霍伊尔提到 いた 勒梅特 とく 的 てき 理 り 论时所用 しょよう 的 てき 称呼 しょうこ ,他 た 在 ざい 1949年 ねん 3月 がつ 的 てき 一 いち 期 き BBC广播节目《物 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 理 り 论称作 さく “这个大 だい 爆 ばく 炸的观点”[26] :129 [注 ちゅう 1] 。之 これ 后 きさき 的 てき 许多年 ねん ,这两种理论并立 りつ ,但 ただし 射 い 电源 みなもと 计数 一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。1965年 ねん ,宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 发现和 わ 确认更 さら 使 し 绝大多数 たすう 物理 ぶつり 学 がく 家 か 都 と 相 しょう 信 しん [27] :大 だい 爆 ばく 炸是能 これよし 描述宇宙 うちゅう 起源 きげん 和 わ 演 えんじ 化 か 最 さい 好 このみ 的 てき 理 り 论。现在宇宙 うちゅう 物理 ぶつり 学 がく 的 てき 几乎所有 しょゆう 研究 けんきゅう 都 と 与 あずか 宇宙 うちゅう 大 だい 爆 ばく 炸理论有关,或 ある 者 もの 是 ぜ 它的延伸 えんしん ,或 ある 者 もの 是 ぜ 进一 いち 步 ほ 解 かい 释,例 れい 如大爆 ばく 炸理论的框 かまち 架 か 下 か 星 ほし 系 けい 如何 いか 产生,早期 そうき 和 わ 极早期 き 宇宙 うちゅう 的 てき 物理 ぶつり 定律 ていりつ ,以及用 よう 大 だい 爆 ばく 炸理论解释新观测结果等 とう 。
二 に 十世纪九十年代后期和二十一世纪初,望 もち 远镜技 わざ 术的重大 じゅうだい 发展和 わ 如宇宙 うちゅう 背景 はいけい 探 さがせ 测者 (COBE )[28] 、哈勃太 ふと 空 むなし 望 もち 远镜 (HST )和 わ 威 い 尔金森 かなもり 微 ほろ 波 なみ 各 かく 向 こう 异性探 さがせ 测器 (WMAP )[29] 等 ひとし 空 そら 间探测器收集 しゅうしゅう 到 いた 的 てき 大量 たいりょう 数 すう 据 すえ 使 し 大 だい 爆 ばく 炸理论又有 ゆう 了 りょう 新 しん 的 てき 大 だい 突破 とっぱ 。宇宙 うちゅう 学 がく 家 か 从而可 か 以更为精确地测量大 だい 爆 ばく 炸模型 がた 中 ちゅう 的 てき 各 かく 种参数 すう ,并从中 ちゅう 发现了 りょう 很多意想 いそう 不 ふ 到 いた 的 てき 结果,比 ひ 如宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀正 ただし 在 ざい 加速 かそく 。
概 がい 述 じゅつ [ 编辑 ]
大 だい 爆 ばく 炸年表 ひょう [ 编辑 ]
通 つう 过广义相 しょう 对论 将 はた 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀进行时间反 はん 演 えんじ ,则可得 とく 出 で 宇宙 うちゅう 在 ざい 过去有限 ゆうげん 的 てき 时间之 の 前 ぜん 曾经处于一 いち 个密度 みつど 和 わ 温度 おんど 都 と 无限高 だか 的 てき 状 じょう 态[30] ,这一状态被称为奇 き 点 てん ,奇 き 点 てん 的 てき 存在 そんざい 意味 いみ 着 ぎ 广义相 しょう 对论理 り 论在这里不 ふ 适用。而仍然 しか 存在 そんざい 争 そう 论的问题是 ぜ ,借 か 助 じょ 广义相 しょう 对论我 わが 们能在 ざい 多大 ただい 程度 ていど 上 じょう 理解 りかい 接近 せっきん 奇 き 点 てん 的 てき 物理 ぶつり 学 がく ——可 か 以肯定 こうてい 的 てき 是 ぜ 不 ふ 会 かい 早 さ 于普 ひろし 朗 ろう 克 かつ 时期 。宇宙 うちゅう 极早期 き 这一高温高密的相态被称作“大 だい 爆 ばく 炸”[注 ちゅう 2] ,这被看 み 作 さく 是 ぜ 我 わが 们宇宙 うちゅう 的 てき 诞生时期。通 つう 过观测Ia型 がた 超新星 ちょうしんせい 来 らい 测量宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀,对宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射温度 おんど 涨落的 てき 测量,以及对星系 けい 之 の 间相 あい 关函数 すう 的 てき 测量,科学 かがく 家 か 计算出 さんしゅつ 宇宙 うちゅう 的 てき 年 とし 龄大 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 所 しょ 包含 ほうがん 物 ぶつ 质比例 ひれい 的 てき Λ らむだ CDM模型 もけい 提供 ていきょう 了 りょう 有力 ゆうりょく 证据。
关于大 だい 爆 ばく 炸模型 がた 中 ちゅう 极早期 き 宇宙 うちゅう 的 てき 相 しょう 态问题,至 いたり 今 いま 人 じん 们仍充 たかし 满了猜测。在 ざい 大 だい 多数 たすう 常 つね 见的模型 もけい 中 ちゅう ,宇宙 うちゅう 诞生初期 しょき 是 ぜ 由 ゆかり 均 ひとし 匀 且各 かく 向 こう 同性 どうせい 的 てき 高密 こうみつ 高温 こうおん 高 だか 压物质构成 なり 的 てき ,并在极早期 き 发生了 りょう 非常 ひじょう 快速 かいそく 的 てき 膨胀和 わ 冷却 れいきゃく 。大 だい 约在膨胀进行到 いた 10-37 秒 びょう 时,产生了 りょう 一 いち 种相 あい 变使 つかい 宇宙 うちゅう 发生暴脹 ,在 ざい 此期间宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀是 ぜ 呈 てい 指数 しすう 增 ぞう 长的[32] :191-202 。当 とう 暴脹结束后 きさき ,构成宇宙 うちゅう 的 てき 物 ぶつ 质包括 ほうかつ 夸克-膠 にかわ 子 こ 漿 ,以及其他所有 しょゆう 基本 きほん 粒子 りゅうし [33] :210 。此时的 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 都 と 在 ざい 做着相 あい 对论性 せい 的 てき 高速 こうそく 随 ずい 机 つくえ 运动,而粒子 りゅうし -反 はん 粒子 りゅうし 对在 ざい 此期间也通 どおり 过碰撞不断 ふだん 地 ち 创生和 わ 湮灭,从而宇宙 うちゅう 中 ちゅう 粒子 りゅうし 和 わ 反 はん 粒子 りゅうし 的 てき 数量 すうりょう 是 ぜ 相等 そうとう 的 てき (宇宙 うちゅう 中 ちゅう 的 てき 总重子 しげこ 数 すう 为零)。直 ちょく 到 いた 其后的 てき 某 ぼう 个时刻 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 和 わ 轻子 的 てき 数量 すうりょう 略 りゃく 微 ほろ 超 ちょう 过了反 はん 夸克和 わ 反 はん 轻子的 てき 数量 すうりょう ——超 ちょう 出 で 范围大 だい 约在三 さん 千万分之一的量级上,这一过程被 ひ 称 しょう 作 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物 もの 质相 あい 对于反物 たんもの 质的 てき 主 しゅ 导地位 い [34] :第 だい 6章 しょう 。
随 ずい 着 ぎ 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀速度 そくど 和 わ 温度 おんど 进一 いち 步 ほ 的 てき 降 くだ 低 てい ,粒子 りゅうし 所 しょ 具有 ぐゆう 的 てき 能 のう 量 りょう 普遍 ふへん 开始逐渐下降 かこう 。当 とう 能 のう 量 りょう 降 くだ 低 てい 到 いた 1太 ふとし 电子伏 ふく 特 とく (1012 eV)时产生 せい 了 りょう 对称破 やぶ 缺 かけ ,这一 いち 相 そう 变使基本 きほん 粒子 りゅうし 和 わ 基本 きほん 相互 そうご 作用 さよう 形成 けいせい 了 りょう 当今 とうこん 我 わが 们看到 いた 的 てき 样子[34] :第 だい 7章 しょう 。宇宙 うちゅう 诞生的 てき 10-11 秒 びょう 之 の 后 きさき ,大 だい 爆 ばく 炸模型 がた 中 ちゅう 猜测的 てき 成分 せいぶん 就进一 いち 步 ほ 减少了 りょう ,因 いん 为此时的粒子 りゅうし 能 のう 量 りょう 已 やめ 经降低 てい 到 いた 了 りょう 高 こう 能 のう 物理 ぶつり 实验所 しょ 能 のう 企及 ききゅう 的 てき 范围。10-6 秒 びょう 之 の 后 きさき ,夸克和 わ 胶子结合形成 けいせい 了 りょう 诸如质子和 かず 中子 なかこ 的 てき 重子 しげこ 族 ぞく ,由 ゆかり 于夸克 かつ 的 てき 数量 すうりょう 要略 ようりゃく 高 だか 于反夸克,重子 しげこ 的 てき 数量 すうりょう 也要略 ようりゃく 高 だか 于反重子 しげこ 。此时宇宙 うちゅう 的 てき 温度 おんど 已 やめ 经降低 てい 到 いた 不足 ふそく 以产生新 せいしん 的 てき 质子-反 はん 质子对(类似地 ち ,也不能 ふのう 产生新 せいしん 的 てき 中子 なかご -反 はん 中子 なかご 对),从而即刻 そっこく 导致了 りょう 粒子 りゅうし 和 わ 反 はん 粒子 りゅうし 之 の 间的质量湮灭,这使得 とく 原 はら 有 ゆう 的 てき 质子和 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 反 はん 粒子 りゅうし 则全部 ぶ 湮灭。大 だい 约在1秒 びょう 之 の 后 きさき ,电子和正 かずまさ 电子之 の 间也发生了 りょう 类似的 てき 过程。经过这一系列 けいれつ 的 てき 湮灭,剩余 じょうよ 的 てき 质子、中子 なかご 和 わ 电子的 てき 速度 そくど 降 くだ 低 てい 到 いた 相 あい 对论性 せい 以下 いか ,而此时的宇宙 うちゅう 能 のう 量 りょう 密度 みつど 的 てき 主要 しゅよう 贡献来 き 自 じ 湮灭产生的 てき 大量 たいりょう 光子 こうし (少 しょう 部分 ぶぶん 来 き 自 じ 中 ちゅう 微 ほろ 子 こ )。
在 ざい 大 だい 爆 ばく 炸发生 せい 的 てき 几分钟后,宇宙 うちゅう 的 てき 温度 おんど 降 くだ 低 てい 到 いた 大 だい 约十 じゅう 亿开尔文 ぶん 的 まと 量 りょう 级,密度 みつど 降 くだ 低 てい 到 いた 大 だい 约海平面 へいめん 附近 ふきん 空 そら 气密度 みつど 的 てき 水平 すいへい 。少数 しょうすう 质子和 わ 所有 しょゆう 中子 なかご 结合,组成氘 和 わ 氦 的 てき 原子核 げんしかく ,这个过程叫 さけべ 做太初 たいしょ 核 かく 合成 ごうせい [34] :第 だい 4章 しょう 。而大多数 たすう 质子没 ぼつ 有 ゆう 与 あずか 中子 なかご 结合,形成 けいせい 了 りょう 氢的原子核 げんしかく 。随 ずい 着 ぎ 宇宙 うちゅう 的 てき 冷却 れいきゃく ,宇宙 うちゅう 能 のう 量 りょう 密度 みつど 的 てき 主要 しゅよう 来 き 自 じ 静止 せいし 质量 产生的 てき 引力 いんりょく 的 てき 贡献,并超过原先 さき 光子 こうし 以辐射 形式 けいしき 的 てき 能 のう 量 りょう 密度 みつど 。在 ざい 大 だい 约37.9万 まん 年 ねん 之 の 后 きさき ,电子和 わ 原子核 げんしかく 结合成 ごうせい 为原子 こ (主要 しゅよう 是 ぜ 氢原子 げんし ),而通过與物質 ぶっしつ 脱 だつ 耦,辐射得 とく 以在宇宙 うちゅう 空 そら 间中相 しょう 对自由 じゆう 的 てき 传播,这个辐射的 てき 残 ざん 迹就形成 けいせい 了 りょう 今 こん 天 てん 的 てき 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射[35] :第 だい 9章 しょう 。
哈勃超 ちょう 深 ふか 空 むなし 场 描绘了 りょう 远古时代的 てき 星 ほし 系 けい 图景,根 ね 据 すえ 大 だい 爆 ばく 炸理论,它们处于一 いち 个更年 ねん 轻、更 さら 致密且更炽热的 てき 宇宙 うちゅう 。
虽然宇宙 うちゅう 在 ざい 大 だい 尺度 しゃくど 上物 じょうもの 质几乎均一 いち 分布 ぶんぷ ,但 ただし 仍存在 そんざい 某 ぼう 些密度 ど 稍 やや 大 だい 的 てき 区域 くいき ,因 いん 而在此后相当 そうとう 长的一 いち 段 だん 时间内 ない 这些区域 くいき 内的 ないてき 物 ぶつ 质通过引力作 りきさく 用 よう 吸引 きゅういん 附近 ふきん 的 てき 物 ぶつ 质,从而变得密度 みつど 更 さら 大 だい ,并形成 けいせい 了 りょう 气体云 うん 、恒星 こうせい 、星 ほし 系 けい 等 とう 其他在 ざい 今 こん 天 てん 的 てき 天文学 てんもんがく 上 じょう 可 か 观测的 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 有 ゆう 三 さん 种:冷暗 れいあん 物 ぶつ 质 、热暗物 ぶつ 质 和 わ 重子 しげこ 物 ぶつ 质 。目前 もくぜん 来 き 自 じ WMAP 的 てき 最 さい 佳 けい 观测结果表明 ひょうめい ,宇宙 うちゅう 中 ちゅう 占 うらない 主 ぬし 导地位 い 的 てき 物 ぶつ 质形式 しき 是 ぜ 冷暗 れいあん 物 ぶつ 质,而其他 た 两种物 ぶつ 质形式 しき 在 ざい 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 所 しょ 占 うらない 比例 ひれい 不 ふ 超 ちょう 过18%[31] 。另一方面 ほうめん ,对Ia型 がた 超新星 ちょうしんせい 和 わ 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 独立 どくりつ 观测表明 ひょうめい ,当今 とうぎん 的 てき 宇宙 うちゅう 被 ひ 一 いち 种称作 さく 暗 くら 能 のう 量 りょう 的 てき 未 み 知能 ちのう 量 りょう 形式 けいしき 主 ぬし 导着,暗 くら 能 のう 量 りょう 被 ひ 认为渗透到 いた 空 むなし 间中的 てき 每 ごと 一 いち 个角落。观测显示,当今 とうぎん 宇宙 うちゅう 的 てき 总能量 りょう 密度 みつど 中有 ちゅうう 72%的 てき 部分 ぶぶん 是 ぜ 以暗能 のう 量 りょう 这一形式 けいしき 存在 そんざい 的 てき 。根 ね 据 すえ 推测,在 ざい 宇宙 うちゅう 非常 ひじょう 年 ねん 轻时暗 くら 能 のう 量 りょう 就已经存在 そんざい ,但 ただし 此时的 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,因 いん 而在那 な 时引力 りょく 的 てき 效果 こうか 显著从而减缓了 りょう 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀。但 ただし 经过了 りょう 几十上百亿年的膨胀,不断 ふだん 增 ぞう 长的暗 くら 能 のう 量 りょう 开始让宇宙 うちゅう 膨胀缓慢加速 かそく 。表 おもて 述 じゅつ 暗 くら 能 のう 量的 りょうてき 最 さい 简洁方法 ほうほう 是 ぜ 在 ざい 爱因斯坦引力 いんりょく 场方程 ほど 中 ちゅう 添加 てんか 所 しょ 谓宇宙 うちゅう 常数 じょうすう 项 ,但 ただし 这仍然 しか 无法回答 かいとう 暗 くら 能 のう 量的 りょうてき 构成、形成 けいせい 机 つくえ 制 せい 等 とう 问题,以及与此伴随 ずい 的 てき 一些更基础问题:例 れい 如关于它状 じょう 态方程 ほど 的 てき 细节,以及它与粒子 りゅうし 物理 ぶつり 学 がく 中 なか 标准模型 もけい 的 てき 内在 ないざい 联系,这些未 み 解 かい 决的问题仍然有 ゆう 待 まち 理 り 论和实验观测的 てき 进一 いち 步 ほ 研究 けんきゅう [19] 。
所有 しょゆう 在 ざい 暴脹時期 じき 之 これ 後 ご 的 てき 宇宙 うちゅう 演 えんじ 化 か ,都 と 可 か 以用宇宙 うちゅう 学 がく 中 ちゅう 的 てき Λ らむだ CDM模型 もけい 来 らい 非常 ひじょう 精 せい 确地描述,這宇宙 うちゅう 學 がく 標準 ひょうじゅん 模型 もけい 来 き 自 じ 於广义相 しょう 对论 和 わ 量子力学 りょうしりきがく 各自 かくじ 独立 どくりつ 的 てき 框 かまち 架 か [36] 。物理 ぶつり 學者 がくしゃ 尚 ひさし 不 ふ 清楚 せいそ 暗 くら 物質 ぶっしつ 與 あずか 暗 くら 能 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 也尚未 み 證 あかし 實 じつ 暴脹理論 りろん 的 てき 正確 せいかく 性 せい [37] :14ff 。對 たい 於更早 さ 時期 じき 關 せき 於宇宙 うちゅう 的 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 理 り 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未 み 解 かい 决问题之 これ 一 いち [38] :85ff
基本 きほん 假 かり 设[ 编辑 ]
大 だい 爆 ばく 炸理论的建立 こんりゅう 基 もと 於了两个基本 きほん 假 かり 设:物理 ぶつり 定律 ていりつ 的 てき 普 ふ 适性和 わ 宇宙 うちゅう 学 がく 原理 げんり 。宇宙 うちゅう 学 がく 原理 げんり 是 ぜ 指 ゆび 在 ざい 大 だい 尺度 しゃくど 上 じょう 宇宙 うちゅう 是 ぜ 均 ひとし 匀且各 かく 向 こう 同性 どうせい 的 てき 。
这些观点起 おこり 初 はつ 是 ぜ 作 さく 为先验的公理 こうり 被 ひ 引入的 てき ,但 ただし 现今已 やめ 有 ゆう 相 しょう 关研究 けんきゅう 工作 こうさく 试图对它们进行 ぎょう 验证。例 れい 如对第 だい 一个假设而言,已 やめ 有 ゆう 实验证实在 ざい 宇宙 うちゅう 诞生以来 いらい 的 てき 绝大多数 たすう 时间内 ない ,精 せい 细结构常数 すう 的 まと 相 しょう 对误差 さ 值不会 かい 超 ちょう 过10-5 [39] 。此外,通 つう 过对太 ふとし 阳系和 わ 双 そう 星 ほし 系 けい 统的 てき 观测,广义相 しょう 对论已 やめ 经得到 いた 了 りょう 非常 ひじょう 精 せい 确的实验验证 ;而在更 さら 广阔的 てき 宇宙 うちゅう 学 がく 尺度 しゃくど 上 じょう ,大 だい 爆 ばく 炸理论在多 た 个方面 めん 经验性 せい 取得 しゅとく 的 てき 成功 せいこう 也是对广义相对论的 てき 有力 ゆうりょく 支持 しじ [注 ちゅう 3] 。
假 かり 设从地球 ちきゅう 上 じょう 看 み 大 だい 尺度 しゃくど 宇宙 うちゅう 是 ぜ 各 かく 向 こう 同性 どうせい 的 てき ,宇宙 うちゅう 学 がく 原理 げんり 可 か 以从一 いち 个更简单的 てき 哥白尼 あま 原理 げんり 中 ちゅう 导出。哥白尼 あま 原理 げんり 是 ぜ 指 ゆび 不 ふ 存在 そんざい 一 いち 个受偏 へん 好 このみ 的 てき (或 ある 者 もの 说特别的)观测者 しゃ 或 ある 观测位置 いち 。根 ね 据 すえ 对微波 は 背景 はいけい 辐射的 てき 观测,宇宙 うちゅう 学 がく 原理 げんり 已 やめ 经被证实在 ざい 10-5 的 まと 量 りょう 级上成立 せいりつ [注 ちゅう 4] ,而宇宙 うちゅう 在 ざい 大 だい 尺度 しゃくど 上 じょう 观测到的 てき 均 ひとし 匀性则在10%的 てき 量 りょう 级[40] 。
弗 どる 里 さと 德 とく 曼-勒梅特 とく -罗伯逊-沃尔克 かつ 度 ど 规[ 编辑 ]
广义相 しょう 对论采 さい 用 よう 度 ど 规来 らい 描述时空的 てき 几何属性 ぞくせい ,度 ど 规能够给出 で 时空中 ちゅう 任意 にんい 两点之 の 间的间隔。这些点 てん 可 か 以是恒星 こうせい 、星 ほし 系 けい 或 ある 其他天体 てんたい ,它们在 ざい 时空中 ちゅう 的 てき 位置 いち 可 か 以用一个遍布整个时空的坐 すわ 标卡或 ある “网格”来 らい 说明。根 ね 据 すえ 宇宙 うちゅう 学 がく 原理 げんり ,在 ざい 大 だい 尺度 しゃくど 上 じょう 度 ど 规应当 とう 是 ぜ 均 ひとし 匀且各 かく 向 こう 同性 どうせい 的 てき ,唯 ただ 一符合这一要求的度规叫做弗 どる 里 さと 德 とく 曼-勒梅特 とく -罗伯逊-沃尔克 かつ 度 ど 规 (FLRW 度 ど 规)。这一度规包含一个含时的標 しるべ 度 ど 因子 いんし ,它描述 じゅつ 了 りょう 宇宙 うちゅう 的 てき 尺寸 しゃくすん 如何 いか 随 ずい 着 ぎ 时间变化,这使得 え 我 わが 们可以选择建立 こんりゅう 一 いち 个方便 びん 的 てき 坐 すわ 标系即 そく 所 しょ 谓同 どう 移 うつり 坐 すわ 标系 。在 ざい 这个坐标系中 ちゅう 网格随 ずい 着 ぎ 宇宙 うちゅう 一 いち 起 おこり 膨胀,从而仅由于宇宙 うちゅう 膨胀而发生 せい 运动的 てき 天体 てんたい 将 はた 被 ひ 固定 こてい 在 ざい 网格的 てき 特定 とくてい 位置 いち 上 じょう 。虽然这些同 どう 移 うつり 天體 てんたい 两者之 の 间的坐 すわ 标距离(同 どう 移 うつり 距離 きょり )保持 ほじ 不 ふ 变,它们彼此 ひし 间实际的物理 ぶつり 距离是正 ぜせい 比 ひ 於宇宙 うちゅう 的 てき 標 しるべ 度 ど 因子 いんし 而膨胀的[41] 。
大 だい 爆 ばく 炸的本 ほん 质并不 ふ 是 ぜ 物 ぶつ 质的爆 ばく 炸从而向外 がい 扩散至 いたり 整 せい 个空旷的宇宙 うちゅう 空 そら 间,而是每 ごと 一 いち 处的空 そら 间本身 ほんみ 随 ずい 着 ぎ 时间的 てき 膨胀 ,从而两个共 ども 动天体 たい 之 の 间的物理 ぶつり 距离在 ざい 不断 ふだん 增 ぞう 长。由 よし 于FLRW 度 ど 规假设了宇宙 うちゅう 中 ちゅう 物 ぶつ 质和能 のう 量的 りょうてき 均 ひとし 匀分布 ぶんぷ ,它只对宇宙 うちゅう 在 ざい 大 だい 尺度 しゃくど 下 か 的 てき 情 じょう 形 がた 适用——对於像 ぞう 我 わが 们的星 ほし 系 けい 这样局部 きょくぶ 的 てき 物 ぶつ 质聚集 しゅう 情 じょう 形 がた ,引力 いんりょく 的 てき 束 たば 缚作用 よう 要 よう 远大于空间度规膨胀的影 かげ 响,从而不能 ふのう 采 さい 用 よう FLRW 度 ど 规[42] 。
大 だい 爆 ばく 炸时空 そら 的 てき 一个重要特点就是视界 的 てき 存在 そんざい :由 よし 于宇宙 うちゅう 具有 ぐゆう 有限 ゆうげん 的 てき 年 とし 龄,并且光 こう 具有 ぐゆう 有限 ゆうげん 的 てき 速度 そくど ,从而可能 かのう 存在 そんざい 某 ぼう 些过去的 てき 事件 じけん 无法通 どおり 过光向 こう 我 わが 们传递信息 いき 。从这一 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,只 ただ 有 ゆう 在 ざい 这个极限距离以内 いない 的 てき 事件 じけん 才 ざい 有 ゆう 可能 かのう 被 ひ 观测到。另一方面 ほうめん ,由 ゆかり 于空间在不断 ふだん 膨胀,并且越 こし 遥 はるか 远的物体 ぶったい 退行 たいこう 速度 そくど 越 えつ 大 だい ,从而导致从我们这里 さと 发出的 てき 光 ひかり 有 ゆう 可能 かのう 永 なが 远也无法到 いた 达那里 さと 。从这一 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,只 ただ 有 ゆう 在 ざい 这个极限距离以内 いない 的 てき 事件 じけん 才 ざい 有 ゆう 可能 かのう 被 かむ 我 わが 们所影 かげ 响。以上 いじょう 两种视界的 てき 存在 そんざい 与 あずか 否 いな 取 と 决于描述我 わが 们宇宙 うちゅう 的 てき FLRW 模型 もけい 的 てき 具体 ぐたい 形式 けいしき :我 わが 们现有 ゆう 对极早期 そうき 宇宙 うちゅう 的 てき 认知意味 いみ 着 ぎ 宇宙 うちゅう 应当存在 そんざい 一个过去视界,不 ふ 过在实验中 ちゅう 我 わが 们的观测仍然被 ひ 早期 そうき 宇宙 うちゅう 对电磁波的 てき 不透明 ふとうめい 性 せい 所 しょ 限 げん 制 せい ,这导致我们在过去视界因 いん 空 そら 间膨胀而退行 たいこう 的 てき 情 じょう 形 がた 下 か 依然 いぜん 无法通 どおり 过电磁波观测到更 さら 久 ひさ 远的事件 じけん 。另一方面 ほうめん ,假 かり 如宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀一 いち 直 ちょく 加速 かそく 下 か 去 さ ,宇宙 うちゅう 也会存在 そんざい 一个未来视界[34] :第 だい 3章 しょう 。
观测证据 [ 编辑 ]
大 だい 爆 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 从星系 けい 红移 观测到的 てき 哈勃膨胀 、对宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 精 せい 细测量 りょう 、宇宙 うちゅう 间轻元素 げんそ 的 てき 丰度(参 まいり 见太初 たいしょ 核 かく 合成 ごうせい ),而今大 だい 尺度 しゃくど 结构和 わ 星 ほし 系 けい 演 えんじ 化 か 也成为了新 しん 的 てき 支持 しじ 证据[43] 。这四种观测证据有时被称作“大 だい 爆 ばく 炸理论的四 よん 大 だい 支柱 しちゅう ”[44] 。
哈勃定律 ていりつ [ 编辑 ]
对遥远星 ほし 系 けい 和 わ 类星体 たい 的 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 发出的 てき 电磁波 は 波 なみ 长会变长。通 つう 过观测取得 しゅとく 星 ぼし 体 からだ 的 てき 频谱 ,而构成 なり 天体 てんたい 的 てき 化学 かがく 元素 げんそ 的 てき 原子 げんし 与 あずか 电磁波 は 的 てき 相互 そうご 作用 さよう 对应着 ぎ 特定 とくてい 样式的 てき 吸收 きゅうしゅう 和 わ 发射谱线 ,将 はた 两者进行比 ひ 对则可 か 发现这些谱线都 と 向 むこう 波 は 长更长的一 いち 端 はし 移 うつり 动。这些红移是 ぜ 均 ひとし 匀 且各 かく 向 こう 同性 どうせい 的 てき ,也就是 ぜ 说在观测者 しゃ 看 み 来 らい 任意 にんい 方 かた 向上 こうじょう 的 てき 天体 てんたい 都会 とかい 发生均 ひとし 匀分布 ぶんぷ 的 てき 红移。如果将 はた 这种红移解 かい 释为一 いち 种多 た 普 ふ 勒频移 うつり ,则可进而推知 すいち 天体 てんたい 的 てき 退行 たいこう 速度 そくど 。对於某 ぼう 些星系 けい ,它们到地球 ちきゅう 的 てき 距离可 か 以通过宇宙 うちゅう 距离尺度 しゃくど 来 らい 估算出 さんしゅつ 。如果将 はた 各 かく 个星系 けい 的 てき 退行 たいこう 速度 そくど 和 わ 它们到地球 ちきゅう 的 てき 距离一 いち 一 いち 列 れつ 出 で ,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] :
v
=
H
0
D
{\displaystyle v=H_{0}D\,}
其中
v
{\displaystyle v}
是 ぜ 星 ほし 系 けい 或 ある 其他遥 はるか 远天体 てんたい 的 てき 退行 たいこう 速度 そくど
D
{\displaystyle D}
是 ぜ 距天体 てんたい 的 てき 共 きょう 动固有 こゆう 距离
H
0
{\displaystyle H_{0}}
是 これ 哈勃常数 じょうすう ,根 ね 据 すえ WMAP 最近 さいきん 的 てき 测量结果为70.1 ± 1.3 千 せん 米 めーとる /秒 びょう /秒 びょう 差 さ 距[31]
根 ね 据 すえ 哈勃定律 ていりつ 我 わが 们的宇宙 うちゅう 图景有 ゆう 两种可能 かのう :或 ある 者 もの 我 わが 们正处於空 そら 间膨胀的正 せい 中央 ちゅうおう ,从而所有 しょゆう 的 てき 星 ほし 系 けい 都 と 在 ざい 远离我 わが 们——这与哥白尼 あま 原理 げんり 相 しょう 违背——或 ある 者 もの 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀是 ぜ 各 かく 处都相 しょう 同 どう 的 てき 。从广义相对论推测出 で 宇宙 うちゅう 正 ただし 在 ざい 膨胀的 てき 假 かり 说是由 ゆかり 亚历山大 やまだい ·弗 どる 里 さと 德 とく 曼 [15] 和 わ 乔治·勒梅特 とく [16] 分 ぶん 别在1922年 ねん 和 わ 1927年 ねん 各自 かくじ 提出 ていしゅつ 的 てき ,都 みやこ 要 かなめ 早 さ 於哈勃在1929年 ねん 所 しょ 进行的 てき 实验观测和 わ 分析 ぶんせき 工作 こうさく 。宇宙 うちゅう 膨胀的 てき 理 り 论后来 らい 成 なり 为了弗 どる 里 さと 德 とく 曼、勒梅特 とく 、罗伯逊、沃尔克 かつ 等 とう 人 ひと 建立 こんりゅう 大 だい 爆 ばく 炸理论的基 もと 石 せき 。
大 だい 爆 ばく 炸理论要求 ようきゅう 哈勃定律 ていりつ
v
=
H
0
D
{\displaystyle v=H_{0}D\,}
在任 ざいにん 何 なん 情 じょう 况下都 と 成立 せいりつ ,注意 ちゅうい 这里
v
{\displaystyle v}
、
D
{\displaystyle D}
和 わ
H
0
{\displaystyle H_{0}}
随 ずい 着 ぎ 宇宙 うちゅう 膨胀都 と 在 ざい 不断 ふだん 变化(因 いん 此哈勃常数 すう
H
0
{\displaystyle H_{0}}
实际是 ぜ 指 ゆび “当 とう 前 まえ 状 じょう 态下的 てき 哈勃常数 じょうすう ”)。对於距离远小於可 か 观测宇宙 うちゅう 尺度 しゃくど 的 てき 情 じょう 形 がた ,哈勃红移可 か 以被理解 りかい 为因退行 たいこう 速度 そくど
v
{\displaystyle v}
造成 ぞうせい 的 てき 多 た 普 ふ 勒频移 うつり ,但 ただし 本 ほん 质上哈勃红移并不是 ぜ 真正 しんせい 的 てき 多 た 普 ふ 勒频移 うつり ,而是在 ざい 光 ひかり 从遥远星系 けい 发出而后被 ひ 观测者 しゃ 接收 せっしゅう 的 てき 这个时间间隔内 ない ,宇宙 うちゅう 膨胀的 てき 结果[35] :第 だい 3章 しょう 。
天文学 てんもんがく 上 じょう 观测到的 てき 高度 こうど 均 ひとし 匀分布 ぶんぷ 且各向 こう 同性 どうせい 的 てき 红移[6] ,以及其他很多观测证据,都 と 支持 しじ 着 ぎ 宇宙 うちゅう 在 ざい 各 かく 个方向上 こうじょう 看 み 起 おこり 来 らい 都 と 相 しょう 同 どう 这一宇宙 うちゅう 学 がく 原理 げんり 。2000年 ねん ,人 にん 们通过测量 りょう 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射对遥远天体系 たいけい 统的动力学 がく 所 しょ 产生的 てき 影 かげ 响,证实了 りょう 哥白尼 あま 原理 げんり ,即 そく 地球 ちきゅう 相 しょう 对大尺度 しゃくど 宇宙 うちゅう 来 らい 说绝非 ひ 宇宙 うちゅう 的 てき 中心 ちゅうしん 。早期 そうき 宇宙 うちゅう 来 らい 自大 じだい 爆 ばく 炸的微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射温度 おんど 要 よう 显著高 だか 於当今 とうぎん 的 てき 辐射余 あまり 温 あつし ,而几十 じゅう 亿年来 き 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射均 ひとし 匀降温 ゆたか 的 てき 事 こと 实只能 のう 解 かい 释为宇宙 うちゅう 空 そら 间正在 ざい 进行着 ぎ 度 ど 规膨胀,并排除 はいじょ 了 りょう 我 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 [注 ちゅう 5]
宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射[ 编辑 ]
威 い 尔金森 かなもり 微 ほろ 波 なみ 各 かく 向 こう 异性探測 たんそく 器 き (WMAP )拍 はく 攝 と 到 いた 宇宙 うちゅう 在 ざい 大 だい 爆 ばく 炸發生後 せいご 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 的 てき 影像 えいぞう
在 ざい 宇宙 うちゅう 诞生的 てき 最初 さいしょ 几天里 さと ,宇宙 うちゅう 处於完全 かんぜん 的 てき 热平衡态 ,并伴随 ずい 有 ゆう 光子 こうし 的 てき 不断 ふだん 吸收 きゅうしゅう 和 わ 发射,从而产生了 りょう 一 いち 个黑 くろ 体 たい 辐射的 てき 频谱。其后随 ずい 着 ぎ 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀,温度 おんど 逐渐降 くだ 低 てい 到 いた 光子 こうし 不能 ふのう 继续产生或 ある 湮灭,不 ふ 过此时的高温 こうおん 仍然足 あし 以使电子和 わ 原子核 げんしかく 彼此 ひし 分 ぶん 离。此时的 てき 光子 こうし 不断 ふだん 地 ち 與 あずか 这些自由 じゆう 电子發生 はっせい 散 ち 射 い ,因 いん 此,早期 そうき 宇宙 うちゅう 对电磁波是 ぜ 不透明 ふとうめい 的 てき 。当 とう 温度 おんど 继续降 くだ 低 てい 到 いた 大約 たいやく 3000K时,电子和 わ 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復 ふく 合 あい 。由 よし 于光子 こうし 被 ひ 中性 ちゅうせい 原子 げんし 散 ち 射的 しゃてき 几率很小,当 とう 几乎所有 しょゆう 电子都 と 与原 よはら 子 こ 核 かく 发生复合之 の 后 きさき ,光子 こうし 的 てき 电磁辐射与 あずか 物 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,被 ひ 称 しょう 作 さく “最 さい 终的散 ち 射 い ”时期。这些光子 こうし 构成了 りょう 可 か 以被今 こん 天人 てんにん 们观测到的 てき 背景 はいけい 辐射,而观测到的 てき 背景 はいけい 辐射的 てき 涨落图样正 せい 是 ぜ 这一时期的早期宇宙的直接写照。随 ずい 着 ぎ 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀,光子 こうし 的 てき 能 のう 量 りょう 因 いん 红移而随之 の 降 くだ 低 てい ,从而使 し 光子 こうし 落入了 りょう 电磁波 は 谱 的 てき 微 ほろ 波 なみ 频段。微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射被 ひ 认为在 ざい 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 的 てき 任 にん 何 なん 一点都可被观测,并且在 ざい 各 かく 个方向上 こうじょう 都 と (几乎)具有 ぐゆう 相 しょう 同 どう 的 てき 能 のう 量 りょう 密度 みつど [45] 。
1964年 ねん ,阿 おもね 诺·彭齐亚斯和 わ 罗伯特 とく ·威 い 尔逊 在 ざい 使用 しよう 贝尔实验室 しつ 的 てき 一台微波接收器进行诊断性测量时,意外 いがい 发现了 りょう 宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 存在 そんざい [27] 。他 た 们的发现为微波 は 背景 はいけい 辐射的 てき 相 しょう 关预言 げん 提供 ていきょう 了 りょう 坚实的 てき 验证——辐射被 ひ 观测到是 ぜ 各 かく 向 こう 同性 どうせい 的 てき ,并且对应的 てき 黑 くろ 体 たい 辐射温度 おんど 为3K——并为大 だい 爆 ばく 炸假说提供 ていきょう 了 りょう 有力 ゆうりょく 的 てき 证据。[32] :148-152 彭齐亚斯和 かず 威 たけし 尔逊为这项发现获得 とく 了 りょう 诺贝尔物理学 りがく 奖 。[46]
1989年 ねん ,NASA 发射了 りょう 宇宙 うちゅう 背景 はいけい 探 さがせ 测者卫星 (COBE ),并在1990年 ねん 取得 しゅとく 初步 しょほ 测量结果,显示大 だい 爆 ばく 炸理论对微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射所 しょ 做的预言和 わ 实验观测相 しょう 符合 ふごう 。COBE测得的 てき 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射余 あまり 温 ゆたか 为2.726K,并在1992年 ねん 首 くび 次 じ 测量了 りょう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 涨落(各 かく 向 こう 异性),其结果 はて 显示这种各 かく 向 こう 异性在 ざい 十 じゅう 万 まん 分 ふん 之 の 一 いち 的 てき 量 りょう 级[28] 。约翰·马瑟 和 わ 乔治·斯穆特 とく 因 いん 领导了 りょう 这项工作 こうさく 而获得 とく 诺贝尔物理学 りがく 奖[47] 。在 ざい 接 せっ 下 か 来 らい 的 てき 十 じゅう 年 ねん 间,微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 各 かく 向 こう 异性被 ひ 多 た 个地面 めん 探 さがせ 测器以及气球实验进一 いち 步 ほ 研究 けんきゅう 。2000年 ねん 至 いたり 2001年 ねん 间,以毫米波 は 段 だん 气球观天计划 为代表 だいひょう 的 てき 多 た 个实验通过测量 りょう 这种各 かく 向 こう 异性的 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 在 ざい 空 そら 间上是 ぜ 近 きん 乎平直 じき 的 てき [48] [49] [50] 。
2003年初 ねんしょ ,威 い 尔金森 かなもり 微 ほろ 波 なみ 各 かく 向 こう 异性探 さがせ 测器 (WMAP )给出了 りょう 它的首 くび 次 じ 探 さがせ 测结果 はて ,其中包括 ほうかつ 了 りょう 在 ざい 当 とう 时人们所能 のう 获得的 てき 最 さい 精 せい 确的某 ぼう 些宇宙 うちゅう 学 がく 参 さん 数 すう 。航 こう 天 てん 器 き 的 てき 探 さがせ 测结果 はて 还否定 ひてい 了 りょう 某 ぼう 些具体 ぐたい 的 てき 宇宙 うちゅう 暴胀模型 もけい ,但 ただし 总体而言仍然符合 ふごう 广义的 てき 暴胀理 り 论[29] 。此外,WMAP 还证实了有 ゆう 一 いち 片 へん “中 ちゅう 微 ほろ 子 こ 海 うみ ”弥 わたる 散 ち 於整个宇宙 うちゅう ,这清晰地说明了 りょう 最早 もはや 的 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 雾 ,从而开始在 ざい 原本 げんぽん 黑 くろ 暗 くら 的 てき 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 发光[51] 。2009年 ねん 5月 がつ ,普 ひろし 朗 ろう 克 かつ 卫星作 さく 为用於测量 りょう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 各 かく 向 こう 异性的 てき 新 しん 一代探测器发射升空,它被寄 よせ 希望 きぼう 於能够对微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 的 てき 各 かく 向 こう 异性进行更 さら 精 せい 确的测量,除 じょ 此之外 がい 还有很多基 もと 于地面 めん 探 さがせ 测器和 わ 气球的 てき 观测实验 也在进行中 ちゅう [52] 。
原始 げんし 物 ぶつ 质丰度 ど [ 编辑 ]
采 さい 用 よう 大 だい 爆 ばく 炸模型 がた 可 か 以计算 さん 氦-4 、氦-3 、氘 和 わ 锂-7 等 とう 轻元素 げんそ 相 しょう 对普通 どおり 氢元素 げんそ 在 ざい 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 所 しょ 占 うらない 含量的 てき 比例 ひれい 。所有 しょゆう 这些轻元素的 すてき 丰度都 と 取 と 决于一 いち 个参数 すう ,即 そく 早期 そうき 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 辐射(光子 こうし )与 あずか 物 もの 质(重子 しげこ )的 てき 比例 ひれい ,而这个参数 すう 的 てき 计算与 あずか 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射涨落的 てき 具体 ぐたい 细节无关。大 だい 爆 ばく 炸理论所推测的 てき 轻元素 げんそ 比例 ひれい (注意 ちゅうい 这里是 ぜ 元素 げんそ 的 てき 总质量 りょう 之 の 比 ひ 而非数量 すうりょう 之 これ 比 ひ )大 だい 约为:氦-4/氢 = 0.25,氘/氢 = 10-3 ,氦-3/氢 = 10-4 ,锂-7/氢 = 10-7 [34] :第 だい 4章 しょう 。
将 はた 实际测量到 いた 的 てき 各 かく 种轻元素 げんそ 丰度和 わ 从光子 こ 重子 しげこ 比例 ひれい 推算 すいさん 出 で 的 てき 理 り 论值两者比 ひ 较,可 か 以发现至少 しょう 是 ぜ 粗略 そりゃく 符合 ふごう 。其中理 り 论值和 わ 测量值符合 ふごう 最 さい 好 このみ 的 てき 是 ぜ 氘元素 げんそ ,氦-4的 てき 理 り 论值和 わ 测量值接近 せっきん 但 ただし 仍有差 さ 别,锂-7则是差 さ 了 りょう 两倍,即 そく 对於后 きさき 两种元素 げんそ 的 てき 情 じょう 形 がた 存在 そんざい 着 ぎ 明 あきら 显的系 けい 统随机 つくえ 误差 。尽 つき 管 かん 如此,大 だい 爆 ばく 炸核合成 ごうせい 理 り 论所预言的 てき 轻元素 げんそ 丰度与 あずか 实际观测可 か 以认为是基本 きほん 符合 ふごう ,这是对大爆 ばく 炸理论的强 きょう 有力 ゆうりょく 支持 しじ 。因 よし 为到目前 もくぜん 为止还没有 ゆう 第 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,而从大 だい 爆 ばく 炸理论所预言的 てき 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 可 か 被 ひ “调控”的 てき 氦元素 げんそ 含量也不可能 ふかのう 超 ちょう 出 で 或 ある 低 てい 于现有 ゆう 丰度的 てき 20%至 いたり 30%[53] 。事 こと 实上很多观测也没有 ゆう 除 じょ 大 だい 爆 ばく 炸以外的 がいてき 理 り 论可以解释,例 れい 如为什么早期 そうき 宇宙 うちゅう (即 そく 在 ざい 恒星 こうせい 形成 けいせい 之 の 前 まえ ,从而对物质的研究 けんきゅう 可 か 以排除 はいじょ 恒星 こうせい 核 かく 合成 ごうせい 的 てき 影 かげ 响)中 ちゅう 氦的丰度要 よう 高 だか 于氘,而氘的 てき 含量又 また 要 よう 高 こう 于氦-3,而且比例 ひれい 又 また 是 ぜ 常数 じょうすう [32] :182-185 。
星 ほし 系 けい 演 えんじ 变和分布 ぶんぷ [ 编辑 ]
用 よう 近 きん 红外拍 はく 摄天空 てんくう 得 え 到 いた 的 てき 全景 ぜんけい 图,显示了 りょう 银河系 けい 以外 いがい 星 ほし 系 けい 的 てき 在 ざい 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 的 てき 分布 ぶんぷ ,其中不同 ふどう 的 てき 红移 量 りょう 用 よう 不同 ふどう 的 てき 颜色标出。
对星系 けい 和 わ 类星体 たい 的 てき 分 ぶん 类和 わ 分布 ぶんぷ 的 てき 详细观测为大爆 ばく 炸理论提供 ていきょう 了 りょう 强 きょう 有力 ゆうりょく 的 てき 支持 しじ 证据。理 り 论和观测结果共同 きょうどう 显示,最初 さいしょ 的 てき 一批星系和类星体诞生於大爆炸后十亿年,从那以后更 さら 大 だい 的 てき 结构如星 ほし 系 けい 团和 わ 超 ちょう 星 ほし 系 けい 团 开始形成 けいせい 。由 よし 於恒星 こうせい 族 ぞく 群 ぐん 不断 ふだん 衰 おとろえ 老 ろう 和 わ 演 えんじ 化 か ,我 わが 们所观测到的 てき 距离遥 はるか 远的星 ほし 系 けい 和 わ 那 な 些距离较近 ちか 的 てき 星 ほし 系 けい 非常 ひじょう 不同 ふどう 。此外,即 そく 使 つかい 距离上 うえ 相近 すけちか ,相 あい 对较晚 ばん 形成 けいせい 的 てき 星 ほし 系 けい 也和那 な 些在大 だい 爆 ばく 炸之后 きさき 较早形成 けいせい 的 てき 星 ほし 系 けい 存在 そんざい 较大差 さ 异。这些观测结果都和 つわ 宇宙 うちゅう 的 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 、星 ほし 系 けい 和 わ 类星体 たい 分布 ぶんぷ 以及大 だい 尺度 しゃくど 结构的 てき 观测则通过大爆 ばく 炸理论对宇宙 うちゅう 结构形成 けいせい 的 てき 计算模 も 拟结果 はて 符合 ふごう 得 とく 很好,从而使 し 大 だい 爆 ばく 炸理论的细节更 さら 趋完善 ぜん [54] [55] 。
其他证据 [ 编辑 ]
人 ひと 们通过对哈勃膨胀以及对微波 は 背景 はいけい 辐射的 てき 观测,分 ふん 别估算出 さんしゅつ 了 りょう 宇宙 うちゅう 的 てき 年 とし 龄 。虽然这两个结果 はて 彼此 ひし 曾经存在 そんざい 一些矛盾和争议,但 ただし 最 さい 终还是 ぜ 取得 しゅとく 了 りょう 相当 そうとう 程度 ていど 上 じょう 的 てき 一致 いっち :两者都 と 认为宇宙 うちゅう 的 てき 年 とし 龄要稍 やや 大 だい 于最老 ろう 的 てき 恒星 こうせい 的 てき 年 とし 龄。两者的 てき 测量方法 ほうほう 都 と 是 ぜ 将 しょう 恒星 こうせい 演 えんじ 化 か 理 り 论应用 よう 到 いた 球状 きゅうじょう 星 ぼし 团上 うえ ,并用放射 ほうしゃ 性 せい 定年 ていねん 法 ほう 测定每 ごと 一 いち 颗第 だい 二 に 星 ほし 族 ぞく 恒星 こうせい 的 てき 年 とし 龄[56] 。
大 だい 爆 ばく 炸理论预言 ごと 了 りょう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 温度 おんど 在 ざい 过去曾经比 ひ 现在要 よう 高 だか ,而对於位于高红移区域 くいき (即 そく 距离很远)的 てき 气体云 うん ,通 つう 过观测它们对温度 おんど 敏感 びんかん 的 てき 发射谱线已 やめ 经证实了这个预言[57] 。这个预言也意味 いみ 着 ぎ 星 ほし 系 けい 团中 なか 苏尼亚耶夫 おっと -泽尔多 た 维奇效 きこう 应 的 てき 强度 きょうど 与 あずか 红移并不直接 ちょくせつ 相 しょう 关;这一点从目前观测来看应该是近似正确,然 しか 而由于苏尼 あま 亚耶夫 おっと -泽尔多 た 维奇效 きこう 应的强度 きょうど 还和星 ほし 系 けい 团的本身 ほんみ 性 せい 质直接 ちょくせつ 关联,并且星 ほし 系 けい 团的性 せい 质在宇宙 うちゅう 学 がく 的 てき 时间尺度 しゃくど 上 うえ 会 かい 发生根本 こんぽん 的 てき 变化,因 いん 而导致无法 ほう 精 せい 确检验这个猜想 そう 的 てき 正 せい 确性[58] [59] 。
特 とく 点 てん 、疑点 ぎてん 和 わ 问题[ 编辑 ]
当今 とうぎん 的 てき 科学 かがく 家 か 在 ざい 宇宙 うちゅう 学 がく 问题上 うえ 都 と 普遍 ふへん 更 さら 青 あお 睐大爆 ばく 炸模型 がた ,不 ふ 过在历史上 しじょう 科学 かがく 界 かい 曾经分 ぶん 成 なり 两派,一派是大爆炸模型的支持者,另一派 は 是 ぜ 其他替 がえ 代 だい 宇宙 うちゅう 模型 もけい 的 てき 支持 しじ 者 しゃ 。在 ざい 宇宙 うちゅう 学 がく 的 てき 整 せい 个发展 てん 史 し 中 ちゅう ,科学 かがく 界 かい 曾经不断 ふだん 争 そう 论着哪个宇宙 うちゅう 学 がく 模型 もけい 能 のう 够最符合 ふごう 地 ち 描述宇宙 うちゅう 学 がく 的 てき 观测 结果(参 まいり 见动机和 わ 发展 一 いち 节),大 だい 爆 ばく 炸理论的一些问题也因此浮出水面。在 ざい 当今 とうぎん 的 てき 科学 かがく 界 かい ,支持 しじ 大 だい 爆 ばく 炸理论是压倒性 せい 的 てき 共 きょう 识 ,因 いん 此这些曾经提出 ていしゅつ 的 てき 问题很多都 と 已 やめ 经成为了历史,人 にん 们为此不断 ふだん 修正 しゅうせい 和 かず 完 かん 善 ぜん 大 だい 爆 ばく 炸理论以及获取更 さら 佳 よ 的 てき 观测结果,从而一一获得了这些问题的解释[60] :112 。
大 だい 爆 ばく 炸的核心 かくしん 观点——包括 ほうかつ 度 ど 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 、星 ほし 系 けい 形成 けいせい ——都 と 是 ぜ 从独立 どくりつ 于任何 なん 宇宙 うちゅう 学 がく 模型 もけい 的 てき 实际观测中 ちゅう 推论出 で 的 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 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射 、大 だい 尺度 しゃくど 结构 、Ia型 がた 超新星 ちょうしんせい 的 てき 哈勃图 等 ひとし 。而大爆 ばく 炸理论发展 てん 至 いたり 今 いま ,它的正 せい 确性和 かず 精 きよし 确性有 ゆう 赖于很多奇特 きとく 的 てき 物理 ぶつり 现象,这些物理 ぶつり 现象或 ある 者 もの 还没有 ゆう 在地 ざいち 面 めん 实验中 ちゅう 观测到,或 ある 者 もの 还没被 ひ 纳入粒子 りゅうし 物理 ぶつり 学 がく 的 てき 标准模型 もけい 中 なか 。在 ざい 这些现象中 ちゅう ,暗 くら 物 もの 质是 ぜ 当 とう 前 ぜん 各 かく 个实验室所 しょ 研究 けんきゅう 的 てき 最 さい 为活跃的主 ぬし 题[61] 。虽然暗 くら 物 もの 质理论中至 いたり 今 こん 仍然存在 そんざい 一些未得到解决的细节和疑点,诸如星 ほし 系 けい 暈 ぼけ 尖 とんが 点 てん 问题和 わ 冷暗 れいあん 物 ぶつ 质的 てき 矮星系 けい 问题 ,但 ただし 这些疑点 ぎてん 的 てき 解 かい 决只需将来 しょうらい 对理论做出 で 进一 いち 步 ほ 的 てき 修正 しゅうせい ,而不会 かい 对暗物 ぶつ 质这一解释产生颠覆性的影响。暗 くら 能 のう 量 りょう 是 ぜ 科学 かがく 界 かい 另一高度关注的领域,但 ただし 至 いたり 今 こん 仍然不 ふ 清楚 せいそ 将来 しょうらい 是 ぜ 否 いや 有 ゆう 可能 かのう 直接 ちょくせつ 对暗能 のう 量 りょう 进行观测[62] 。
另一方面 ほうめん ,大 だい 爆 ばく 炸模型 がた 中 ちゅう 的 てき 两个重要 じゅうよう 概念 がいねん :暴胀 和 わ 重子 しげこ 数 すう 产生 ,在 ざい 某 ぼう 种意义上仍然被 ひ 认为是 ぜ 具有 ぐゆう 猜测性 せい 质的。它们虽然能 のう 够解释早期 き 宇宙 うちゅう 的 てき 重要 じゅうよう 性 せい 质,却可以被其他解 かい 释所替 がえ 代 だい 而不影 かげ 响大爆 ばく 炸理论本身 ほんみ [注 ちゅう 6] 。如何 いか 找到这些观测现象的 てき 正 せい 确解释仍然 しか 是 ぜ 当今 とうぎん 物理 ぶつり 学 がく 最大 さいだい 的 てき 未 み 解 かい 决问题之一 いち 。
视界问题 [ 编辑 ]
视界问题 来 らい 源 みなもと 于任何 なん 信 しん 息 いき 的 てき 传递速度 そくど 不可能 ふかのう 超 ちょう 过光速 そく 的 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 决定了 りょう 两个具有 ぐゆう 因果 いんが 联系的 てき 时空区域 くいき 之 の 间的间隔具有 ぐゆう 一 いち 个上界 かい [34] :第 だい 8章 しょう ,这个上 うえ 界 かい 被 ひ 称 しょう 作 さく 粒子 りゅうし 视界 。从这个意义上看 み ,所 しょ 观测到的 てき 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 各 かく 向 こう 同性 どうせい 与 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 直 ちょく 到 いた “最 さい 终的散 ち 射 い ”时期之 の 前 ぜん 一直都被物质或辐射主导,那 な 时的粒子 りゅうし 视界将 はた 只 ただ 对应着 ぎ 天空 てんくう 中大 ちゅうだい 约2度 ど 的 てき 范围,从而无法解 かい 释为何 なん 在 ざい 一 いち 个如此广的 てき 范围内 ない 都 と 具有 ぐゆう 相 しょう 同 どう 的 てき 辐射温度 おんど 以及如此相似 そうじ 的 てき 物理 ぶつり 性 せい 质[32] :193-195 。
对於这一看似矛盾之处,暴胀理 り 论 给出了解 りょうかい 决方案 あん ,它指出 で 在 ざい 宇宙 うちゅう 诞生极早期 き (早 さ 于重子 こ 数 すう 产生)的 てき 一 いち 段 だん 时间内 ない ,宇宙 うちゅう 被 ひ 均 ひとし 匀且各 かく 向 こう 同性 どうせい 的 てき 能 のう 量 りょう 标量场主导着。在 ざい 暴胀过程中 ちゅう ,宇宙 うちゅう 空 そら 间发生 せい 了 りょう 指数 しすう 膨胀,而粒子 りゅうし 视界的 てき 膨胀速度 そくど 要 よう 远比原 ばら 先 さき 预想的 てき 要 よう 快 かい ,从而导致现在处于可 か 观测宇宙 うちゅう 两端的 てき 区域 くいき 完全 かんぜん 处于彼此 ひし 的 てき 粒子 りゅうし 视界中 ちゅう 。因 よし 此,现今观测到的 てき 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射在 ざい 大 だい 尺度 しゃくど 上 じょう 的 てき 各 かく 向 こう 同性 どうせい 由 よし 于是在 ざい 暴胀发生之 の 前 まえ ,这些区域 くいき 彼此 ひし 是 ぜ 相互 そうご 接触 せっしょく 而具有 ぐゆう 因果 いんが 联系的 てき [33] :180-186 。
根 ね 据 すえ 維爾納 おさめ ·海 うみ 森 もり 堡 的 てき 不 ふ 确定性 せい 原理 げんり ,在 ざい 暴胀时期宇宙 うちゅう 中 ちゅう 存 そん 着 ぎ 微小 びしょう 的 てき 量子 りょうし 热涨落 ,随 ずい 着 ぎ 暴胀这些涨落被 ひ 放 ひ 大 だい 到 いた 宇观尺度 しゃくど ,这就成 なり 为了当今 とうぎん 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 所有 しょゆう 结构的 てき 种子[32] :207 。暴胀理 り 论预言 げん 这些原初 げんしょ 涨落基本 きほん 上 じょう 具有 ぐゆう 尺度 しゃくど 不 ふ 变性 并满足 あし 高 こう 斯分布 ぶんぷ ,这已经通过测量 りょう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射得 え 到 いた 了 りょう 精 せい 确的证实[63] :第 だい 6段 だん 。
如果暴胀的 てき 确发生 せい 过,宇宙 うちゅう 空 そら 间中的 てき 大 だい 片 かた 区域 くいき 将 しょう 因 いん 指数 しすう 膨胀而完全 ぜん 处于我 わが 们可观测的 てき 视界范围以外 いがい [33] :180-186 。
平坦 へいたん 性 せい 问题[ 编辑 ]
宇宙 うちゅう 的 てき 整体 せいたい 几何形状 けいじょう 取 と 决于相 しょう 对临界密度 みつど Ω おめが 0 值大于、等 とう 于还是 ぜ 小 しょう 于1。图中从上至 いたり 下 か 所 しょ 示 しめせ 为具有正 ありまさ 曲 きょく 率 りつ 的 てき 封 ふう 闭宇宙 うちゅう 、具有 ぐゆう 负曲率 りつ 的 てき 双 そう 曲面 きょくめん 宇宙 うちゅう 和 わ 具有 ぐゆう 零 れい 曲 きょく 率 りつ 的 てき 平坦 へいたん 宇宙 うちゅう 。
平坦 へいたん 性 せい 问题是 ぜ 一 いち 个与弗 どる 里 さと 德 とく 曼-勒梅特 とく -罗伯逊-沃尔克 かつ 度 ど 规相 あい 关的观测问题[34] :第 だい 8章 しょう 。取 と 决于宇宙 うちゅう 的 てき 总能量 りょう 密度 みつど 是 ぜ 否 いや 大 だい 于、小 しょう 于或等 とう 于临界 かい 密度 みつど ,宇宙 うちゅう 的 てき 空 そら 间曲 きょく 率 りつ 可 か 以是正 ぜせい 的 てき 、负的或 ある 为零的 てき 。当 とう 宇宙 うちゅう 的 てき 能 のう 量 りょう 密度 みつど 等 とう 于临界 かい 密度 みつど 时,宇宙 うちゅう 空 そら 间被认为是 ぜ 平坦 へいたん 的 てき 。然 しか 而问题在於,任 にん 何 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,但 ただし 至 いたり 今 こん 观测到的 てき 宇宙 うちゅう 仍然是非 ぜひ 常 つね 平坦 へいたん 的 てき [注 ちゅう 7] 。如果假 かり 设空间曲率 りつ 偏 へん 离平坦 へいたん 所 しょ 经的时间尺度 しゃくど 为普 ひろし 朗 ろう 克 かつ 时间即 そく 10-43 秒 びょう ,经过几十亿年的演化宇宙将会进入热寂 或 ある 大 だい 挤压状 じょう 态,这一矛盾从而需要一个解释。事 こと 实上,即 そく 使 つかい 是 ぜ 在 ざい 太初 たいしょ 核 かく 合成 ごうせい 时期,宇宙 うちゅう 的 てき 能 のう 量 りょう 密度 みつど 也必须在偏 へん 离临界 かい 密度 みつど 不 ふ 超 ちょう 过10-14 倍 ばい 的 てき 范围内 ない ,否 いや 则将不 ふ 会 かい 形成 けいせい 像 ぞう 我 わが 们今天 てん 看 み 到 いた 的 てき 这样[64] 。
暴胀理 り 论对此给出 で 的 てき 解 かい 释为,暴胀时期空 そら 间膨胀的速度 そくど 如此之 の 快 かい ,以至于能够将产生的 てき 任 にん 何 なん 微小 びしょう 曲 きょく 率 りつ 都 と 抹平。现在普遍 ふへん 认为暴胀导致了 りょう 现今宇宙 うちゅう 空 そら 间的高度 こうど 平坦 へいたん 性 せい ,并且其能量 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 值[33] :176-179 。
磁单极子问题 [ 编辑 ]
关于磁单极子 的 てき 反 はん 对意见源于二 に 十 じゅう 世 せい 纪七 なな 十 じゅう 年代 ねんだい 末 まつ ,大 だい 统一理 いちり 论 预言了 りょう 空 そら 间中的 てき 拓 つぶせ 扑缺陷 けっかん 将 はた 表 おもて 现为磁单极子,这种缺陷 けっかん 在 ざい 早期 そうき 高温 こうおん 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 应当大量 たいりょう 产生,从而导致现今磁单极子的 てき 密度 みつど 应当远大于所能 のう 观测到的 てき 结果。而非常 ひじょう 难以理解 りかい 的 てき 是 ぜ ,至 いたり 今 こん 为止人 じん 们从未 み 观测到任 にん 何 なん 磁单极子。解 かい 决这一矛盾的理论仍然是暴胀,与 あずか 抹平空 そら 间中的 てき 曲 きょく 率 りつ 相 しょう 类似,空 そら 间呈指数 しすう 暴胀也消除 じょ 了 りょう 所有 しょゆう 拓 ひらけ 扑缺陷 けっかん [34] :第 だい 8章 しょう 。
值得一 いち 提 ひさげ 的 てき 是 ぜ ,外 そと 尔曲率 りつ 假 かり 说作 さく 为暴胀理论的替 がえ 代理 だいり 论,同 どう 样能够解释视界 かい 问题、平坦 へいたん 性 せい 问题和 わ 磁单极子问题[65] [66] 。
重子 しげこ 不 ふ 对称性 せい [ 编辑 ]
至 いたり 今 いま 人 じん 们还不 ふ 理解 りかい 为什么宇宙 うちゅう 中 ちゅう 的 てき 物 ぶつ 质要比 ひ 反物 たんもの 质多[34] :第 だい 6章 しょう :大 だい 爆 ばく 炸理论认为高温 こうおん 的 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 同 どう 样数量的 りょうてき 重子 しげこ 和 わ 反 はん 重子 しげこ ;然 しか 而观测表明 ひょうめい ,即 そく 使 つかい 是 ぜ 在 ざい 非常 ひじょう 遥 はるか 远的地方 ちほう ,宇宙 うちゅう 仍然几乎由 よし 物 ぶつ 质构成 なり 。产生这种不 ふ 对称性 せい 的 てき 未知 みち 过程称 しょう 作 さく 重子 しげこ 数 すう 产生 ,而重子 こ 数 すう 产生的 てき 条件 じょうけん 是 ぜ 所 しょ 谓薩哈羅 ら 夫 おっと 条件 じょうけん 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 数 すう 守恒 もりつね 、电荷共 ども 轭不变性 和 わ 电荷共 ども 轭-空 そら 间反演 えんじ 不 ふ 变性 必须被 ひ 破 やぶ 坏、宇宙 うちゅう 偏 へん 离热平衡态 。这三 さん 个条件 じょうけん 在 ざい 标准模型 もけい 的 てき 框 かまち 架 か 内 ない 都 と 可 か 得 え 到 いた 满足,然 しか 而标准 じゅん 模型 もけい 所 しょ 预言的 てき 此种效 こう 应在数量 すうりょう 上 うえ 太 ふとし 小 しょう ,不足 ふそく 以完全 ぜん 解 かい 释重子 こ 不 ふ 对称性的 せいてき 由来 ゆらい [67] 。
球状 きゅうじょう 星 ぼし 团年龄[ 编辑 ]
二 に 十 じゅう 世 せい 纪九十 じゅう 年代 ねんだい 中期 ちゅうき ,人 にん 们发现对球状 きゅうじょう 星 ぼし 团的 てき 观测结果与 あずか 大 だい 爆 ばく 炸理论出现矛盾 むじゅん :人 ひと 们进行 ぎょう 了 りょう 和 わ 球状 きゅうじょう 星 ぼし 团的星 ほし 族 ぞく 观测相 しょう 符 ふ 的 てき 计算机 つくえ 模 も 拟,其结果 はて 显示这些球状 きゅうじょう 星 ぼし 团的年 ねん 龄竟然 しか 高 こう 达150亿年,这与大 だい 爆 ばく 炸理论所预言的 てき 宇宙 うちゅう 的 てき 年 とし 龄 为137亿年严重不 ふ 符 ふ 。九 きゅう 十 じゅう 年代 ねんだい 后 きさき 期 き ,更 さら 完 かん 善 ぜん 的 てき 计算机 つくえ 模 も 拟考虑了恒星 こうせい 风 引起的 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 得 とく 出 で 的 てき 球状 きゅうじょう 星 ぼし 团年龄要比 ひ 原 はら 先 さき 的 てき 结果小 しょう 很多[68] 。虽然人 じん 们还不 ふ 确定这种方法 ほうほう 测定的 てき 球状 きゅうじょう 星 ぼし 团年龄到底 そこ 有 ゆう 多 た 精 せい 确,但 ただし 已 やめ 经明确的是 ぜ 它们无疑是 ぜ 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 最 さい 古老 ころう 的 てき 天体 てんたい 之 の 一 いち 。
暗 くら 物 もの 质[ 编辑 ]
表示 ひょうじ 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 不同 ふどう 能 のう 量 りょう 密度 みつど 组成比例 ひれい 的 てき 饼图 ,根 ね 据 すえ 与 あずか 观测最 さい 相 あい 符合 ふごう 的 てき Λ らむだ CDM模型 もけい ,有 ゆう 95%的 てき 成分 せいぶん 都 と 以充满奇异性质的暗 くら 物 もの 质和 わ 暗 くら 能 のう 量 りょう 形式 けいしき 存在 そんざい 。
二 に 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 中 ちゅう 可 か 见的物 ぶつ 质含量 りょう 不足 ふそく 以解释所观测到的 てき 星 ほし 系 けい 内部 ないぶ 以及星 ほし 系 けい 之 の 间彼此产生 せい 的 てき 引力 いんりょく 强度 きょうど 。这就导致了 りょう 科学 かがく 家 か 猜测宇宙 うちゅう 中有 ちゅうう 含量多 た 达90%的 てき 物 ぶつ 质都属 ぞく 于不会 かい 辐射电磁波 は 也不会 かい 与 あずか 普通 ふつう 重子 しげこ 物 もの 质相互 そうご 作用 さよう 的 てき 暗 くら 物 もの 质。另一方面 ほうめん ,若 わか 假 かり 设宇宙 うちゅう 中 ちゅう 的 てき 大 だい 多数 たすう 物 ぶつ 质都是 ぜ 普通 ふつう 重子 しげこ 物 ぶつ 质,所得 しょとく 出 で 的 てき 一些预言也和观测结果强烈矛盾。例 れい 如,如果不 ふ 假 かり 设暗物 ぶつ 质的存在 そんざい ,将 はた 难以解 かい 释为何 なん 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 氘 的 てき 实际含量要 よう 比 ひ 理 り 论上预计的 てき 低 てい 很多。尽 つき 管 かん 暗 くら 物 もの 质这一概念在刚提出时还存在争议,但 ただし 有 ゆう 多 た 种观测都显示了 りょう 它的存在 そんざい ,包括 ほうかつ 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 各 かく 向 こう 异性、星 ほし 系 けい 团的 てき 速度 そくど 弥 わたる 散 ち 、大 だい 尺度 しゃくど 结构的 てき 分布 ぶんぷ 、对引力 いんりょく 透 とおる 镜的 てき 研究 けんきゅう 、对星系 けい 团的X射 い 线观测 等 ひとし [69] 。
如要证实暗 くら 物 もの 质的存在 そんざい ,需要 じゅよう 借 か 助 じょ 它与其他物 ぶつ 质的引力 いんりょく 相互 そうご 作用 さよう ,但 ただし 至 いたり 今 こん 还没有 ゆう 在 ざい 实验室 しつ 中 ちゅう 发现构成暗 くら 物 もの 质的粒子 りゅうし 。至 いたり 今 こん 物理 ぶつり 学 がく 家 か 已 やめ 经提出 ていしゅつ 了 りょう 多 た 种粒子 りゅうし 物理 ぶつり 学 がく 理 り 论来试图解 かい 释暗物 ぶつ 质,同 どう 时实验上也存在 そんざい 多 た 个直接 ちょくせつ 实验观测暗 くら 物 もの 质的探 さがせ 测计划[70] 。
暗 くら 能 のう 量 りょう [ 编辑 ]
对Ia型 がた 超新星 ちょうしんせい 红移 -星 ほし 等 ひとし 之 これ 间关系 けい 的 てき 测量揭示 けいじ 了 りょう 宇宙 うちゅう 自 じ 现有年 ねん 龄的一半 いっぱん 时,它的膨胀开始加速 かそく 。如要解 かい 释这种加速 そく 膨胀,广义相 しょう 对论 要求 ようきゅう 宇宙 うちゅう 中 ちゅう 的 てき 大 だい 部分 ぶぶん 能 のう 量 りょう 都 と 具有 ぐゆう 一个能够提供负压的因子,即 そく 所 しょ 谓“暗 くら 能 のう 量 りょう ”。有 ゆう 其他若干 じゃっかん 证据显示暗 くら 能 のう 量 りょう 确实存在 そんざい :对微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射的 てき 测量显示宇宙 うちゅう 空 そら 间是近 きん 乎平直 じき 的 てき ,从而宇宙 うちゅう 的 てき 能 のう 量 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 ;然 しか 而通过引力 りょく 汇聚对宇宙 うちゅう 质量密度 みつど 的 てき 测量表明 ひょうめい ,宇宙 うちゅう 的 てき 能 のう 量 りょう 密度 みつど 只 ただ 有 ゆう 临界密度 みつど 的 てき 30%左右 さゆう [19] 。由 よし 于暗能 のう 量 りょう 并不像 ぞう 普通 ふつう 质量那 な 样发生 せい 正常 せいじょう 的 てき 引力 いんりょく 汇聚,它是对那部分 ぶぶん “丢失”的 てき 能 のう 量 りょう 密度 みつど 的 てき 最 さい 好 こう 解 かい 释。此外有 ゆう 两种对宇宙 うちゅう 总曲率 りつ 的 てき 几何测量结果也要求 ようきゅう 了 りょう 暗 くら 能 のう 量的 りょうてき 存在 そんざい ,一 いち 种借助 じょ 了 りょう 引力 いんりょく 透 とおる 镜的 てき 频率,另一种则是 ぜ 利用 りよう 大 だい 尺度 しゃくど 结构的 てき 特 とく 征 せい 图样作 さく 为量天 てん 尺 じゃく 。
负压是 ぜ 真空 しんくう 能 のう 量 りょう 的 てき 一 いち 种性质,但 ただし 暗 くら 能 のう 量的 りょうてき 本性 ほんしょう 到底 とうてい 是 ぜ 什么仍然是 ぜ 大 だい 爆 ばく 炸理论的最大 さいだい 谜团之 の 一 いち 。目前 もくぜん 提出 ていしゅつ 的 てき 用 よう 於解释暗能 のう 量的 りょうてき 候 こう 选者包括 ほうかつ 宇宙 うちゅう 学 がく 常数 じょうすう 和 わ 第 だい 五 ご 元素 げんそ 。2008年 ねん WMAP 团队给出了 りょう 结合宇宙 うちゅう 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 辐射和 わ 其他观测数 すう 据 すえ 的 てき 结果,显示当今 とうぎん 的 てき 宇宙 うちゅう 含有 がんゆう 72%的 てき 暗 くら 能 のう 量 りょう 、23%的 てき 暗 くら 物 もの 质、4.6%的 てき 常 つね 规物质和少 しょう 于1%的中 てきちゅう 微 ほろ 子 こ [31] :第 だい 8列 れつ 表 ひょう 。其中常 つね 规物质的能 のう 量 りょう 密度 みつど 随 ずい 着 ぎ 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀逐渐减少,而暗能 のう 量的 りょうてき 能 のう 量 りょう 密度 みつど 却(几乎)保持 ほじ 不 ふ 变。从而宇宙 うちゅう 过去含有 がんゆう 的 てき 常 つね 规物质比例 ひれい 比 ひ 现在要 よう 高 だか ,而在未来 みらい 暗 くら 能 のう 量的 りょうてき 比例 ひれい 则会主 ぬし 掌 てのひら 宇宙 うちゅう 的 てき 膨脹 ぼうちょう 行為 こうい 。但 ただし 是 ぜ ,尚 なお 未 み 有 ゆう 描述暗 くら 能 のう 量 りょう 物理 ぶつり 性質 せいしつ 的 てき 理論 りろん ,因 いん 此,暗 くら 能 のう 量 りょう 未來 みらい 的 てき 物理 ぶつり 行為 こうい 仍就是 ぜ 未知數 みちすう [71] :19-20 。
在 ざい Λ らむだ CDM 这一当前大爆炸理论的最佳模型中,暗 くら 能 のう 量 りょう 被 ひ 解 かい 释为广义相 しょう 对论中 ちゅう 的 てき 宇宙 うちゅう 学 がく 常数 じょうすう 。[72] [73] 然 しか 而,基 き 于广义相对论并能够合理解 りかい 释暗能 のう 量的 りょうてき 宇宙 うちゅう 学 がく 常数 じょうすう 值,即 そく 使 つかい 与 あずか 基 もと 于量子 りょうし 引力 いんりょく 观点的 てき 不 ふ 成熟 せいじゅく 估算值比起 おこり 来 らい 仍然令 れい 人 じん 惊讶地 ち 小 しょう 。在 ざい 宇宙 うちゅう 学 がく 常数 じょうすう 以及其他解 かい 释暗能 のう 量的 りょうてき 替 がえ 代理 だいり 论之间做出 で 比 ひ 较和选择是 ぜ 当 とう 前 ぜん 大 だい 爆 ばく 炸研究 けんきゅう 领域中 ちゅう 活 かつ 跃的课题之 の 一 いち 。
大 だい 爆 ばく 炸宇宙 うちゅう 的 てき 未来 みらい [ 编辑 ]
在 ざい 发现暗 くら 能 のう 量 りょう 之 の 前 まえ ,宇宙 うちゅう 学 がく 家 か 认为宇宙 うちゅう 的 てき 未来 みらい 存在 そんざい 有 ゆう 两种图景:如果宇宙 うちゅう 能 のう 量 りょう 密度 みつど 超 ちょう 过临界密度 みつど ,宇宙 うちゅう 会 かい 在 ざい 膨胀到 いた 最 さい 大体 だいたい 积之后 きさき 坍缩,在 ざい 坍缩过程中 ちゅう ,宇宙 うちゅう 的 てき 密度 みつど 和 わ 温度 おんど 都会 とかい 再 さい 次 つぎ 升 ます 高 だか ,最 さい 后 きさき 终结于同爆 ばく 炸开始 はじめ 相似 そうじ 的 てき 状 じょう 态——即 そく 大 だい 挤压[34] :第 だい 3章 しょう ;相反 あいはん ,如果宇宙 うちゅう 能 のう 量 りょう 密度 みつど 等 とう 于或者 しゃ 小 しょう 于临界 かい 密度 みつど ,膨胀会 かい 逐渐减速,但 ただし 永 えい 远不会 かい 停止 ていし 。恒星 こうせい 形成 けいせい 会 かい 因 いん 各 かく 个星系 けい 中 ちゅう 的 てき 星 ほし 际气体 たい 都 と 被 ひ 逐渐消耗 しょうもう 而最终停止 ていし ;恒星 こうせい 演 えんじ 化 か 最 さい 终导致只剩 あま 下 した 白 しろ 矮星 、中子 なかご 星 ぼし 和 わ 黑 くろ 洞 ほら 。相当 そうとう 缓慢地 ち ,这些致密星 ほし 体 たい 彼此 ひし 的 てき 碰撞会 かい 导致质量聚集而陆续产生 せい 更 さら 大 だい 的 てき 黑 くろ 洞 ほら 。宇宙 うちゅう 的 てき 平均 へいきん 温度 おんど 会 かい 渐近地 ち 趋于绝对零 れい 度 ど ,从而达到所 しょ 谓大 だい 冻结[74] 。此外,倘若质子真 しん 像 ぞう 标准模型 もけい 预言的 てき 那 な 样是不 ふ 稳定的 てき ,重子 しげこ 物 ぶつ 质最终也会 かい 全部 ぜんぶ 消失 しょうしつ ,宇宙 うちゅう 中 ちゅう 只 ただ 留 とめ 下 か 辐射和 わ 黑 くろ 洞 ほら ,而最终黑洞 ほら 也会因 いん 霍金辐射 而全部 ぶ 蒸 ふけ 发。宇宙 うちゅう 的 てき 熵 会 かい 增加 ぞうか 到 いた 极点,以致于再也不会 かい 有 ゆう 自 じ 组织的 てき 能 のう 量 りょう 形式 けいしき 产生,最 さい 终宇宙 うちゅう 达到热寂状 じょう 态 。[75] :第 だい VI.D段 だん
现代观测发现宇宙 うちゅう 加速 かそく 膨胀之 これ 后 きさき ,人 にん 们意识到现今可 か 观测的 てき 宇宙 うちゅう 越来 ごえく 越 えつ 多 た 的 てき 部分 ぶぶん 将 はた 膨胀到 いた 我 わが 们的事件 じけん 视界以外 いがい 而同我 わが 们失去 さ 联系,这一效应的最终结果还不清楚。在 ざい Λ らむだ CDM模型 もけい 中 ちゅう ,暗 くら 能 のう 量 りょう 以宇宙 うちゅう 学 がく 常数 じょうすう 的 てき 形式 けいしき 存在 そんざい ,这个理 り 论认为只有 ゆう 诸如星 ほし 系 けい 等 とう 重力 じゅうりょく 束 たば 缚系统的物 ぶつ 质会聚集,并随着 ぎ 宇宙 うちゅう 的 てき 膨胀和 わ 冷却 れいきゃく 它们也会到 いた 达热寂 。对暗能 のう 量的 りょうてき 其他解 かい 释,例 れい 如幻影 げんえい 能 のう 量 りょう 理 り 论 则认为最终星 ほし 系 けい 群 ぐん 、恒星 こうせい 、行 くだり 星 ぼし 、原子 げんし 、原子核 げんしかく 以及所有 しょゆう 物 ぶつ 质都会 かい 在 ざい 一直持续下去的膨胀中被撕开,即 そく 所 しょ 谓大 だい 撕裂[76] 。
超越 ちょうえつ 大 だい 爆 ばく 炸理论的物理 ぶつり 学 がく [ 编辑 ]
描述宇宙 うちゅう 膨胀的 てき 艺术构想图,其中横 よこ 坐 すわ 标表示 ひょうじ 宇宙 うちゅう 演 えんじ 化 か 的 てき 时间,而对应的空 そら 间尺寸 しゃくすん (包括 ほうかつ 想 そう 象 ぞう 中 ちゅう 的 てき 不可 ふか 观测部分 ぶぶん )都 と 用 よう 相 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 在 ざい 暴胀时期发生的 てき 急速 きゅうそく 膨胀(注意 ちゅうい 不 ふ 成 なり 实际比例 ひれい ),而当宇宙 うちゅう 演 えんじ 化 か 到 いた 中期 ちゅうき 时开始 はじめ 加速 かそく 膨胀。而微波 は 背景 はいけい 辐射的 てき 形成 けいせい 、恒星 こうせい 形成 けいせい 、星 ほし 系 けい 形成 けいせい 以及WMAP的 てき 出 で 现都在 ざい 相 しょう 应的时间上 じょう 表示 ひょうじ 出来 でき 。 图片来 き 自 じ 2006年 ねん 的 てき WMAP新 しん 闻发布 ぬの 会 かい 。
虽然在 ざい 宇宙 うちゅう 学 がく 中大 ちゅうだい 爆 ばく 炸模型 がた 已 やめ 经建立 こんりゅう 得 どく 相当 そうとう 完 かん 善 ぜん ,在 ざい 将来 しょうらい 它仍然 しか 非常 ひじょう 有 ゆう 可能 かのう 被 ひ 修正 しゅうせい ,例 れい 如对於宇宙 うちゅう 诞生最 さい 早期 そうき 的 てき 那 な 一刻人们还几乎一无所知。彭罗斯-霍金奇 き 点 てん 定理 ていり 表明 ひょうめい ,在 ざい 宇宙 うちゅう 时间的 てき 开端必然 ひつぜん 存在 そんざい 一 いち 个奇 き 点 てん 。但 ただし 是 ぜ ,这些理 り 论都是 ぜ 在 ざい 广义相 しょう 对论正 せい 确的前提 ぜんてい 下 か 才 ざい 成立 せいりつ ,而广义相对论在 ざい 宇宙 うちゅう 达到普 ひろし 朗 ろう 克 かつ 温度 おんど 之 これ 前 ぜん 必须失效 しっこう ,而一个可能 かのう 存在 そんざい 的 てき 量子 りょうし 引力 いんりょく 理 り 论则有 ゆう 希望 きぼう 避免产生奇 き 点 てん [77] 。
现在已 やめ 经提出 ていしゅつ 了 りょう 一 いち 些设想 おもえ ,但 ただし 每 まい 一个设想都基于了一些还没有任何验证的假说:
认为暴胀是 ぜ 由 よし 于弦 つる 理 り 论中 なか 膜 まく 的 てき 运动的 てき 膜 まく 宇宙 うちゅう 模型 もけい [79] ;一个前大爆炸模型;认为大 だい 爆 ばく 炸是由 よし 于膜彼此 ひし 碰撞产生的 てき 大 だい 碰撞模型 もけい ;以及ekpyrotic模型 もけい 的 てき 变种——循环模型 もけい ,认为这种膜 まく 的 てき 碰撞是 ぜ 周 しゅう 而复始 はじめ 的 てき 。在 ざい 循环模型 もけい 中 ちゅう ,大 だい 挤压跟随在 ざい 大 だい 爆 ばく 炸之后 きさき 发生,并且宇宙 うちゅう 永 なが 不 ふ 停 とま 歇地进行着 ぎ 这种循环[80] [81] [82]
后 きさき 两类设想都 と 把 わ 大 だい 爆 ばく 炸看作 さく 只 ただ 是 ぜ 一个更庞大且更古老的宇宙(即 そく 平行 へいこう 宇宙 うちゅう )中 ちゅう 的 てき 一 いち 个事件 じけん ,而非传统意 い 义上的 てき 宇宙 うちゅう 开端。
哲学 てつがく 和 わ 宗教 しゅうきょう 诠释[ 编辑 ]
大 だい 爆 ばく 炸理论是一种科学理论,它的成立 せいりつ 是 ぜ 建立 こんりゅう 在 ざい 和 わ 观测相 しょう 符合 ふごう 的 てき 基 もと 础上的 てき 。但 ただし 作 さく 为一个阐述 じゅつ “实在”起源 きげん 的 てき 理 り 论,它对神学 しんがく 和 わ 哲学 てつがく 或 ある 多 おお 或 ある 少 しょう 产生了 りょう 暗示 あんじ 作用 さよう 。二 に 十 じゅう 世 せい 纪二 に 十 じゅう 至 いたり 三 さん 十 じゅう 年代 ねんだい ,几乎每 ごと 一 いち 个主流 りゅう 宇宙 うちゅう 学 がく 家 か 都 と 更 さら 喜 き 欢認定 にんてい 宇宙 うちゅう 不 ふ 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 做增長 ぞうちょう 的 てき 稳恒态理论 ,还有很多人 じん 指 ゆび 责说大 だい 爆 ばく 炸理论提出 ていしゅつ 的 てき 宇宙 うちゅう 在 ざい 时间上 じょう 的 てき 开端是 ぜ 将 はた 宗教 しゅうきょう 概念 がいねん 引入了 りょう 物理 ぶつり 学 がく 中 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] 。而大爆 ばく 炸理论创始 はじめ 人 じん 之 の 一 いち 的 てき 乔治·勒梅特 とく 是 ぜ 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年 ねん 11月22日 にち ,教 きょう 宗 むね 庇 ひさし 护十 じゅう 二 に 世 せい 在 ざい 宗 そう 座 ざ 科学 かがく 院 いん 的 てき 开幕会 かい 上声 じょうせい 称 たたえ 大 だい 爆 ばく 炸理论和天主教 てんしゅきょう 的 てき 创世概念 がいねん 相 しょう 符合 ふごう [88] 。
自大 じだい 爆 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 ,已 やめ 经有多 た 个宗教 きょう 团体对大爆 ばく 炸理论做出 で 了 りょう 反 はん 应,其中有 ちゅうう 些忠实接受 せつじゅ 了 りょう 大 だい 爆 ばく 炸理论的科学 かがく 依 よ 据 すえ ,而有些试图将大 だい 爆 ばく 炸理论和他 た 们自己 じこ 的 てき 宗教 しゅうきょう 教 きょう 义相统合,有 ゆう 些则是 ぜ 完全 かんぜん 反 はん 对或忽 ゆるがせ 视了大 だい 爆 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 是 ぜ 一 いち 句 く 格言 かくげん ,認 みとめ 為 ため 「超凡 ちょうぼん 的 てき 主張 しゅちょう ,需要 じゅよう 有 ゆう 超凡 ちょうぼん 的 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 成 なり 為 ため 理性 りせい 思考 しこう 、批判 ひはん 性 せい 思考 しこう 、以及科學 かがく 考證 こうしょう 的 てき 重要 じゅうよう 標準 ひょうじゅん 之 の 一 いち [90] [91] 。
大 だい 爆 ばく 炸論在 ざい 宗教 しゅうきょう 人士 じんし (特別 とくべつ 是 ぜ 亞 あ 伯 はく 拉 ひしげ 罕諸教 きょう 如基督教 きりすときょう 、天主教 てんしゅきょう 和 わ 伊 い 斯蘭教 きょう 教徒 きょうと )及公眾人士 し 眼中 がんちゅう ,往往 おうおう 認 みとめ 為 ため 它是屬 ぞく 於超凡 ちょうぼん 的 てき 主張 しゅちょう ,因 いん 為 ため 與 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 及創造 そうぞう 論 ろん 發生 はっせい 衝突 しょうとつ ,因 いん 此要求 ようきゅう 超凡 ちょうぼん 的 てき 證據 しょうこ 。由 よし 於沒有 ゆう 任 にん 何 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 及宇宙 うちゅう 爆 ばく 炸的歷史 れきし 及過程 かてい 等 とう 「超凡 ちょうぼん 證據 しょうこ 」作為 さくい 佐 さ 證 しょう ,宗教 しゅうきょう 人士 じんし 及不少 しょう 公 おおやけ 眾人士 し 均 ひとし 不 ふ 接 せっ 納 おさめ 宇宙 うちゅう 大 だい 爆 ばく 炸論[92] 。
但 ただし 在 ざい 物理 ぶつり 學 がく 及宇宙 うちゅう 科學 かがく 家 か 眼中 がんちゅう ,大 だい 爆 ばく 炸論並 なみ 非 ひ 超凡 ちょうぼん 主張 しゅちょう ,因 いん 為 ため 大 だい 爆 ばく 炸論並 なみ 沒 ぼつ 有 ゆう 與 あずか 現今 げんこん 的 てき 科學 かがく 及物理學 りがく 衝突 しょうとつ ,因 いん 此無需有如歷史 れきし 文獻 ぶんけん 記錄 きろく 等 とう 「超凡 ちょうぼん 的 てき 證據 しょうこ 」也可接 せっ 納 おさめ 大 だい 爆 ばく 炸論為 ため 科 か 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 ]
^ 有 ゆう 很多相 しょう 关报道 どう 声 ごえ 称 しょう 霍伊尔是出 で 于讽刺 とげ 的 てき 目的 もくてき 才 ざい 如此称呼 しょうこ 大 だい 爆 ばく 炸理论,但 ただし 霍伊尔本人 じん 后 きさき 来 らい 否 いや 认了这个说法。他 た 指出 さしで 这种特 とく 别的说法只 ただ 是 ぜ 为了向 こう 听众着 ぎ 重 じゅう 说明两个理 り 论的不同 ふどう 。参 まいり 见肯·克 かつ 罗斯韦尔所 しょ 著 ちょ 《The Alchemy of the Heavens 》(1995年 ねん )第 だい 九 きゅう 章 しょう (中 ちゅう 译本名 めい 为《银河系 けい 》,黄 き 磷译,海南 かいなん 出版 しゅっぱん 社 しゃ 1999年 ねん 出版 しゅっぱん )
^ 关于大 だい 爆 ばく 炸这一阶段持续多久目前还没有定论,有 ゆう 些作者 しゃ 所 しょ 说的大 だい 爆 ばく 炸仅指 ゆび 最初 さいしょ 的 てき 奇 き 点 てん ,而有些作者 しゃ 则用它指代 だい 整 せい 个宇宙 うちゅう 的 てき 历史。通常 つうじょう 意 い 义下,至 いたり 少 しょう 在 ざい 合成 ごうせい 氦元素的 すてき 最初 さいしょ 几分钟内都 と 可 か 被 ひ 认为是 ぜ 处於大 だい 爆 ばく 炸期间。
^ 关于验证广义相 しょう 对论的 てき 详细信 しん 息 いき 和 わ 参考 さんこう 参 さん 见广义相 しょう 对论的 てき 实验验证 。
^ 这里忽 ゆるがせ 略 りゃく 了 りょう 量 りょう 级约为0.1%的 てき 偶极各 かく 向 こう 异性 ,它来源 げん 于太阳系在 ざい 辐射场中的 てき 本 ほん 动速度 そくど 。
^ 天文学 てんもんがく 家 か 的 てき 测量结果发表在 ざい 2000年 ねん 12月的 てき 《自然 しぜん 》杂志上 じょう ,论文标题为《红移量 りょう 为2.33771的 てき 微 ほろ 波 なみ 背景 はいけい 温度 おんど 》(The microwave background temperature at the redshift of 2.33771 (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )),可 か 以从这里 (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 )获取ArXiv文 ぶん 档。
^ 如果暴胀的 てき 确曾经发生 せい ,则重子 こ 数 すう 产生也必然 ひつぜん 发生;反 はん 之 の 则不然 しか 。
^ 以宇宙 うちゅう 学 がく 常数 じょうすう 形式 けいしき 存在 そんざい 的 てき 暗 くら 能 のう 量 りょう 使 し 宇宙 うちゅう 趋向平坦 へいたん ;然 しか 而早在 ざい 暗 くら 能 のう 量的 りょうてき 能 のう 量 りょう 密度 みつど 在 ざい 宇宙 うちゅう 中居 なかい 于主导地位 い 之 の 前 まえ ,我 わが 们的宇宙 うちゅう 已 やめ 经处于接近 せっきん 平坦 へいたん 状 じょう 态达几十 じゅう 亿年。
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