宇宙大爆炸 物理 宇宙 宇宙大爆炸 第一章 : 宇宙是如何产生的? 什么是宇宙大爆炸? 人们认为宇宙大爆炸发生在 138 亿年前, 那时宇宙由一个非常热, 非常密集的状态开始扩张 现在, 宇宙依然在扩张, 但由于这种扩张, 它已经冷却了很多 大爆炸理论解释了宇宙的起源和演变 特别的是, 它解释了为什么一簇簇的星系之间的距离正变得越来越远 宇宙大爆炸理论 冷战到伽马射线 问题 1. 什么是膨胀? 宇宙中存在数百万的星系, 例如这个旋涡星系 M51 人们相信在宇宙大爆炸不久之后, 宇宙的直径突然快速扩张起来 : 这就是我们说的膨胀 人们认为, 宇宙的直径在很短的时间内扩张了亿万兆倍, 或许就是在 10-32 秒内 图表 01: 膨胀就宇宙大爆炸模型提出了几个论点 例如, 宇宙在各个角度看来都十分一致, 因此人们很难判断宇宙的另一边是不是也有这么远的距离以达到这种平衡状态 : 这就是人们说的视界问题 膨胀理论解决了这个问题, 它提出, 在宇宙快速扩张之前, 它曾经非常小, 其各个部分由于彼此非常近因此可以达到相同的温度 这样, 这种一致性在宇宙持续缓慢扩张时, 也被保存下来 尽管人们还不是十分确定, 膨胀是由什么引起的, 但膨胀理论延伸出的预言似乎确实通过人们对宇宙微波背景辐射的观测而得到了证实 现在人们正通过各种测量法来尝试检验由膨胀理论延伸出的预言 1
除了大爆炸理论外还有其他理论吗? 恒稳态理论产生于 20 世纪 40 年代晚期 它提供了一个与大爆炸理论不同的观念, 这个观念认为宇宙并不是由发生在数十亿年前的一个大事件而产生的, 宇宙的形成一直在持续进行着, 它不断产生新物质并使宇宙的密度保持一个常量 图表 02: 20 世纪 60 年代对宇宙微波背景辐射的发现使宇宙大爆炸理论进一步被大家接受, 因为稳态理论没有显而易见的理由来解释被人们发现的辐射 在 20 世纪 90 年代, 人们提出了一个新版本的恒稳态理论 这个新理论 类恒稳态宇宙论, 提出了微型宇宙事件, 或称 微型爆炸, 不断地在宇宙的演变过程中发生的理念 但是, 这个理论还没被广泛认可 数据档案 : 大爆炸科学家 大爆炸之前的世界是怎样的? 对这个问题的常见回答是 :138 亿年前, 在大爆炸发生之前, 世界上什么都没有 更精确地说, 由于时间本身就是在大爆炸中产生的, 所以这个问题根本没有意义, 因为根本不存在什么 之前 但是, 有些关于最初期宇宙的模型并不认为时间是由大爆炸产生的 如果这些模型是正确的, 那么宇宙在大爆炸之前就以某种形态存在也是有可能的 有些理论提出, 宇宙可能是不断循环的, 随着每次宇宙大爆炸的触发, 就会导致宇宙的终结 如果这是真的, 那么宇宙可能不止 138 亿岁了 问题 2. 宇宙会以怎样的方式终结? 如果我们承认宇宙有一个开端, 那么询问它是否会有一个终点, 会 以怎样的形式终结, 也是合情合理的 现在有几种可能性, 但是人们认为宇宙的最终命运将取决于太空几何学, 或者说是宇宙的形状 简而言之, 如果引力能使宇宙的扩张减缓甚至是停止, 那么宇宙就有可能会收缩, 或许以一次 大坍塌 而终结 它甚至可能会导致 另一次大爆炸, 产生一个持续扩张和收缩的宇宙 相反, 如果宇宙会一直持续扩张下去的话 最后, 由于可使用的燃料耗尽, 将不再有恒星形成 当最后一颗恒星死亡后, 宇宙残留物 将会缓慢衰减, 在经历一段很长很长的时间后, 全宇宙的温度将会变得一致 这就是我们所说的 热寂 宇宙大爆炸理论 2
第二章 : 扩张 什么是红移? 来自遥远星系的光的红移展示了它们正在彼此远离, 并且为宇宙大爆炸理论提供了证据 当一个移动的天体发出波时, 波长和频率似乎会有改变 例如, 如果一列火车朝着某个固定的观察者前进的话, 人们就会听到火车发出的声音似乎比它没有移动时的频率更高 当火车远离观察者时, 其声音的频率似乎又减少了 这是因为, 随着火车的移动, 不断发出的声波要么逼近, 要么远离释放的波 这就会使波之间的距离缩短或是增加, 这意味着两个声波到达的时间被缩小或是延长了 一个物体的速度可以通过测定频率的改变而被计算出来 光也会产生这种效果 如果一个天体朝一个观察点运行, 那么波长看起来将会减少, 并且也会向波长较短的方向, 即光谱末端的蓝色部分移动 如果这个天体从一个观察点远离的话, 相反, 它就会呈现出 红移 当人们观察遥远的星系时, 发现它们产生了红移 红移的产生有两个原因 : 第一, 各个星系彼此正在远离 ; 第二, 由于光穿过了扩张的太空, 它的波长也被增加了 图表 03: 数据档案 : 红移 问题 3. 宇宙大爆炸发生在何处? 由于宇宙正向四面八方扩展着, 因此宇宙是从一个中心点向周围扩张这一理论是合理的, 并且我们应该可以说出这个点在哪里 如果我们假想在一个气球的表面有许多点, 设想它们正随着气球的膨胀而逐渐远离彼此, 看起来, 气球的中央就是扩张开始的起点这个想法就很合理了 但是太空只是和这个气球的表面相像而已 尽管气球表面的点正在彼此远离, 但我们不能说气球表面上没有哪一点是这个扩张的起点 同样地, 太空中没有哪一个点可以让我们说是宇宙大爆炸发生的地方 ; 相反, 我们会说到处都有宇宙大爆炸 3
为什么有些星系正在彼此靠拢? 随着太空的扩张, 我们可以认为所有星系彼此间正在离得越来越远 这基本上是对的, 但是在小范围内 ( 数百光年内 ) 相邻星系之间的引力能将它们向彼此拉近, 人们时常发现星系们成簇存在 问题 4. 为什么有些星系看起来似乎比光行进得更快? 红移的大小与天体的速度相关 有些遥远的星系会产生红移, 这种红移太大了, 以至于它们使人感觉星系移动的速度比光速更快 尽管天体移动的速度不可能比光还快, 但由于星系之间的空间在不断扩张, 因此还是会发生这种状况 这可能意味着即使星系并没有以这种速度扩张, 但星系之间的距离其增加的速度可能比光速更快 什么是哈勃常数? 随着宇宙的扩张, 星系彼此间似乎变得越来越远了 这种遥远星系的视速度与它们到地球的距离有关 随着距离增加, 星系的视速度也会增加 这个速度可以通过哈勃定律计算出来 : 遥远天体的速度等于它的距离乘以哈勃常数, 哈勃常数的单位通常为千米 /( 秒 百万秒差距 ) 当前测量的哈勃常数约为 70 千米 /( 秒 百万秒差距 ) 但是不同的测量方法会产生从 50~100 千米 /( 秒 百万秒差距 ) 的不同值 这意味着天体离地球的距离每远一百万秒差距 ( 约三百万光年 ), 它的视速度就会以约 70 千米 / 秒的速度增加 比较起来, 我们的星系大约有 3 万秒差距宽, 而我们距最近的星系也有 80 万秒差距左右远 问题 5. 埃德温 哈勃是谁? 埃德温 哈勃是一位美国的天文学家 在 20 世纪 20 年代早期, 哈勃证明了有些恒星位于我们所在星系, 即银河系外的远处 人们争论着整个宇宙是否只有一个银河系 但随着这个发现被广泛地认可, 这个争论也平息了下来 他也研究了星系的红移现象, 这项工作使他最后研究出了哈勃定律 在 1983 年, 人们提议将大型太空望远镜更名为哈勃太空望远镜, 以褒奖埃德温 哈勃在天文学方面所做的贡献 哈勃望远镜在 1990 年被发射升空, 人们期望它能一直工作到 2014 年 哈勃太空望远镜 4
什么是宇宙微波背景辐射? 第三章 : 宇宙大爆炸的研究 恒星之间的空间发出微弱的光 这片光的波长从地球上无法看到, 所以这片天空看起来是黑色的 这种光是从很久以前, 当宇宙比现在热许多的时候所遗留下来的, 那大约是大爆炸之后约 40 万年后 在那段时间里, 原子初次形成 这意味着光不再被有效吸收了, 所以从现在起, 人们能探测到光了 但是宇宙的扩张使光的波长增加了, 并且现在它只能作为微波可见 辐射的这一形式与大爆炸理论非常一致, 并且它被认为是证明大爆炸理论正确无误的有力证据 人们在外太空探测到的微波与微波炉释放的波类似 意外的诺贝尔奖 问题 6. 宇宙微波背景辐射告诉了我们什么? 虽然宇宙微波背景辐射看起来非常一致, 但有少许小的波动告诉了我们大爆炸之后的条件和宇宙的演变 出于这个原因, 测量方法也在不断地被改进 普朗克太空天文台在 2009 年被发射升空, 用来研究宇宙微波背景辐射 人们期望它能检测大爆炸理论的各个方面, 并帮助我们精确地了解宇宙是如何形成的 大量的轻元素是如何支持大爆炸理论的? 人们相信, 如氢 氦 锂等轻元素是在大爆炸之后形成的, 而较重的元素那时并未形成 大爆炸理论预言, 人们认为形成轻元素的这段时期在大爆炸之后 20 分钟后就结束了, 由于时间太短了, 所以重元素还未来得及形成 对大量轻元素的测量很好地展现出了和宇宙大爆炸理论猜想的一致性, 并且人们认为这进一步证实了大爆炸理论的正确性 宇宙大爆炸理论 5
大型强子对撞机能告诉我们关于宇宙大爆炸的什么信息呢? 大型强子对撞机中许多试验是将质子以高速度进行撞击 但是, 大型强子对撞机也能对铅核子进行试验 这些 碰撞被设计用于将大量能量散布于一个相对大的空间内 所做的这些事目的在于试图产生一种全新形式的物质, 夸克胶子等离子体 质子和中子分布于原子的核子中 它们由夸克组成, 夸克被一种叫做胶子的粒子紧密结合在一起 从一个质子或中子中喷射出一个夸克将要消耗大量能量, 并且即使成功做到这一点, 例如, 在质子间发生高能量碰撞时, 夸克会立即衰变并喷射出另一种粒子 但是如果把核子以高速进行碰撞, 核子很可能会产生一个火球 在所产生的温度很高的物质中, 夸克可以自由地移动 这就是我们说的夸克胶子等离子体 人们认为在宇宙大爆炸后约万亿分之一秒时, 宇宙由夸克胶子等离子体组成 很快, 在那之后, 即宇宙大爆炸后的百万分之一秒, 宇宙便冷却到足以使质子和中子形成的程度 人们通过将铅核子进行碰撞, 来研究夸克胶子等离子体, 这应该能帮助我们更好地了解宇宙大爆炸的早期阶段 强子碰撞 问题 7. 什么是反物质? 当物质被创造出来时, 反物质也被同时创造出来了 例如, 当一个电子产生时, 与它等价的反物质, 正电子, 也产生了 正电子所含的电荷相反但电量相同 当这两个粒子被重新放在一起时, 它们会消失并释放出能量 宇宙看起来完全由 正常的 物质构成 人们还不完全了解为什么会这样, 因为我们会认为在宇宙大爆炸后, 一直产生了等量的物质和反物质 人们希望在大型强子对撞机中的实验或许能给我们一些线索, 让我们了解为什么会同时产生物质和反物质 6