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2014-04-22 10:29:07karta1441162

大爆炸

大爆炸理論(Big Bang‎)是宇宙物理學關於宇宙起源的理論。根據大爆炸理論,宇宙是在大約140億年前由一個密度極大且溫度極高的狀態演變而來的。本理論產生於觀測到的哈伯定律下星系遠離的速度,同時根據廣義相對論的弗里德曼模型,宇宙空間可能膨脹。延伸到過去,這些觀測結果顯示宇宙是從一個起始狀態膨脹而來。在這個起始狀態中,宇宙的物質和能量的溫度和密度極高。至於在此之前發生了什麼,廣義相對論認為有一個引力奇點,但物理學家對此意見並不統一。



大爆炸一詞在狹義上是指宇宙形成最初一段時間所經歷的劇烈變化,這段時間通過計算大概在距今137億(1.37 × 1010)年前;但在廣義上指當今流行的揭示宇宙起源和膨脹的理論。這一理論的直接推論是我們今天所處的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同。根據這一理論,喬治·伽莫夫在1948年預測了宇宙微波背景輻射的存在。1960年代,這一輻射被探測到,有力地支持了大爆炸理論,從而否定了另一個比較流行的穩恆態宇宙理論。



發展歷史

大爆炸理論是通過實驗觀測和理論推導發展的,在實驗觀測方面,1910年代,維斯特·斯里弗爾(Vesto Slipher)和卡爾·韋海姆·懷茲(Carl Wilhelm Wirtz)證實了大多數旋渦星雲正在退離地球,不過他們並沒有因此聯想到這對宇宙學意味著什麼,也不認為發現的星雲其實是銀河系外的其他星系。同時在理論上,愛因斯坦的廣義相對論成功建立並推出沒有穩定態宇宙。通過度量張量描述的宇宙不是膨脹就是收縮,愛因斯坦認為他自己解錯了,並加入了一個宇宙學常數來進行改正。第一個不使用宇宙學常數,而真正認真將廣義相對論運用到宇宙學中的是亞歷山大·弗里德曼,他的方程所描述的宇宙稱為Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙,時間是1922年。1927年,比利時天主教牧師勒梅特獨立推導出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程,併在螺旋星雲後退現象的基礎上提出了宇宙是從一個「初級原子」「爆炸」而來的—這就是後來所謂的大爆炸。



1929年,愛德文·哈伯為勒梅特的理論提供了實驗條件。哈柏證明這些旋渦星雲其實是星系,並通過觀測造父變星測算出了他們的距離。他發現,星系遠離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比,這就是所謂哈伯定律。根據宇宙學的原理,當觀測足夠大的空間時,沒有特殊方向和特殊點,因此哈伯定律說明宇宙在膨脹。這一觀點存在兩種互相對立的可能性:一種是由勒梅特提出,蓋莫夫支持和完善的大爆炸理論;另一種則是霍伊爾的穩恆態宇宙模型。在穩恆態宇宙模型里,新物質在星系遠離留下的空間中不斷產生,從而宇宙基本不變化。其實這個理論的名稱是出於霍伊爾的諷刺,他在1949年通過BBC廣播節目形式傳播的,論文《物質的特性》(The Nature of Things)發表於1950年。



之後的許多年,這兩種理論並立,但觀測事實開始支持一個演變於熱密狀態的宇宙。1965年宇宙微波背景輻射的發現使人們認為大爆炸理論是宇宙起源和演變最好的理論。1970年以前,很多宇宙學家認為宇宙可能在膨脹以前先收縮,這樣可以避免從弗里德曼模型推出一個無限緻密的「荒謬」的奇點。比較有代表性的是Richard Tolman的脈動宇宙模型(oscillating universe)。1960年代末,史蒂芬·霍金等人證明這個假設行不通,因為奇異點是愛因斯坦引力理論的直接和重要推論。之後大多數宇宙物理學家開始接受廣義相對論所描述的宇宙在時間上是有限的。但是,由於對於量子引力規律缺乏認識,現在還不能斷定這個奇異點到底是真正集合意義上的無限小點,還是物理收縮過程可以無限進行下去,從而間接達到宇宙在時間上無限。