)大爆炸宇宙学
大爆炸宇宙学
各种天体大都是30％的氦丰度20世纪40年代末发现太阳的巨大能源来自热核反应后，美国物理学家 G·伽莫夫把宇宙膨胀理论和基本粒子的运动联系起来，提出了大爆炸宇宙理论。该理论认为，在“原始火球”爆炸后整个体系即达到热平衡。这时的物质主要是光子、电子、中微子、π 介子、质子、中子等。随着整个体系不断膨胀，温度不断下降，物质形态依次发生如下变化：首先由中子与质子结合成重氢、氦等原子核；然后电子和原子核结合成原子，形成气状物质；最后气状物质逐步凝聚成各种各样的恒星系统，一直演变成看到的世界。
大爆炸宇宙学与下列重要观测事实较符合：河外天体系统性的谱线红移；各种天体大都是30％的氦丰度；所有天体的年龄都小于200亿年。它所预言的宇宙微波背景辐射也为美国的A·彭齐亚斯和R·W·威尔逊的观测所证实。但是大爆炸宇宙学在星系形成及各向同性的起源等方面还存在着许多未能解决的问题。
大爆炸产生1917年，爱因斯坦发表广义相对论之后，引发了天文学家对宇宙的结构思考，当时争论的焦点是宇宙是静态的还是不断膨胀的。1929年，美国天文学家哈勃确定了星系红移和退行速度的关系，英国天文学家爱丁顿认为这一发现证实宇宙正在膨胀。
1932年，比利时天文学家勒梅特（G. Lemaitre，1894－1966）提出宇宙最初聚集在一个“原始原子”里，后来发生四散的爆炸，形成了今天的宇宙。1946年，俄裔美国天体物理学家伽莫夫（George Gamow，1904－1968）将广义相对论与化学元素生成理论联系起来，提出了热大爆炸宇宙模型。但是这一模型在它诞生后的20年里，却屡遭质疑。
根据大爆炸宇宙模型推算，150亿年前的爆炸在今天会留下约5K的宇宙背景辐射。1964年，美国物理学家彭齐亚斯（Arno Allan Penzias，1933－）和威尔逊（Robert Woodrow Wilson，1936－）为了改进卫星通讯，建造了一个高灵敏度号角形接收天线系统。当二人用它测量天空时，意外地发现了相当于大约3.5K的宇宙微波噪声。
后来，科学家们又通过其它途径证实了微波背景辐射的存在，这一发现给予大爆炸宇宙学最强有力的支持。大爆炸宇宙模型逐渐被公认为是最令人满意的宇宙图像理论，它不仅说明了宇宙膨胀的由来，还解释了元素的丰度分布和原始氦的起源。
1965年，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。
宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且人们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。
宇宙间主要是气态物质
大爆炸模型大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实：
1、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
2、观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。
3、在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30％。用恒星核反应机制不足以 说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效 率也很高，则可以说明这一事实。
4、根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为3Ｋ。这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。
大爆炸宇宙学有助于人们发现新的自然规律①在更深的层次上揭示了世界的物质统一性。19世纪中叶，人们用光谱分析证明了世界在化学元素上的统一性；20世纪、20、30年代，对恒星大气及其内部结构的研究，证明了世界在原子核水平上的统一性。大爆炸宇宙学建立后，对这种统一性的认识又深入到基本粒子和夸克的水平上。大爆炸宇宙学还把不同层次的物质形式看作是历史上从某种“原始物质”中逐步演变出来的，从而生动地体现了物质世界的统一是多样性的统一。
②进一步冲击了宇宙不变的传统观念。1930年前后，G.勒梅特、A.S.爱丁顿提出了宇宙膨胀概念，开始打破认为大尺度天体系统在总体上应该是静态的传统观念。大爆炸宇宙学进一步从理论上系统、深入地描述了大尺度天体系统的膨胀运动图象，对几千年的传统不变观念作出了革命性的冲击。大爆炸宇宙学还表明，已知的各种运动形式都有其时间上的历史，宇宙大爆炸后随着物质形态的演化，运动形式及其相互作用也越来越复杂多样。
③提出新的宇宙演化假说。大爆炸宇宙学认为，宇宙有一段从热到冷、从密到稀的演化史，并且随着原始物质→基本粒子→原子核→原子→气状物质→各种天体→生命的演化途径发展到今天的样子。大爆炸宇宙学还把已知的各种基本物理规律统一在一个历史过程中，使永恒的自然规律愈来愈变成历史的规律。大爆炸宇宙学涉及到地球上无法实现的物理条件，有助于人们发现新的自然规律。
④引起了对宇宙是否无限的争论。在争论中，一方认为，大爆炸宇宙学所研究的宇宙是哲学上所指的无限宇宙的一部分。它涉及到人类已知的最大空间范围、最长时间尺度、最深物质层次。在这个意义上，它丰富了对宇宙无限性的认识。另一方则认为，大爆炸宇宙学证明宇宙在时间上有一个开端，与宇宙无限的哲学观点相悖。
| 宇宙时 | 时代 | 事件 | 从往以前计时 |
| 0 | 奇点 | 大爆炸 | 200亿年前 |
| 1秒 | 轻子时期 | 电子--正电子对湮灭 | 200亿年前 |
| 1分 | 辐射时代 | 氦和氚的核合成 | 200亿年前 |
| 1周 | 辐射热化 | 200亿年前 | |
| 1万年 | 物质时期 | 宇宙变成物质为主 | 200亿年前 |
| 10~20亿年 | 星系开始形成 | 180~190亿年前 | |
| 41亿年 | 第一代恒星形 成 | 159亿年前 | |
| 152亿年 | 太阳系的母星际云形成 | 48亿年前 | |
| 154亿年 | 太阳系行星形成 | 46亿年前 | |
| 161亿年 | 太古代 | 最老的地球岩石形成 | 39亿年前 |
| 170亿年 | 地球上的微生物形成 | 30亿年前 | |
| 180亿年 | 元古代 | 地球上富氧大气发展 | 20亿年前 |
| 190亿年 | 古生代 | 地球上宏观生命形成 | 10亿年前 |
| 198亿年 | 地球上爬行动物出现 | 2亿年前 | |
| 198.5亿年 | 新生代 | 地球上出现恐龙 | 1.5亿年前 |
| 200亿年 | 地球上出现人类 | 200万年前 |
| 科学假设 | 模型 |
| 原子核 | 热大爆炸 |
| 爆炸模型 | 霍金 |
[1] 科学 http://kexue.lyge.cn/kexue-2/zutiweb/zu27/031.htm
[2] 新华科技 http://news.xinhuanet.com/tech/2008-03/28/content_7876011.htm
