Question

宇宙探索：宇宙大爆炸学说真的是正确的么？

Answer 1

回首人类 探索 宇宙的这条道路,我们会看到,这是多么艰辛的一条道路,上面不乏先人的鲜血和生命。伽利略、哥白尼、挑战者号宇宙飞船、哥伦比亚号宇宙飞船,等等等等。从人们萌生 探索 宇宙的想法以来,这条道路就充满着荆棘与坎坷。自古,人类对宇宙的认识是建立在宗教之上的。当人类心中的宇宙还没有摆脱宗教所界定的框架时,宇宙对于人类来说还只是一个美好的遐想。而当人类开始冲破宗教的枷锁, 探索 宇宙所展示给我们的真理时,认识宇宙和 探索 宇宙就开始充满了不可预测的坎坷。但是这依然不能阻碍人类对于宇宙的 探索 。我们应该庆幸,是那些先哲不懈的 探索 ,不畏艰辛地坚持 探索 ,才有了我们今天的宇宙。宇宙才会变得触手可及,而不是神话中的那么遥远,那么神秘。

我们把宇宙大爆炸简称为大爆炸，它是描述宇宙诞生初始条件以及后续演化的宇宙学模型，这一个模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持，我们的宇宙学家通常所说的大爆炸观点是指宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，这个太初状态是指宇宙最开始是由宇宙物质所形成的一个密度极大的一个圆球。

在2010年所得到的最佳的观测结果显示，这些太初状态大约都是发生于133亿年至139亿年前，它经过不断的膨胀到最后产生大爆炸，然后再膨胀、冷却发展成今天我们所看到的宇宙，大爆炸这个说法首先是由英国天文学家弗雷德.霍伊尔所采用的，弗雷德.霍伊尔是与大爆炸相对立的宇宙学模型“稳恒态理论”的倡导者，将勒梅特等人的理论称之为大爆炸这个观点是弗雷德.霍伊尔在1949年三月BBC的一次广播节目提出的，虽然当时有很多人说弗雷德.霍伊尔这样讲是出于对勒梅特等人的讽刺，但是弗雷德.霍伊尔本人明确的否认了这一点，他表明这只是为了着重稳恒态理论和大爆炸理论两个模型的最明显的不同之处，弗雷德.霍伊尔后来为恒星核合成的研究做出了重要贡献。

恒星核是怎么合成的呢？它是由恒星的内部通过核反应从氢元素制造出某些重元素的途径，1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺.彭齐亚斯和罗伯特.威尔逊发现了宇宙微波背景辐射，这个发现是支持大爆炸确实曾经发生过的重要证据，特别是在测出它的频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。

而关于大爆炸模型中最初时期宇宙的样子和状态问题，直到今天人们都还没有一个明确的定论，仍旧是充满了猜测，不过在大多数常见的模型中，都提出了宇宙在诞生初期是由均匀且各向同性的高温高压物质所构成的，并且在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却，大约膨胀进行到十的负37次方秒的时候，产生了一种相变，从而使宇宙迅速膨胀，而在膨胀的过程中它是呈指数增长的。

当暴涨结束后，就构成了宇宙的物质，这些物质中包括了夸克、胶子等离子体以及其它所有基本粒子，这个时候的宇宙处于非常炽热的状态，这就导致了所有粒子都在做着相对论性的高速而随机的运动，而粒子、反粒子对在这个期间也在通过碰撞在不断地创生和湮灭，所以宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的，得出一个结论就是宇宙中的总粒子数为为零的，直到后面的某个时刻，出现一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现，它是夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反氢子的数量，超出范围大约在1/30000000的量级上，而发生这一切的程就被称为重子数的产生，而它反应的这个机制造成了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。

进一步随着宇宙的膨胀和温度的降低，粒子所含有的能量也在随之下降，当能量降低到了一钛电子辐射时，产生了对称的破缺，这一相变使基本粒子和基本相互作用形成了今天我们所看到的样子，宇宙诞生的十的负11次方秒之后，大爆炸模型中猜测的成分就进一步减少了，因为此时的粒子能量已经降低到了高能物理实验所能企及的范围，十的负六次方秒之后，夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子组，由于夸克的数量要略高于反夸克重子的数量也要略高于反重子，而到了这个时候宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子反质子对，也不能产生新的中子反中子队，从而就导致了粒子和反粒子之间的质量湮灭，这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的数量保留下来，而对应的所有反粒子，则全部湮灭，大约在一秒之后，电子和正电子之间也发生了类似的过程，经过一系列的湮灭，剩余的质子，中子和电子的速度降低到相对论性以下，而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自湮灭产生的大量光子，少部分来自中微子。

据猜测，在大爆炸发生后的几分钟，宇宙的温度就降低到了10亿开尔文的这个量级，随之密度也降低到大约达到空气密度的水平，而少数质子和所有中子结合就组成氘和氦的原子核，我们把发生这一切的过程叫做太初核的合成，在这一过程当中绝大多数的质子并没有与中子结合，而是形成了氢的原子核，伴随着宇宙的进一步冷却，宇宙中的能量密度主要来自静止质量所产生的引力来提供的，而这个能量密度超过原来光子以辐射的形式所形成的能量密度，在大约37.9万年之后，电子和原子核才结合成为了原子，主要是形成氢原子，而物质通过脱偶发出辐射，并在宇宙空间中相对自由的传播，这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。

虽然宇宙在大范围上物质几乎都是均匀分布的，但是仍然存在一些密度稍大的区域，在经过相当长的一段时间内，这些密度稍大区域中的物质通过引力的作用吸引更多在它附近的物质，从而密度慢慢开始变大，最终形成了气体云、恒星、星系等在今天的天文学上可观测的结构，而发生这一过程的细节要取决于宇宙中物质的形成和数量，物资的形成主要有三种分别是冷暗物质、热暗物质以及重子物质。

目前最佳观测结果表明，在宇宙中占据主导地位的物质形式是冷暗物质，另外的其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%，在另一方面，对LA型超新星和宇宙微波背景辐射的独立观测表明，现如今的宇宙被一种叫作暗能量的未知能量形式而主导着，如今这个暗能量被认为渗透到了宇宙空间中的每一个角落，具观测显示，现在宇宙的总能量密度中就有72%的部分是以暗能量这种形式存在的。

根据相关推测，认为宇宙还在非常年轻时候暗能量就已经存在了，但是由于此时的宇宙尺度很小，而物质间又彼此距离很近，故而在那个时候引力的效果非常明显，它减缓了宇宙的膨胀，宇宙在经过了几十上百亿年的膨胀，暗能量也在不断增长，它开始让宇宙膨胀缓慢加速，如果是按能量来表述的话，最简便的方法就是在爱因斯坦引力场方程当中增加所谓宇宙常数项，但是这依旧无法解释暗能量的构成以及怎么形成的等等问题，其中还伴随着的一些其他更基础问题，比如说关于它状态方程的一些细节，以及它与粒子物理学中标准模型的内在联系，这些未解决的问题仍然有待理论和实验观测的进一步研究。

所有在暴涨时期以后的宇宙演化都可以用宇宙学中的ΛCDM（Λ是指宇宙常数）模型来非常精确的描述，这一模型是源于广义相对论和量子力学各自独立的框架，目前仍然还没有广泛知识的模型，能够准确描述大爆炸后大约十的负15次方秒之内的宇宙是什么模样的，大多数科学家认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子引力理论来突破这一道难题，如何才能理解这一极早时期宇宙的物理图景，是当今物理学的最大未解决问题之一。