揭秘：宇宙大爆炸是怎样产生的

专业仲裁员

　　大约在150亿年前，宇宙一切的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的，现在只能从理论研究的基础上描绘过去远古的宇宙发展史。在这150亿年中先后诞生了星系团、星系、我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质，形成了当今的宇宙形态，人类就是在这一宇宙演变中诞生的。宇宙大爆炸时间表从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：

　　大爆炸开始时 约137亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。大爆炸后10^-43秒宇宙从量子背景出现。大爆炸后10^-35秒 引力分离，夸克、玻色子、轻子形成。大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。
　　大爆炸后5-10秒 10亿度，质子和中子形成。大爆炸后13.8秒后 30亿度，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。大爆炸后35分钟后 3亿度，原初核反应过程停止，尚不能形成中·X·原子。大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中·X·原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

　　宇宙大爆炸的观测证据宇宙大爆炸理论最早也最直接的观测证据包括从星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度，而今大尺度结构和星系演化也成为了新的支持证据。这四种观测证据有时被称作“大爆炸理论的四大支柱”。
　　哈勃定律对遥远星系和类星体的观测表明这些天体存在红移——从这些天体发出的电磁波波长会变长。通过观测取得星体的频谱，而构成天体的化学元素的原子与电磁波的相互作用对应着特定样式的吸收和发射谱线，将两者进行比对则可发现这些谱线都向波长更长的一端移动。这些红移是均匀且各向同·X·的，也就是说在观测者看来任意方向上的天体都会发生均匀分布的红移。如果将这种红移解释为一种多普勒频移，则可进而推知天体的退行速度。对于某些星系，它们到地球的距离可以通过宇宙距离尺度来估算出。如果将各个星系的退行速度和它们到地球的距离一一列出，则可发现两者存在一个线·X·关系即哈勃定律：

　　v=HD,其中:v 是星系或其他遥远天体的退行速度；D 是距天体的共动固有距离；H 是哈勃常数，根据WMAP最近的测量结果为70.1 ±1.3千米/秒/秒差距。
　　宇宙膨胀根据哈勃定律我们的宇宙图景有两种可能：或者我们正处于空间膨胀的正中央，从而一切的星系都在远离我们——这与哥白尼原理相违背——或者宇宙的膨胀是各处都相同的。从广义相对论推测出宇宙正在膨胀的假说是由亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特分别在1922年和1927年各自提出的，都要早于哈勃在1929年所进行的实验观测和分析工作。宇宙膨胀的理论后来成为了弗里德曼、勒梅特、罗伯逊、沃尔克等人建立大爆炸理论的基石。

　　大爆炸理论要求哈勃定律在任何情况下都成立，注意这里v、D和H随着宇宙膨胀都在不断变化（因此哈勃常数H实际是指“当前状态下的哈勃常数”）。对于距离远小于可观测宇宙尺度的情形，哈勃红移可以被理解为因退行速度v造成的多普勒频移，但本质上哈勃红移并不是真正的多普勒频移，而是在光从遥远星系发出而后被观测者接收的这个时间间隔内，宇宙膨胀的结果。
　　天文学上观测到的高度均匀分布且各向同·X·的红移，以及其他很多观测证据，都支持着宇宙在各个方向上看起来都相同这一宇宙学原理。2000年，人们通过测量宇宙微波背景辐射对遥远天体系统的动力学所产生的影响，证实了哥白尼原理，即地球相对大尺度宇宙来说绝非宇宙的中心。早期宇宙来自大爆炸的微波背景辐射温度要显著高于当今的辐射余温，而几十亿年来微波背景辐射均匀降温的事实只能被解释为宇宙空间正在进行着度规膨胀，并排除了我们较为接近一个特殊的爆炸中心的可能。

　　微波辐射在宇宙诞生的最初几天里，宇宙处于完全的热平衡态，并伴随有光子的不断吸收和发射，从而产生了一个黑体辐射的频谱。其后随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低到光子不能继续产生或湮灭，不过此时的高温仍然足以使电子和原子核彼此分离。因而，此时的光子不断地被这些自由电子“反射”，这一过程的本质是汤姆孙散射。由于这种散射的持续存在，早期宇宙对电磁波是不透明的。当温度继续降低到几千开尔文时，电子和原子核开始结合成原子，这一过程在宇宙学中称为复合。
　　由于光子被中·X·原子散射的几率很小，当几乎一切电子都与原子核发生复合之后，光子的电磁辐射与物质Tuo耦。这一时期大约发生在大爆炸后三十七万九千年，被称作“最终的散射”时期。这些光子构成了可以被今天人们观测到的背景辐射，而观测到的背景辐射的涨落图样正是这一时期的早期宇宙的直接写照。随着宇宙的膨胀，光子的能量因红移而随之降低，从而使光子落入了电磁波谱的微波频段。微波背景辐射被认为在宇宙中的任何一点都可被观测，并且在各个方向上都（几乎）具有相同的能量密度。

　　1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用贝尔实验室的一台微波接收器进行诊断·X·测量时，意外发现了宇宙微波背景辐射的存在。他们的发现为微波背景辐射的相关预言提供了坚实的验证——辐射被观测到是各向同·X·的，并且对应的黑体辐射温度为3K——并为大爆炸假说提供了有力的证据。彭齐亚斯和威尔逊为这项发现获得了诺贝尔物理学奖。
　　1989年，NASA发射了宇宙背景探测者卫星（COBE），并在1990年取得初步测量结果，显示大爆炸理论对微波背景辐射所做的预言和实验观测相符合。COBE测得的微波背景辐射余温为2。726K，并在1992年首次测量了微波背景辐射的涨落（各向异·X·），其结果显示这种各向异·X·在十万分之一的量级。约翰·马瑟和乔治·斯穆特因领导了这项工作而获得诺贝尔物理学奖。在接下来的十年间，微波背景辐射的各向异·X·被多个地面探测器以及气球实验进一步研究。2000年至2001年间，以毫米波段气球观天计划为代表的多个实验通过测量这种各向异·X·的典型角度大小，发现宇宙在空间上是近乎平直的。

　　2003年初，威尔金森微波各向异·X·探测器（WMAP）给出了它的首次探测结果，其中包括了在当时人们所能获得的最精确的某些宇宙学参数。航天器的探测结果还否定了某些具体的宇宙暴涨模型，但总体而言仍然符合广义的暴涨理论。
　　此外，WMAP还证实了有一片“中微子海”弥散于整个宇宙，这清晰地说明了最早的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雾，从而开始在原本黑暗的宇宙中发光。2009年5月，普朗克卫星作为用于测量微波背景各向异·X·的新一代探测器发射升空，它被寄希望于能够对微波背景的各向异·X·进行更精确的测量，除此之外还有很多基于地面探测器和气球的观测实验也在进行中。

　　原始物质丰度采用大爆炸模型可以计算氦-4、氦-3、氘和锂-7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占含量的比例。一切这些轻元素的丰度都取决于一个参数，即早期宇宙中辐射（光子）与物质（重子）的比例，而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关。大爆炸理论所推测的轻元素比例（注意这里是元素的总质量之比而非数量之比）大约为：氦-4/氢= 0。25，氘/氢= 10^-3，氦-3/氢= 10^-4，锂-7/氢= 10^-7。
　　将实际测量到的各种轻元素丰度和从光子重子比例推算出的理论值两者比较，可以发现至少是粗略符合。其中理论值和测量值符合最好的是氘元素，氦-4的理论值和测量值接近但仍有差别，锂-7则是差了两倍，即对于后两种元素的情形存在着明显的系统随机误差。尽管如此，大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度与实际观测可以认为是基本符合，这是对大爆炸理论的强有力支持。

　　因为到目前为止还没有第二种理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度，而从大爆炸理论所预言的宇宙中可被“调控”的氦元素含量也不可能超出或低于现有丰度的20%至30%。事实上很多观测也没有除大爆炸以外的理论可以解释，例如为什么早期宇宙（即在恒星形成之前，从而对物质的研究可以排除恒星核合成的影响）中氦的丰度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3，而且比例又是常数。
　　星系演变对星系和类星体的分类和分布的详细观测为大爆炸理论提供了强有力的支持证据。理论和观测结果共同显示，最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后十亿年，从那以后更大的结构如星系团和超星系团开始形成。由于恒星族群不断衰老和演化，我们所观测到的距离遥远的星系和那些距离较近的星系非常不一样。

　　此外，即使距离上相近，相对较晚形成的星系也和那些在大爆炸之后较早形成的星系存在较大差异。这些观测结果都和宇宙的稳恒态理论强烈抵触，而对恒星形成、星系和类星体分布以及大尺度结构的观测则通过大爆炸理论对宇宙结构形成的计算模拟结果符合得很好，从而使大爆炸理论的细节更趋完善。
　　其他证据人们通过对哈勃膨胀以及对微波背景辐射的观测，分别估算出了宇宙的年龄。虽然这两个结果彼此曾经存在一些矛盾和争议，但最终还是取得了相当程度上的一致：两者都认为宇宙的年龄要稍大于最老的恒星的年龄。两者的测量方法都是将恒星演化理论应用到球状星团上，并用放射·X·定年法测定每一颗第二星族恒星的年龄。

　　大爆炸理论预言了微波背景辐射的温度在过去曾经比现在要高，而对于位于高红移区域（即距离很远）的气体云，通过观测它们对温度敏感的发射谱线已经证实了这个预言。这个预言也意味着星系团中苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应的强度与红移并不直接相关；这一点从目前观测来看应该是近似正确，但是由于苏尼亚耶夫－泽尔多维奇效应的强度还和星系团的本身·X·质直接关联，并且星系团的·X·质在宇宙学的时间尺度上会发生根本的变化，因而导致无法精确检验这个猜想的正确·X·。
　　宇宙大爆炸的疑点当今的科学家在宇宙学问题上都普遍更青睐大爆炸模型，不过在历史上科学界曾经分成两派，一派是大爆炸模型的支持者，另一派是其他替代宇宙模型的支持者。在宇宙学的整个发展史中，科学界曾经不断争论着哪个宇宙学模型能够最符合地描述宇宙学的观测结果（参见动机和发展一节），大爆炸理论的一些问题也因此浮出水面。在当今的科学界，支持大爆炸理论是压倒·X·的共识，因此这些曾经提出的问题很多都已经成为了历史，人们为此不断修正和完善大爆炸理论以及获取更佳的观测结果，从而一一获得了这些问题的解释。

　　大爆炸的核心观点——包括度规膨胀、早期高温态、氦元素形成、星系形成——都是从独立于任何宇宙学模型的实际观测中推论出的，这些实际观测包括轻元素的丰度、宇宙微波背景辐射、大尺度结构、Ia型超新星的哈勃图等。而大爆炸理论发展至今，它的正确·X·和精确·X·有赖于很多奇特的物理现象，这些物理现象或者还没有在地面实验中观测到，或者还没被纳入粒子物理学的标准模型中。
　　在这些现象中，暗物质是当前各个实验室所研究的最为活跃的主题。虽然暗物质理论中至今仍然存在一些未得到解决的细节和疑点，诸如星系晕尖点问题和冷暗物质的矮星系问题，但这些疑点的解决只需将来对理论做出进一步的修正，而不会对暗物质这一解释产生颠覆·X·的影响。暗能量是科学界另一高度关注的领域，但至今仍然不清楚将来是否有可能直接对暗能量进行观测。

　　另一方面，大爆炸模型中的两个重要概念：暴涨和重子数产生，在某种意义上仍然被认为是具有猜测·X·质的。它们虽然能够解释早期宇宙的重要·X·质，却可以被其他解释所替代而不影响大爆炸理论本身。如何找到这些观测现象的正确解释仍然是当今物理学最大的未解决问题之一。
　　视界问题

　　视界问题来源于任何信息的传递速度不可能超过光速的前提。对于一个存在有限时间的宇宙而言，这个前提决定了两个具有因果联系的时空区域之间的间隔具有一个上界，这个上界被称作粒子视界。从这个意义上看，所观测到的微波背景辐射的各向同·X·与这个推论存在矛盾：如果早期宇宙直到“最终的散射”时期之前一直都被物质或辐射主导，那时的粒子视界将只对应着天空中大约2度的范围，从而无法解释为何在一个如此广的范围内都具有相同的辐射温度以及如此相似的物理·X·质。
　　对于这一看似矛盾之处，暴涨理论给出了解决方案，它指出在宇宙诞生极早期（早于重子数产生）的一段时间内，宇宙被均匀且各向同·X·的能量标量场主导着。在暴涨过程中，宇宙空间发生了指数膨胀，而粒子视界的膨胀速度要远比原先预想的要快，从而导致现在处于可观测宇宙两端的区域完全处于彼此的粒子视界中。从而，现今观测到的微波背景辐射在大尺度上的各向同·X·是由于在暴涨发生之前，这些区域彼此是相互接触而具有因果联系的。