宇宙源于大爆炸 大膨胀38万年2727℃电子质子结合光子穿梭

王兴

宇宙源于大爆炸（下）

2016-3-23 12:59

个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:宇宙 大爆炸 科普

按：接昨天的博文，百亿年来多少事，激荡人心大江流——宇宙源于大爆炸（上），

http://blog.sciencenet.cn/blog-451927-964141.html    全章完。此稿写于2012年冬季，出版于2013年5月。一些新的进展未能包含，敬请理解。

大爆炸理论的提出

哈勃定律的发现其实为梅特勒当初设想的宇宙从“原始原子”经爆炸、膨胀、演化而来的观点提供了佐证，因为既然现在宇宙正在膨胀，那么回溯过去，宇宙将会越来越小，星系与星系间的距离也会变小，整个宇宙必将压缩在一个很小的区域内。1948年俄裔美籍物理学家伽莫夫联合他的一名学生阿尔法以及另一位物理学家贝塔（三人名字的首字母对应的希腊字母正好是αβγ）共同发表了宇宙诞生于高温高密度的火球状态，此后便不断膨胀。这便是后来的宇宙“大爆炸”理论，不过这个名字是英国天文学家霍伊尔批评伽莫夫时提到的一个词汇，后来竟然冠名于该理论，也算是科学史的趣谈。伽莫夫可称得上物理学界的一个活宝，就是类似费曼（别告诉我你不知道这个人，否则你绝对out）那样的人物，他不但在物理学、天文学领域游刃有余，而且对生命科学领域也贡献良多，更绝的是他的科普著作写得超级好，代表作有《从一到无穷大》（图10-7）和《物理世界奇遇记》，这两部作品写得定会让你击掌称快、拍案叫绝、夜半惊魂、想hold都hold不住。若不信，不妨找来“以身试法”。



图10-7 《从一到无穷大》的插图（以吹气球比喻宇宙的膨胀）

由于“大爆炸”这个词具有极强的迷惑性和煽动性，结果导致一些懵懂青少年总以为宇宙早期就像一包炸药一样，在某个时刻突然炸得四分五裂。谬矣！因为你要知道空间、时间的起点就是大爆炸，由于大爆炸才产生了时空和物质。只要时空产生出来，宇宙中的每个点都是“爆炸”的中心。其实把爆炸理解为“膨胀”才是恰当的。关于大爆炸之后宇宙短时间的演化，1979年诺贝尔物理奖得主温伯格写有一本《宇宙最初三分钟》，讲述了在宇宙大爆炸之后的三分钟内究竟发生了什么，这里就不再展开了。图10-8是一幅宇宙自诞生以来的演进图，我们可以一饱眼福。



图10-8 宇宙的演进图 (此图取自日本欧姆社科普书《漫画宇宙》中文版)

大爆炸理论的验证（一）宇宙微波背景辐射

按照宇宙大爆炸理论，随着宇宙的膨胀，温度会越来越低，大约到了38万年的时候，宇宙的温度降到了3000K左右。这里需要解释下K的意思，我们平常在生活中用到的计量温度的单位是摄氏度，一般记作℃，比如今天白天的最高气温是26度，就记作26℃。绝对温标也叫开尔文温标（开尔文是英国一位大物理学家，在相对论那一章谈两朵“乌云”时曾提到他），单位是K，它无非是把摄氏温度的0℃直接看作是273.16K（一般就约写为273K）。这样其实我们就得到了它们之间的转换关系：绝对温标－273K=摄氏温标。那么当宇宙的温度是3000K时，也即摄氏温标2727℃。这是宇宙中的电子与质子才开始结合，这时自由光子才可以任意穿梭，宇宙第一次变得透明起来。伽莫夫当时就预言，随着宇宙的不断冷却，当时（38万年时）宇宙辐射的电磁波仍然充满整个宇宙，只不过随着宇宙膨胀，波长变长为微波，对应温度约为3K。这就是所谓的宇宙微波背景辐射。

1964年，美国贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯与威尔逊（图）利用一台喇叭形的天线接受来自宇宙的无线电波信号时，发现一些从理论或观测上无法解释的噪声，他们排除了各种干扰因素，包括天线上的一点鸽子粪。经过仔细测量和分析后，1965年他们认为这种信号来自宇宙空间的各个方向，并且认识到噪声处于微波波段，对应的绝对温标是2.7K。很快他们以论文形式公布了这一发现，但是并没有从理论上给予解释。

当时正在普林斯顿大学研究宇宙背景辐射理论的迪克得知彭齐亚斯与威尔逊发现后，很快与之取得了联系，最后合力确认这种“挥之不去”的热噪声就是宇宙微波背景辐射。后来彭齐亚斯与威尔逊也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

1989年发射升空的宇宙背景探测者（COBE），上面携带有红外线游离光谱仪（FIRAS）与微差微波辐射计（DMR），前者证实了宇宙微波背景辐射在理论上是2.7K的一个完美黑体，后者证实了宇宙微波背景的波动非常微弱，相较于平均温度2.7K的辐射只有十万分之一的波动，也正是这种温度上的波动，才造成了目前的星系以及更大尺度上的物质分布。2001年，NASA继而发射了威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）；2009年欧洲航天局（ESA）又发射了比WMAP精度更高的“普朗克”号探测卫星（Planck Surveyor）。值得欣慰的是，2010年7月欧航局公布了“普朗克”号探测卫星利用6个月时间完成的首张全天域宇宙微波背景辐射图（图10-9），图片的中央部分几乎被银河系覆盖了，图上深浅不同的颜色表明了温度与密度的差异。科学家通过捕捉大爆炸留下的这些痕迹，从而可以更详细地了解宇宙起源的奥秘。



图10-9 首张全天域宇宙微波背景辐射图

大爆炸理论的验证（二）宇宙中的氦丰度

首先解释下什么叫丰度，所谓丰度是化学领域常用了一个文绉绉的词汇，说白了就是含量比例的意思。比如说你们学校男女同学的人数比例大致为1/4（如果这种情形发生在大学，那一般会是师范院校或者医学院校），那么你就可以借用丰度这个概念说你们学校女生的人数丰度是0.8（4/5），或者说与男生的丰度比是4/1——你可别望丰满程度那里去想，尽管这对个别女生也不算离谱，否则她们怎么会整天嚷嚷着要减肥呢。

按照大爆炸理论，最初宇宙处在一个超高温的状态，其中飞舞着电子、质子和中子，由于一个质子就是一个氢原子核，所以可以说此时宇宙中只有氢元素。随着宇宙的膨胀，在大爆炸3分钟后，温度降低到10亿K时，将进入一个核合成时期。这时在火球宇宙中，每两个质子和两个中子互相碰撞与聚合，从而生成一个氦原子核。待中子消耗尽时，剩下的就是质子，也就是氢元素。合成氦原子核的整个过程只进行了大约20分钟，按照计算，当时约占25%的宇宙质量合成了氦元素，大约有75%的质量形成了氢元素，当然还有微量的锂元素（不过微量到了可以忽略，你手机中的锂电池就是它）。

据以上解释，科学家估计，通过观测我们现在的宇宙，氦的质量丰度应该在0.25左右，这一估计已经得到天文学家观测的验证，比如在银河系中氦丰度为0.29，在小麦哲伦星云中氦丰度为0.25，大麦哲伦星云中氦丰度是0.29等。这是大爆炸理论的又一验证。

这里你可能会有疑问了，为什么当初没再形成更重一些的元素呢？大爆炸理论对此的解释是，由两个质子与两个中子形成的氦原子核已经非常牢固，即使再有质子与中子碰撞发生聚合，也会瞬间解体为氦原子核。也就是说在形成氦原子核的这段时间，除了形成极微量的锂原子核外，不会合成更重的原子核。注意这时还未出现原子，仅仅是光秃秃的原子核，只有到了宇宙38万年的时候，各原子核才吸引周围的电子形成原子。至于更重的元素比如铁是怎么出现的，1956年英国天文学家霍伊尔、美国天文学家伯比奇夫妇、美国物理学家福勒共同提出了后来被命名为B2FH（四人首字母的组合，科学家的思维就是不一般，还用上平方）的理论，该理论认为重元素是通过恒星内部和恒星发生爆炸而产生的。目前科学界已经公认了这一理论。这里对霍伊尔再多说几句，前面我们提到“大爆炸”这个词正是霍伊尔反对该理论时所给的一个名字，原因是霍伊尔与前面我们在“奥伯斯佯谬”那里提到的英国天文学邦迪一样，是稳恒态宇宙理论的提出者，不过霍伊尔给出的解释更具体，因此名气也大些。稳恒态宇宙的基本观点是，宇宙类似一条稳定的河流呈现给我们的，它的整体图景稳定不变，主要表现在宇宙的平均密度保持不变。它并不反对宇宙的膨胀，但为了保持宇宙整体密度的稳定，就需要宇宙不断地产生物质出来。这一理论在宇宙微波背景辐射与氦丰度解释方面均不尽人意，因此未得到科学界的公认。



天文学上所言的暗物质是指一种不参加电磁作用物质，或者说它对光不发生作用，不发光、不反射、不折射、不散射，对光而言它就是一个透明体，但是它具有引力效应。目前天文学界已经发现了暗物质存在的多种证据，其中2011年《科学美国人》杂志再次报道了天文学家就银河系为何扭曲（指银河系的银盘就像被烤过的唱片一样）得出了最近结论，原来是银河系外围一个巨大的暗物质球形成的扰动引发的。

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