宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)

羅方揚(yáng)

我們的宇宙是從哪里來(lái)的，又是怎么形成的？這個(gè)問(wèn)題從人類開始仰望星空的時(shí)候就已經(jīng)產(chǎn)生了。

在古代，世界各民族對(duì)天地構(gòu)造、形成等都有自己的一套說(shuō)法，比如中國(guó)古代就有“蓋天說(shuō)”和“渾天說(shuō)”。

到了18世紀(jì)后期，德國(guó)哲學(xué)家康德和法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯對(duì)太陽(yáng)系的形成各自提出了看法，后人把他們的理論合稱為“康德-拉普拉斯星云說(shuō)”。這一學(xué)說(shuō)解釋了太陽(yáng)系的形成，但是沒(méi)有解釋宇宙的形成。

到了20世紀(jì)40年代，俄裔美籍科學(xué)家伽莫夫等人正式提出了“宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)”。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為，在130多億年前，我們今天能觀測(cè)到的全部物質(zhì)都縮小在一個(gè)奇點(diǎn)中，奇點(diǎn)的溫度極高，密度極大。然后便發(fā)生了大爆炸，現(xiàn)在所有的物質(zhì)和空間、時(shí)間都是大爆炸的產(chǎn)物。爆炸后的10-6秒至1秒，包括質(zhì)子和中子在內(nèi)的強(qiáng)子開始形成。爆炸后1秒到10秒，宇宙進(jìn)一步冷卻，由輕子主宰。10秒后，宇宙能量轉(zhuǎn)而由光子主導(dǎo)?；瘜W(xué)元素的形成開始于大爆炸后10秒至20分鐘內(nèi)，這個(gè)階段非常重要，決定了今天宇宙的基本化學(xué)組成。約在大爆炸30萬(wàn)年后，氫原子和氦原子開始形成，經(jīng)歷復(fù)合過(guò)程后，宇宙變得透明，光子在其中幾乎通行無(wú)阻，此后才逐步形成現(xiàn)在的宇宙。

伽莫夫剛提出這個(gè)學(xué)說(shuō)的時(shí)候，這些內(nèi)容簡(jiǎn)直匪夷所思，所以沒(méi)人相信。隨著觀測(cè)上的一些進(jìn)展，該學(xué)說(shuō)才被人們逐步接受。概括說(shuō)來(lái)，宇宙大爆炸有3個(gè)非常有力的證據(jù)：

第一個(gè)證據(jù)是星系的退行。人們通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，河外星系都在高速遠(yuǎn)離地球， 而且距離越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離地球的速度越快，有點(diǎn)像炮彈爆炸后彈片飛射出去的樣子。換句話說(shuō)，也就是宇宙在膨脹。這是美國(guó)科學(xué)家哈勃在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)的。

第二個(gè)證據(jù)是微波背景輻射。根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙早期是極端高溫的，但是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的膨脹冷卻，現(xiàn)在的溫度大約為3開爾文，輻射的波長(zhǎng)位于微波波段，而且總體上的分布呈各向同性。這種微波輻射，伽莫夫早在1946年就預(yù)測(cè)過(guò)，但是由于技術(shù)原因，無(wú)法實(shí)現(xiàn)觀測(cè)。到了1960年，美國(guó)科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在測(cè)試一架喇叭形天線時(shí)，不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)天文學(xué)上的重大進(jìn)展，為此兩人在1978年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第三個(gè)證據(jù)就是化學(xué)元素氦的豐度。目前的觀測(cè)表明，無(wú)論是在太陽(yáng)還是在絕大多數(shù)其他恒星或星系上，都存在氦元素，而且含量大致相同，都是25%左右。這個(gè)氦豐度問(wèn)題無(wú)法用熱核反應(yīng)來(lái)解釋，但是根據(jù)大爆炸理論，在大爆炸后10秒至20分鐘內(nèi)，有大約25%的物質(zhì)聚合成氦。這個(gè)理論值和現(xiàn)在實(shí)際觀測(cè)值非常符合。

在描繪這種“硬核”、前沿且誕生多項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的題材時(shí)，采用宇宙微波背景輻射圖作為背景，再配上天文臺(tái)和氦原子結(jié)構(gòu)圖來(lái)表現(xiàn)。圖中藍(lán)黃色的是宇宙微波背景輻射圖，中間畫了仙女座大星系，右邊則是氦原子圖。

（責(zé)任編輯：白玉磊）