宇宙大爆炸學說主要依據與不足（一切開始的地方）

2023-06-20 14:51:47 5

簡介：宇宙大爆炸理論及其支持證據、微波背景、爆炸過程歷經的階段以及宇宙的終極命運。

宇宙的爆炸被稱之為大爆炸。在這篇文章中，我們將會探討宇宙大爆炸的理論是什麼，我們對理論的支持證據以及宇宙將會有一個怎樣的未來。

幾個世紀以來，人類凝視著星星並想知道宇宙是如何發展到今天的。這是一個有關宗教、哲學和科學的討論和辯論的主題。一些著名的科學家，像是阿爾伯特愛因斯坦、愛德文哈博和斯提芬霍金都曾盡力去揭開宇宙發展的奧秘。其中最著名和被最廣泛接受的宇宙發展的模型是大爆炸宇宙論，

大爆炸宇宙論早期聚焦於一個時刻，宇宙所有獨立的力量都是統一力量的一部分。你越往後看科學理論越崩潰。最終，你不能對正在發生的發表任何科學理論，因為科學本身並不適用。

圖源：lonewolfonline

如今，當我們注視夜空，我們看到星系被似乎是巨大的空曠空間所分離。在大爆炸最初的時刻，我們所能觀察到的所有的物質、能量和空間被壓縮到一個零體積無線密度的區域。宇宙學家將它稱之為奇點。

在那些最初的時刻，宇宙中有太多的能量以至於它無法形成物質。但是宇宙快速地擴大，這意味著它將變得不再那麼密集並冷靜下來。當它擴大，物質開始形成並且輻射開始失去能量。沒過多久，宇宙就由一個橫跨太空的奇點中誕生出來。

圖源：zhihu

大爆炸的結果之一就是宇宙中四個基本力量的形成。

這些力量是：

1、電磁

2、強大的核力量

3、弱核力量

4、重力

在大爆炸之初，這些力量都是統一力量的一部分。大爆炸開始後不久這些力量就被分散成它們如今這樣子。

儘管宇宙是複雜的，所有的物質都是由有限數量的粒子構成的，並且這些粒子相互作用方式可以被簡化為不超過四種的不同的相互作用。

許多物理學家和宇宙學家始終致力於構成大統一理論，這將解釋這四種力量是怎樣一度統一和它們是如何相互聯繫的。

大爆炸的證據

大爆炸理論是牢固的建立起來的並且有三條證據支持。從超速星繫到古氣雲，這有大量的證據表明，我們今天可以探測到宇宙大爆炸的殘留物，它講述了一個關於我們宇宙起源的清晰的故事。

一是宇宙正在膨脹-星系分開飛行，所以在過去，一切都很近並且必定曾在一個點上。

第二是宇宙微波背景輻射的發現，即年輕熱宇宙的餘暉。

三是恆星和氣團中輕元素氘、氦、鋰的豐度，如果它們是由大爆炸火球中的核過程形成的，那麼它們的豐度是可以預期的。

證據表明，大爆炸發生在13.77億年前。宇宙快速的膨脹了一小會兒時間，這個時期被叫做宇宙膨脹期，並持續快速膨脹和冷卻。質子（氫原子核）和中子在第一秒鐘內出現，三分鐘內合成輕元素的原子核。一億年後，第一批恆星開始在氫雲中生長。

宇宙微波背景

在38萬年後宇宙的溫度大概是2,727°C。這足夠讓質子和電子合併成氫原子氫原子。宇宙從等離子體（一碗帶電粒子的湯）變得中性，並允許光子在宇宙中自由穿梭。如今我們看到這些照片是因為宇宙在一個遠低於 -270°C的溫度下產生的。這些餘暉似乎是一個來自天空的虛弱的微波信號，最早在1965年被探測到。它準確的溫度在1990年被美國國家航空航天局宇宙背景探索者計劃測量，並且自此以後太空人細緻地描繪宇宙微波背景輻射的地圖。這些地圖揭露了一些熱和冷的點，顯示著在年輕宇宙上星繫結構生長密度高和密度低的地區。新的地圖正被能源審計計劃普朗克衛星製作。

圖源：prnasia

大爆炸的階段

1.奇點

利用廣義相對論對宇宙在時間上向後擴展的推斷，在過去的有限時間內產生了無限的密度和溫度。這種奇異性表明廣義相對論並不能充分描述這一領域的物理定律。僅僅基於廣義相對論的模型無法在普朗克時代結束後向奇點進行外推。

普朗克時間是一個光子以光速移動到距離等於普朗克長度的時間。這是「時間的量子」，對時間的最小測量，有任何意義，等於10-43秒。時間的劃分沒有任何意義。在我們今天理解的物理定律的框架下，我們只能說宇宙已經在10-43秒的年齡出現了。

2.膨脹

大爆炸最早期的階段受非常多的推測的影響。在最常見的模式中，宇宙充滿了均勻的和各向同性的高能量密度和巨大的溫度和壓力，並且快速的擴展和冷卻。大概膨脹了 10-37 秒，階段的轉變引起了一個宇宙的膨脹，宇宙呈指數增長，在這個過程中，由於不確定性原理而發生的時間密度波動被放大到後來形成大規模宇宙結構的種子中。

在膨脹結束以後，重新加熱將會發生，直到宇宙獲得了滿足夸克膠子等離子體和其他基礎粒子需求的溫度。溫度是如此之高以至於隨機的粒子都是以相對論速度，所有種類的粒子-反粒子都將在碰撞中繼續被創造和毀滅。

3.重子產生

宇宙的密度繼續減少，溫度繼續下降，因此每一個粒子的特有的能量都在下降。對稱破壞階段的轉變把物理學的基礎力量和基本粒子的參數轉化為了它們現在的形式。在大約10-11秒以後，因為粒子能量下降到一個可以被粒子加速器獲得的數值，這幅圖畫的風險性降低。

大約10-6秒，夸克和膠子結合形成了重子，如質子和中子。夸克對反夸克的少量過剩導致了重子對反重子的少量過剩。這就導致了目前宇宙中物質比反物質佔優勢地位。

溫度現在已經不再夠高去創造新的質子--反質子對（中子--反中子一樣），所以馬上發生了一次大規模的湮滅。在原始的1010個質子和中子中只剩下了一個，並且沒有它們的反粒子。

4.冷卻

膨脹的幾分鐘，當溫度大概是十億（一千百萬）開氏度和密度大概是大氣的密度時，質子與中子結合形成了宇宙的氘和氦核的過程被稱作大爆炸核合成。大多數的質子沒有結合成氫核。

當宇宙冷卻時，物質的剩餘質量能量密度在引力上主導光子輻射的質量能量密度。大約37.9萬年後，電子和原子核結合成原子（主要是氫）；因此，輻射與物質分離，並在很大程度上不受阻礙地繼續穿過太空。這種殘餘輻射被稱為宇宙微波背景輻射。在138億年前的大爆炸之後不久，當宇宙只有10-17百萬的年齡的這個宜居的紀元中，生命的化學可能已經開始了。

5.結構形成

經過很長一段時間以後，附近略微密集的地區均勻地分布物質，引力吸引附近的物質並且它們變得更密集，組成了氣雲，星星，星系和其他的如今可以觀察到的宇宙的結構。這個過程的細節決定於宇宙物質的數量和種類。這四種可能的物質的種類被稱作為冷暗物質，暖暗物質，熱暗物質和重子物質。

最好的測量是可獲得的，來自威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），它展示了數據與被假定為冷的暗物質的Λ冷暗物質模型是很吻合的（暖暗物質被早期的再電離排除），並且估計佔了宇宙物質/能量的23%，重子物質佔了約4.6%。

圖源：sina.

宇宙的加速

來自於Ia超新星和宇宙微波背景輻射的幾條獨立證據表明了宇宙如今是被一種被稱之為暗能量的神秘能量形式所支配，它顯然滲透了全宇宙。觀察顯示如今宇宙的全部能量密度的73%都是以這個形式存在的。當宇宙還很年輕時，它可能被暗能量注入，但是隨著越來越少的空間，一切變得更近，重力佔主導地位，它慢慢地打破了膨脹。但是最終，在經過數十億年的擴張後，生長充足的暗能量導致宇宙膨脹慢慢開始加速。