大爆炸宇宙学说

哈勃的“红移定律”预示着宇宙在膨胀，此后纷纷出笼的宇宙模型都把哈勃红移考虑在内。实际上早在1922年弗里德曼就假设了宇宙在大尺度上的均匀和各向同性，利用引力场方程推导出了描述空间上均匀且各向同性的弗里德曼方程，并根据他算出的场方程解，提出了一个宇宙模型：整个宇宙空间不是静态的，随着时间的流逝而改变，空间的度规性质和任何两点之间的距离也随着时间一起改变。宇宙空间不是在膨胀着，就是在收缩着。

1929年，比利时数学家和天文学家勒梅特（Georges Lematre，1894－1966）在求解弗里德曼方程的基础上提出，在几十亿年前宇宙中的全部物质都聚集在唯一的一团“原初原子”里——有时也被称作“宇宙蛋”。根据勒梅特的估计，宇宙蛋的尺度不比地球到太阳之间的距离更大些。在这样一个体积内包含了宇宙的全部质量，所以密度极其巨大，并且很不稳定，不断发生衰变，于是物质便向四面八方飞散延伸，宇宙空间便这样膨胀开来。

到20世纪的40年代，美籍俄裔物理学家伽莫夫（George Gamow，1904－1968）和他在乔治·华盛顿大学的博士生阿尔法（Ralph A.Alpher，1921－2007）为了解释宇宙中元素的形成，提出在宇宙膨胀初期存在过一个高温高密的“原始火球”。在这样一个特殊状态中，同时存在着质子、中子、正负电子和中微子，并处于一种平衡状态。随着宇宙膨胀，温度降低，平衡过程被破坏，一部分中子因β衰变成为质子和电子，质子由于俘获中子成为重质子。这样，由于反复发生中子俘获或质子俘获和β衰变，形成了更重的元素。

为了让他的理论叫起来响亮一点，伽莫夫拉了著名核物理学家贝蒂一起署名，于是这一理论被称作αβγ（Alpher，Bethe ＆Gamow）理论。作为该理论的一种竞争理论的提出者，剑桥大学天文学家霍伊尔（Fred Hoyle，1915－2001）在1949年的一次BBC广播节目中把它戏称为“大爆炸”（the Big Bang）理论。霍伊尔认为宇宙不会在一声爆炸中产生，一些传闻认为他这样讲是出于讽刺，但霍伊尔本人明确否认了这一点，他声称这只是为了着重说明两个模型的显著不同之处。不管怎样，霍伊尔成了这个现在几乎已经家喻户晓的流行宇宙理论的命名者。

大爆炸理论提出了几项可用观测验证的预言，其中最早也最直接的观测证据包括从星系红移观测到的宇宙膨胀、宇宙间轻元素的丰度、对宇宙微波背景辐射的精细测量等，现在大尺度结构和星系演化也成为了大爆炸学说新的支持证据。

弗里德曼和勒梅特分别在1922年和1927年就各自从广义相对论场方程推算出宇宙正在膨胀的结论，都要早于哈勃在1929年所进行的实测和分析工作。哈勃红移定律确立之后，宇宙膨胀的理论后来成为建立大爆炸理论的基石。

伽莫夫等人的大爆炸模型本来就是研究元素形成的副产品，用他们的理论可以计算氦－4、氦－3、氘和锂－7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中的丰度。所有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。大爆炸理论所推测的轻元素比例大约为：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，结果是粗略符合。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。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。事实上除大爆炸理论以外，很多观测结果也没有其他理论可以提供解释，例如为什么早期宇宙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。

关于宇宙微波背景辐射的形成，大爆炸理论的解释是这样的：在宇宙大爆炸发生之初，原始火球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^[17]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”，这一过程本质上就是汤姆孙散射。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K时，电子和原子核开始结合成原子，这一过程称为复合。由于光子被中性原子散射的几率很小，当几乎所有电子都与原子核发生复合之后，光子的电磁辐射与物质脱耦，这一时期大约在大爆炸后三十七万九千年，被称作“最终散射”时期。这些光子构成了可以被今天人们观测到的背景辐射。随着宇宙的膨胀，光子的能量因红移而随之降低，落入了电磁波谱的微波频段。大爆炸理论预言这种微波背景辐射是各项同性的，对应的辐射温度为5 K。

在大爆炸理论提出之后，普林斯顿大学的迪克（Robert H.Dicke，1916－1997）根据伽莫夫的理论也在进行宇宙学研究，在1964年他也预言了高于绝对零度以上几度的背景辐射。迪克的小组还开始建造一台仪器来探测这种辐射以检验这一理论。与此同时，贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯（Arno Penzias，1933－ ）和威尔逊（Robert Wilson，1936－ ）正在校正为测试卫星通讯而设计的号角式反射天线。他们以极大的耐心追踪和消去各种干扰源。但是他们发现，有一种无法解释的背景噪声来自天空的各个方向，对应的温度大约是3.5 K。他们向迪克咨询引起这种噪声辐射的可能原因，不料获悉他正在积极寻找他们已经找到的东西——大爆炸宇宙理论预言的微波背景辐射。1978年彭齐亚斯和威尔逊因他们的意外发现与苏联低温物理学家卡皮查（Pyotr L.Kapitsa，1894－1984）分享了该年度的诺贝尔物理学奖。

对于宇宙微波背景辐射还有一个需要深入研究的特征就是它的各向同性。如果宇宙微波背景辐射是绝对地各向同性的话，宇宙就应该是绝对平坦的，那么就难以解释我们观测到的宇宙中恒星的成团倾向，也就是在星系、星系团和超星系团这样的大尺度上物质密度的不均匀性。因此一些科学家推断，宇宙在其大爆炸之初必定有一种微小的起伏，就像平静湖面上的微小涟漪。宇宙的这种微小“涟漪”，反映了宇宙大爆炸之初的微小不规则。正是因为有了这种不规则，宇宙才能演化成为现在这样的丰富结构。

萨克斯（Rainer Kurt Sachs，1932－ ）和乌尔夫（Arthur Michael Wolfe，1939－ ）在发表于1967年《天体物理学报》（APJ）上的一篇文章中首先提出引力势能微扰对宇宙微波背景的影响。在物质密度大的地方这种微扰是正的，在物质密度小的地方这种微扰是负的。辐射光子爬出大密度的引力势井时要损失能量。这样，萨克斯和乌尔夫从宇宙的大尺度结构预测了宇宙微波背景辐射的各向异性。他们还预测反映这种各向异性的温度起伏在1%左右。后来的观测证明他们预言的这种起伏度过大了，但他们的理论开创之功是不可埋没的。

1981年古斯（Alan Guth，1947－ ）提出的宇宙暴胀理论是宇宙大爆炸学说的发展，该理论用一个极高速膨胀的时期来解释大爆炸理论所假设的宇宙早期的超级平坦。暴胀理论预言了早期宇宙一种统计上的各向异性，这种各项异性在量子引力理论框架内被解释成早期宇宙的一种量子起伏。量子起伏只影响很小的局部空间，但是随着宇宙的暴胀，这种微小起伏在时空的大尺度结构上体现了出来。按照古斯的理论，宇宙是非常平坦的，但不是绝对平坦。所以宇宙微波背景辐射的各向同性在相当大程度上是成立的，它的各项异性起伏在十万分之一的量级上才体现出来。

然而也有怀疑者们认为不会有什么宇宙微波背景辐射的各向异性被发现，因而大爆炸学说解释不了星系和星系团的形成。而且理论计算表明这种各向异性的程度必须恰到好处才行，过大或过小，都不能按大爆炸学说预言的方式形成现在的宇宙。

1989年，美国NASA发射了宇宙背景探测者卫星（COBE），1990年COBE的“远红外绝对分光广度计”小组宣布，宇宙微波背景辐射非常精确地等同于绝对温度为2.725±0.001 K的黑体辐射。这个结果否定了早先有些人提出的宇宙微波背景辐射不同于黑体辐射的结论。很多科学家把这个结果看做是宇宙热大爆炸学说无可争辩的观测事实。1992年，由乔治·斯穆特（George F.Smoot，1945－ ）领导的小组发文宣布，宇宙微波背景辐射有十万分之一的各向异性起伏。这个起伏量恰好是大爆炸理论解释我们观测到的这个宇宙之所以能够形成所需要的。约翰·马瑟（John C.Mather，1946－ ）和乔治·斯穆特因领导了COBE探测计划而获得2006年度诺贝尔物理学奖。COBE除了证实宇宙微波背景辐射为黑体辐射和它的各向异性之外，还在早期星系、星际尘埃、宇宙暗物质、暗能量等多个宇宙学领域取得了重要成果，大大地推动了宇宙学研究的进程。

图11.3　COBE的宇宙微波背景辐射精确辐射谱

图11.4　宇宙微波背景辐射的各向异性起伏：WMAP以更高的精度验证了COBE的观测结果

2003年初，威尔金森微波各向异性探测器（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。WMAP的探测结果还否定了某些具体的宇宙暴胀模型，但总体而言仍然符合广义的暴胀理论。2009年5月，普朗克卫星作为用于测量微波背景各向异性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性进行更精确的测量，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。

经过暴胀理论修正的大爆炸理论固然能解释许多观测事实，但一些新的观测事实也不停地挑战大爆炸理论。例如，20世纪70至80年代进行的多种观测显示，宇宙中可见的物质含量不足以解释所观测到的星系内部以及星系之间彼此产生的引力强度。这就导致了科学家猜测宇宙中有含量多达90%的物质都属于不会辐射电磁波也不会与普通重子物质相互作用的暗物质。尽管暗物质这一概念在刚提出时还存在争议，但有多种观测都显示了它的存在，包括微波背景辐射的各向异性、星系团的速度弥散、大尺度结构的分布、对引力透镜的研究、对星系团的X射线观测等。如要证实暗物质的存在，需要借助它与其他物质的引力相互作用，但至今还没有在实验室中发现构成暗物质的粒子。至今物理学家已经提出了多种粒子物理学理论来试图解释暗物质，同时实验上也存在多个直接观测暗物质的探测计划。

另外，对Ia型超新星红移—星等之间关系的测量揭示了宇宙在现有年龄的一半时，它的膨胀开始加速。哈勃当年曾经通过一种被称为“标准烛光”的天体“造父变星”来获得遥远星系的距离。但是在更遥远的距离上，即使在最大的望远镜里造父变星也暗弱得看不见了。这时天文学家们找到了另一种“标准烛光”——Ia型超新星。天文学家把超新星分为I型和II型，其中II型超新星是比太阳大好几倍的大质量恒星演化到最后产生爆炸的结果；I型超新星被认为是质量大约为1.4倍左右太阳质量的白矮星吸积伴恒星的物质到一定程度时发生的爆炸，细分为Ia、Ib和Ic型。Ia型超新星之所以也被称为“标准烛光”，是因为它们爆发时光度的最大值也是可以根据光变特征来确定的，这意味着可以通过观测它们的视亮度来确定它们的距离。而且Ia型超新星爆发的亮度相当于整个星系的亮度，这就意味着它们可以在非常遥远的距离上被观测到。

到1999年春天，美国天文学家索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter，1959－）的研究小组已经积累了80个Ia型超新星的资料，它们的光线来自70亿光年之远的星系。结果显示这些70亿年远的星系的退行速度要慢于10亿光年远的星系的退行速度。这就意味着10亿年前的宇宙膨胀得比70亿年前的宇宙快。也就是说宇宙在加速膨胀！

如要解释这种加速膨胀，广义相对论要求宇宙中的大部分能量都具有一个能够提供负压的因子，即所谓“暗能量”。还有其他若干证据显示暗能量确实存在：对微波背景辐射的测量显示宇宙空间是近乎平直的，从而宇宙的能量密度需要非常接近临界密度；然而通过引力汇聚对宇宙质量密度的测量表明，宇宙的能量密度只有临界密度的30%左右。由于暗能量并不像普通质量那样发生正常的引力汇聚，它是对那部分“丢失”的能量密度的最好解释。

2008年WMAP团队给出了结合宇宙微波背景辐射和其他观测数据的结果，显示当今的宇宙含有72%的暗能量、23%的暗物质、4.6%的常规物质和少于1%的中微子。其中常规物质的能量密度随着宇宙的膨胀逐渐减少，而暗能量的能量密度却（几乎）保持不变。从而宇宙过去含有的常规物质比例比现在要高，而在未来暗能量的比例则会进一步升高。

在当前大爆炸理论中最佳的“冷暗物质”（ΛCold Dark Matter）模型中，暗能量被解释为广义相对论引力场方程中的宇宙项。宇宙的加速膨胀暗示着一种宇宙斥力——即爱因斯坦方程中的宇宙项所表示的那种力——的存在！看起来爱因斯坦认错认得太早了！当然，还有人从其他途径解释暗能量。在宇宙项和其他解释暗能量的替代理论之间做出比较和选择是当前大爆炸理论研究领域中最为活跃的课题之一。

在大爆炸理论框架下，我们宇宙的未来有两种图景。图景一：如果宇宙能量密度超过临界密度，宇宙会在膨胀到最大体积之后坍缩，在坍缩过程中，宇宙的密度和温度都会再次升高，最后终结于同爆炸开始相似的状态——即“大挤压”。图景二：如果宇宙能量密度等于或者小于临界密度，膨胀会逐渐减速，但永远不会停止。恒星形成会因各个星系中的星际气体都被逐渐消耗而最终停止；恒星演化最终导致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相当缓慢地，这些致密星体彼此的碰撞会导致质量聚集而陆续产生更大的黑洞。宇宙的平均温度会渐近地趋于绝对零度，从而达到所谓“大冻结”。此外，倘若质子真像标准模型预言的那样是不稳定的，重子物质最终也会全部消失，宇宙中只留下辐射和黑洞，而最终黑洞也会因霍金辐射而全部蒸发。宇宙的熵会增加到极点，以致于再也不会有自组织的能量形式产生，最终宇宙达到热寂状态。

现代观测发现宇宙加速膨胀之后，人们意识到现今可观测的宇宙越来越多的部分将膨胀到我们的事件视界以外而同我们失去联系，这一效应的最终结果还不清楚。在ΛCDM模型中，暗能量以宇宙项的形式存在，这个理论认为只有诸如星系等引力束缚系统的物质会聚集，并随着宇宙的膨胀和冷却到达热寂。一些其他的解释暗能量的理论则认为最终星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物质都会在一直持续下去的膨胀中被撕开，从而达到所谓的“大撕裂”。