宇宙大爆炸理論

大霹靂理論

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根據大爆炸理論，宇宙是由一個緻密致熱的奇點膨脹到現在的狀態的。



物理宇宙學



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宇宙年齡
大霹靂
藍移
Comoving distance
宇宙微波背景輻射
暗能量
暗物質
FLRW metric
Friedmann equations
星系形成
哈柏定律
Inflation
大尺度結構
Lambda-CDM model
Metric expansion of space
Nucleosynthesis
可觀測的宇宙
紅移
宇宙形狀
Structure formation
大霹靂的時程
宇宙的時程
宇宙的終極歸宿
宇宙

相關主題



天文物理
廣義相對論
粒子物理
量子重力


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大霹靂理論（Big Bang）是天體物理學關於宇宙起源的理論。根據大霹靂理論，宇宙是在大約140億年前由一個密度極大且溫度極高的狀態演變而來的。本理論產生於觀測到的哈柏定律下星系遠離的速度，同時根據廣義相對論的弗里德曼模型，宇宙空間可能膨脹。延伸到過去，這些觀測結果顯示宇宙是從一個起始狀態膨脹而來。在這個起始狀態中，宇宙的物質和能量的溫度和密度極高。至於在此之前發生了什麼，廣義相對論認為有一個引力奇點，但物理學家對此意見並不統一。
大霹靂一詞在狹義上是指宇宙形成最初一段時間所經歷的劇烈變化，這段時間通過計算大概在距今137億（1.37 × 1010）年前；但在廣義上指當今流行的揭示宇宙起源和膨脹的理論。這一理論的直接推論是我們今天所處的宇宙同昨天或者明天的宇宙不同。根據這一理論，喬治·伽莫夫在1948年預測了宇宙微波背景輻射的存在。1960年代，這一輻射被探測到，有力地支持了大霹靂理論，從而否定了另一個比較流行的穩恆態宇宙理論。





目錄[隐藏]

1 發展歷史
2 理論
3 證據

3.1 哈柏定律和宇宙膨脹
3.2 宇宙微波背景輻射
3.3 原始物質豐度
3.4 星系演變和分佈
4 疑點和反對意見
5 宇宙的未來
6 哲學和宗教意義
7 外部連結



[編輯] 發展歷史
大霹靂理論是通過實驗觀測和理論推導發展的，在實驗觀測方面，1910年代，維斯特·斯里弗爾（Vesto Slipher）和卡爾·韋海姆·懷茲（Carl Wilhelm Wirtz）證實了大多數旋渦星系正在退離地球，不過他們並沒有因此聯想到這對宇宙學意味著什麼，也不認為發現的星雲其實是銀河系外的其他星系。同時在理論上，愛因斯坦的廣義相對論成功建立並推出沒有穩定態宇宙。通過度量張量描述的宇宙不是膨脹就是收縮，愛因斯坦認為他自己解錯了，並加入了一個宇宙學常數來進行改正。第一個不使用宇宙學常數，而真正認真將廣義相對論運用到宇宙學中的是亞歷山大·弗里德曼，他的方程所描述的宇宙稱為Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker宇宙，時間是1922年1927年，比利時天主教牧師勒梅特獨立推導出Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程，並在螺旋星雲後退現象的基礎上提出了宇宙是從一個「初級原子」「爆炸」而來的—這就是後來所謂的大霹靂。
1929年，愛德文·哈勃為勒梅特的理論提供了實驗條件。哈柏證明這些旋渦星雲其實是星系，並通過觀測造父變星測算出了他們的距離。他發現，星系遠離地球的速度同它們與地球之間的距離剛好成正比，這就是所謂霍伊爾的穩恆態宇宙模型。在穩恆態宇宙模型里，新物質在星系遠離留下的空間中不斷產生，從而宇宙基本不變化。其實這個理論的名稱是出於霍伊爾的諷刺，他在1949年通過BBC廣播節目形式傳播的，論文《物質的特性》（The Nature of Things）發表於1950年。
之後的許多年，這兩種理論並立，但觀測事實開始支持一個演變於熱密狀態的宇宙。1965年宇宙微波背景輻射的發現使人們認為大霹靂理論是宇宙起源和演變最好的理論。1970年以前，很多宇宙學家認為宇宙可能在膨脹以前先收縮，這樣可以避免從弗里德曼模型推出一個無限緻密的「荒謬」的奇點。比較有代表性的是Richard Tolman的脈動宇宙模型（oscillating universe）。1960年代末，史蒂芬·霍金等人證明這個假設行不通，因為奇異點是愛因斯坦引力理論的直接和重要推論。之後大多數宇宙物理學家開始接受廣義相對論所描述的宇宙在時間上是有限的。但是，由於對於量子引力規律缺乏認識，現在還不能斷定這個奇異點到底是真正集合意義上的無限小點，還是物理收縮過程可以無限進行下去，從而間接達到宇宙在時間上無限。
現在宇宙物理學的幾乎所有研究都與宇宙大霹靂理論有關，或者是它的延伸，或者是進一步解釋，例如大霹靂理論下星系如何產生，大霹靂時發生的物理過程，以及用大霹靂理論解釋新觀測結果等。90年代後期和21世紀初，由於望遠鏡技術的發展和人造探測器收集到大量數據，大霹靂理論又有了新的巨大突破。大霹靂時期宇宙的情況和數據可以計算得更加精確，併產生了很多意想不到的結果，比如宇宙的膨脹在加速。參閱暗能量

[編輯] 理論
大霹靂理論測算出宇宙的年齡是 137±2 億年，這一計算是通過對Ia型超新星的觀測，對宇宙背景輻射強度的測量，以及對星系相關函數的測量得出的。這三個獨立測算所得到的結果一致，從而被認為是所謂更詳細描述宇宙中星系性質的 Lambda-CDM model 的有力證據。早期的宇宙充滿了同源同性的物質，其溫度、壓強、能量都極高。隨著膨脹和冷卻，宇宙物質經歷了相變，這種相變與蒸氣冷卻時的凝結過程和水的凝固過程相似，不同之處在於前者發生在更基本的粒子層面上。
普朗克時期之後大約 10-35 秒，相轉變引起宇宙產生指數級增長，稱為暴脹。之後暴脹停止，此時宇宙的物質形式是夸克-膠子電漿體，這些物質的運動都符合相對論。宇宙繼續在空間上膨脹，溫度繼續下降。在某一溫度下，一種至今未知的所謂重子相變的相變產生，夸克和膠子組成重子，就是質子和中子，同時還在物質和反物質之間產生了不對稱性，這種不對稱性已經被實驗證實。隨著溫度進一步降低，更多無對稱的相變發生，形成了現在的基本粒子和基本相互作用。之後，一些質子和中子結合，組成氘和氦的原子核，這個過程叫做大霹靂核合成。隨著宇宙的冷卻，靜止質量的能量密度以引力形式存在，並超過輻射形式的能量密度。在大約 30 萬年之後，電子和原子核結合成為原子（主要是氫原子），而物質通過脫耦發出輻射並在宇宙空間中相對自由的傳播，這就是今天的宇宙微波背景輻射。
隨著時間的前進，在幾乎是均勻分佈的物質空間中，密度稍微大一點兒的區域通過引力作用吸引附近的物質，從而變得密度更大，並形成今天的氣體雲、恆星、星系和其他天文學觀測到的結構。具體過程決定於宇宙物質的形式和數量，其中形式可能有三種：冷暗物質、熱暗物質和重子物質。



[編輯] 證據
一般來說，大霹靂宇宙學理論有三個觀測基礎：

星系紅移為基礎的哈柏膨脹；
宇宙微波背景的細緻測量；
輕物質豐度（參見大霹靂核合成（Big Bang nucleosynthesis））。
另外，觀測到的宇宙大尺度結構的相關函數符合標準大霹靂理論。

[編輯] 哈柏定律和宇宙膨脹
參見哈柏定律。

[編輯] 宇宙微波背景輻射
參見宇宙微波背景輻射。



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異向性探測器（WMAP）拍攝到宇宙在大霹靂誕生後宇宙微波背景的影像
宇宙微波背景輻射是從離地球130億光年（一光年約九兆四千六百億公里）外的地方射過來，是宇宙大霹靂剛發生之後的38萬年產生的，在宇宙誕生之初，溫度極高，隨後逐漸冷卻，目前相當於絕對溫度2．7度（零下270．46攝氏度），是為「3K宇宙微波背景輻射」，被稱為微波背景輻射的「餘燼」，是宇宙中最古老的光。由於宇宙不斷膨脹，根據廣義相對論，宇宙微波背景輻射的波長會不斷被拉長。

[編輯] 原始物質豐度
參見大霹靂核合成。

[編輯] 星系演變和分佈
參見宇宙大尺度結構，奧伯斯佯謬。

[編輯] 疑點和反對意見
宇宙大霹靂理論在其發展的過程中產生了一些疑點和問題，其中有些隨著觀測和理論的不斷完善得到了解決，而成為了歷史，但也有一些問題至今沒有圓滿解決，諸如銀暈尖點問題（Cuspy halo problem）、冷暗物質的矮星系問題（dwarf galaxy problem）等。有些人認為這些問題並不是大霹靂理論的致命問題，通過大霹靂理論的進一步發展可以得到解決。
大霹靂理論的主要疑點和問題有:

視野問題（horizon problem）；
均勻度問題（flatness problem）；
磁單極問題（Magnetic monopoles）；
重子不對稱（Baryon asymmetry）；
球狀星團的年齡（Globular cluster age）；
暗物質；
暗能量。

[編輯] 宇宙的未來
在發現暗能量之前，宇宙學家認為宇宙有兩種未來。如果宇宙物質密度超過臨界密度，宇宙會在膨脹到最大體積之後收縮，在收縮過程中，宇宙的密度和溫度都會再次升高，最後終結於同爆炸開始相似的狀態——一個緻密緻熱的小球。或者如果宇宙物質密度等於或者小於臨界密度，膨脹會逐漸減速，但永遠不會停止。造星運動會隨宇宙密度減小而逐漸停止，而宇宙的溫度會趨近於絕對零度。黑洞被氣化，宇宙的熵會增加到極點，再也不會有有組織的能量形式產生，這叫做熱寂說。如果質子衰變存在，宇宙最後甚至連氫原子這種最基本最多的重子物質都會消失，而只剩下輻射。
但現在在發現宇宙加速膨脹之後，人們有了新的推測：現今可觀測的宇宙將離開我們的事件視界而同我們失去聯繫，最終結果還不清楚。Lambda-CDM model宇宙模型認為宇宙的暗能量以宇宙常數形式存在，並提出只有諸如星系等重力支配系統的物質會聚集，從而同樣推出宇宙膨脹和冷卻到最後將是熱寂說。對暗能量的其他解釋，例如幻影能量理論（phantom energy）則認為星系群甚至星系都會在大分離過程中被「撕」開。
參見宇宙最終歸宿（Ultimate fate of the universe）

[編輯] 哲學和宗教意義
哲學上，有一些對大霹靂理論詮釋完全主觀和超越科學。一些詮釋企圖解釋大霹靂的原因(第一因)，被自然主義的哲學家批評為現代的世界起源神話。一些人相信大霹靂理論支持傳統的世界起源觀點，譬如在創世記所載的，另一些人認為所有大霹靂理論都與傳統觀點不合。
大霹靂理論本身是純粹的科學理論，不與宗教關連。但是一些基督教教會，包括羅馬天主教教會已經接受大霹靂理論，把它作為哲學上宇宙起源的一種描述。庇護十二世教宗對推廣大霹靂理論很熱心，儘管當時的理論並不完善。
根據佛教理論，「大霹靂」並不存在。由於因果律的連續性，宇宙為「過去無始，未來無終。」「引力奇點」不會憑空產生，而爆炸背後必有「因」。

[編輯] 外部連結

宇宙學模型（英文）


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