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大爆炸理论的实验根据

Big  Bang  Cosmology模型能统一地说明以下几个观测事实：

1.Big  Bang  Cosmology理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年，各种天体年龄的测量证明了这一点.

2.在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%.用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦.而根据Big  Bang  Cosmology理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实.

3.根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度.Big  Bang  Cosmology理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度.1964年美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特·威尔逊(Wilson)在一次检测天线噪音性能的实验中偶然发现了太空中存在波长为7.35cm的微波辐射，并且是一个各向同性的讯号.这个信号既没有周日的变化也没有季节的变化.这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射，对应到约为3K的宇宙空间黑体辐射.彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖.根据1989年11月升空的宇宙背景探测者测量到的结果，宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱.继COBE之后，比COBE角分辨率高近70倍的WMAP的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）于2001年进入太空，对宇宙微波背景辐射进行更精确的观测，WMAP测量到的结果显示宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.725±0.002K的黑体辐射谱，因此WMAP的功劳在于清晰地确认了COBE的成果.BigBangCosmology理论认为宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生.科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现，其温度确实比现在的温度要高.澳门发现，背景温度约为-263.89摄氏度，比现在测量的-273.89摄氏度的宇宙温度要高.

早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒(Doppler)红移，这些“星云”在朝远离我们的方向运动.如果运用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映.随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系.1929年哈勃(EdwinHubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究.当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系.现代精确观测已证实这种线性正比关系v=H₀×d，其中v为退行速度，d为星系距离，H₀为比例常数，称为哈勃常数.这就是著名的哈勃定律.哈勃定律揭示出宇宙是在不断膨胀的.这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀.因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大.当观测者或观测器面对星空时，他（或它）就位于R=∫₀^TC（t）dt的球心位置，C（t）是星际空间的光速，T就是他（或它）观测星空的时刻，以C（t）⊿t为半径的球面处的景象是在T时刻前⊿t时发出的光带来的景象映射，TC（t）为半径的球面处的景象是在观测前T时刻（也就是0时刻）发出的光带来的景象映射，这些景象是在T时刻同时映射到他（或它）的观测点的.可见在他（或它）的面前展现的是一幅时间间隔为0到T的宇宙景象的历史画面.离他（或它）越近的是时间越接近其观测时刻的景象，离他（或它）越远的是时间越遥远时的景象.近期的景象信号越强又最接近，故细节观测得越清楚；遥远的信号传输的时间和距离越久远，信号就最弱，越难分辨其面目.所以，任何观测者在任何地点、任何时候面对星空时，他都感觉自己是处于宇宙的中心，离它观测的时刻越久远，它看到的宇宙的范围就越宽广；离它观测的时刻越近，它看到的宇宙的范围就越窄小，他永远也看不到宇宙在他观测时刻的实时全景！从而，不同的观测者在任何地点、任何时候看到的宇宙景象，只有时间越久远的，才看得越一致；时间越近的，各人看到的差别就越大.就全景而言，各人的观察是不全相同的.一个人在平地上平视的视野不超过3公里，站在200米的高塔或山顶上，视野不超过30公里，这样的范围内他接受到的光信息时间差不足0.1毫秒，而通常人视觉的时间分辨率仅为10毫秒（如果一个人对距离一米处的图象能分辨1毫米的细节，那他对一公里外的物体，三米大小内的景象就无法辨明了，只有靠望远镜来提高空间分辨率）.从而，人们都以为在他视野中看到的一切都是瞬间发生的，都是他在观测的时刻发生的，是与他同时存在的事物.而以此经验去观测星空，他也以为离他多远的星体只是距离问题，没意识到时间上的差异.这也说明观测实际上已包含着光的性质（光速），如果光速是无穷大的，就没此问题；如果光速与声速一样，也只每秒数百米，那么信息传输的延迟现象就会非常明显了.我们也就不会先见闪电后闻雷声，或先见超音速飞机后听到飞机的轰鸣了.

在1998年由美国加里福里亚大学的劳仑斯伯克莱国家实验室的SaulPerlmutter教授和澳大利亚国立大学的BrainSchmidt所分别领导的两个小组通过对Ia型超新星爆炸的观测发现了我们宇宙的加速膨胀，他们指出那些遥远的星系正在加速地离开我们.^【1】

有许多实验的结果已与BigBangCosmology的预言相符，比如早在1948年，科学家预言BigBangCosmology后散落的残余辐射因为宇宙的膨胀而冷却，如今它的温度应为绝对零度以上5度.而在1965年，美国两位无线电工程师意外地发现了无线电接收器中无法阐明原因的噪声，后来知道它就是宇宙微波背景辐射，它的温度是绝对温度以上2.7度，与1948年的预言差不多.两位工程师因此获得了诺贝尔物理奖.拟用超导超级对撞机“模拟宇宙BigBangCosmology的space-time和物质状态”，为的是“验证”由相对论衍生出来的宇宙爆炸理论.

洛弗尔指出：“人们常认为BigBangCosmology理论中的单子是由宇宙一致性假说产生的数学难题.”标准的BigBangCosmology宇宙模型有极好的的数学对称性，一些物理学家认为这就是以数学方程解析Big  Bang Cosmology初始零点时会出现单子的原因.为了修正这个理论，有人就在模型中引入了和观测到的宇宙类似的不规则性，希望这能使起始状态有足够的不规则性而不至于一切都缩致一个点.然而霍金和埃利斯指出，根据他们计算，在已观测到的范围内，物质分布具有不均匀性的Big Bang  Cosmology理论在起点处仍会有单子.为了回避整个关于宇宙起源的问题，一些科学家提出了所谓达到“无限脉动宇宙模型”，即宇宙不断膨胀，收缩至单子，再膨胀，再收缩至单子，永远进行下去.然而物理学家温伯格在《最初的三分钟》里指出，随着每一次连续脉动，宇宙必产生某种递进的变化，因此必须有个起点，而不是可以无限回归，物质世界一直存在着，仍然面对着宇宙起源问题.

奇点物质是能级无限大的物质.根据相对论理论的宇宙能量方程V+U＝－K/2，当物质半径R→0时，曲率K→∞，能量V+U→－∞，其中动能V→0，势能U→－∞.R→0时的物质状态就是没有质点（没有大小）的奇点.据英国《星期日泰晤士报》报道，霍金与其合作者、英国剑桥大学数学物理教授图罗克最新提出的"开放暴胀"理论认为，宇宙最初的模样像一个豌豆的物体，悬浮于一片没有时间的真空，"豌豆"状的宇宙存在的时间与"大爆炸"相隔一个极短瞬间.该理论认为，"豌豆"状的宇宙在"大爆炸"前的瞬间内经历了被称为"暴胀"的极其快速的膨胀过程.宇宙在大爆炸后不到１秒的时间里膨胀了大约１０^３０倍，大约和橘子一般大小，然后开始以较稳定的速率膨胀，直到现在，大约１５０亿年，成为目前的样子.另外，霍金和图罗克还根据"开放暴胀"理论推断，宇宙最终将无限地膨胀下去，而不是像一些天文学家所认为的，膨胀到一定程度后会在引力作用下收缩.在这个过程中，物质“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命.这个模型暴胀期的长短是个关键.若稍短，物质为充分散开，原生宇宙就有重新坍缩为起点；若稍长，原生宇宙的物质则过于分散，形不成星系和恒星，自然也就不会出现生命和人类.１９８７年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型，两个大宇宙通过一个细“管子”连接起来，这个细管子称为“虫洞”，大宇宙为母宇宙，可能存在着从母宇宙分岔出去的另一端是自由的虫洞，这样的管子成为子宇宙、婴儿宇宙.就是说除了我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙.

１９９２年，萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说.母宇宙是空间闭合的，犹如一个黑洞，该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点，奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙.这个学说的要点是，子宇宙中的物理常数较之母宇宙的物理常数会有小的、或强或弱的随机变异，新生的婴儿宇宙在再次坍缩成奇点前能膨胀到几倍普克郎长度大小，随机变异的物理常数有可能允许小小的暴胀，子宇宙可变的较大，当它足够大时，可分隔为两个或更多的不同区域，每个区域又坍缩为一个新的奇点，新奇点又触发下一代的子宇宙，如此时代相传，有的小宇宙重又坍缩，有的具有某些基本常数值的宇宙能更有效的产生许多黑洞，从而较具有其他某些基本常数值的宇宙留下更多的后代，借用生物进化论的术语，它们是被“自然选择”下来的，经“选择”作用，产生越来越多的黑洞，也就形成了更多的宇宙.如果宇宙确是由以前的宇宙世代经过这种“自然选择”而产生的话，那么应该预期我们生存在其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数值.这个学说的另一要点是关于恒星的存在.在许多情况下，恒星是黑洞的前身.在气体和尘埃云中，恒星仍在形成.在碳尘埃微粒表面进行着的化学反应使气体冷却并促使气云坍缩.但碳尘埃粒子是从那里来的呢？斯莫林指出，碳元素是由核聚变反应产生的这一情况只有在质子的质量稍大于中子的质量时才会发生，如果两者质量之差比氦核的结合能大的多，则质子和中子不可能粘在一起形成氦核.没有氦，聚变反应链在第一阶段便终止了，根本形不成更重的元素，从而使恒星将少得多，自然也不会有多少黑洞，因此在任何一个宇宙中，若其中质子与中子的质量相差较大，将只能产生很少的宇宙，也就没有什么“选择”的余地了.

下面是science上关于宇宙形状的近期报道：时空结构将宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要结构连在了一起.但是究竟时空结构是什么，而CMB的测量又能告诉我们什么呢？在爱因斯坦的广义相对论中，空间和时间被连接在一个有弹性的“簇拓扑空间”——一个数学对象中，这个拓扑空间的每个小片粗看象一个四维的橡胶片.光线沿拓扑空间的轮廓前进，这个轮廓被叫做测地线.在一个平坦的平面上，从一个远距离对象发出的平行光将保持和它们接近一个观测者时同样远近的分隔.但是在一个有正曲率的表面，如一个球，接近的光线将移动更远的间隔，使得远处的物体看起来比正常物体更大.在一个有负曲率的表面，如一个马鞍，平行光束将更紧密的结合在一起，使得物体看起来更小.因为弯曲的簇拓扑空间对光的扭曲不同于扁平的簇拓扑空间，所以弯曲的簇拓扑空间也应该产生不同种类的CMB.用微波探测器观察到的1-degree-wide波正好是理论预言的扁平宇宙所应该有的，对于这个结论大部分物理学家至少希望用微波各向异性探针的（MAP'S）图象证实.一些研究者希望MAP将给出关于宇宙大小和形状的更多详细而精确的信息.“当我们看微波背景的时候，我们基本上留意到了球的表面，”普林斯顿大学的一个天体物理学家和MAP科学队的一个成员DavidSpergel解释道.如果宇宙是无限的，那么“最后散射的表面”将不能给出关于它的形状的线索.但是如果宇宙是有限的，那么时空和安置在时空当中的散射表面必需使它们自身向后弯.一个足够巨大的球将会把自己相交贯穿至少形成一个圆周，正如一个围绕着销子搭接起来的圆盘一样.实际上，Spergel说，因为光能通过不止一个路径穿过弯曲的时空，所以天文学家将看到一个交叉点不是一次而是两次，与一对圆周在天空的不同部分描绘出冷点和热点的方式相同.在美国的Spergel组和在巴黎天文台由Jean-PierreLuminet领导的组正在研制一些运算法则以搜索在MAP数据中的这种信号.其间，数学家JeffWeeks，一个纽约州的自由记者已经写了一个把一对圆周转化为宇宙模式的计算机运算法则.Weeks说，对形象化最容易的是一个“曲面（toroidal）”宇宙比最后散射的表面小.他指出，在包围着一个圆环面的两维宇宙中，天文学家看起来将在假想出的空间的盒子的相对的两个壁上看到同样的点.相似的，在三维曲面（toroidal）宇宙中，天文学家将在相对的方向看到三对圆周.toroidality仅仅是对扁平的有限宇宙来说10个不同toroidality之中最简单的一个.如果宇宙被证实是弯曲的——这一点在当前还不是事实——那么对Weeks的运算法则来说将会有无限多的可能性去尝试.“我们将开始尽可能快的关注任何可用的数据，”Weeks说.如果宇宙合作，他们可以不用等太长时间，Spergel说：“两年后，我们就能知道我们住在一个有限的宇宙中.”　注解：CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波.这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射.CMB也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景

霍金和图罗克的新理论在科学界引起了不同的反应."暴胀"理论权威之一、俄罗斯物理学家林德对霍金等的理论提出了批评.林德称，宇宙自始至终存在，试图发现一个起点和所谓的终点是没有意义的.而英国的一些著名天文学家则出言谨慎.他们指出，霍金的新理论完全是按照物理学定律纯理论推算的结果，它是否揭示了宇宙的本质还有待干实际观测的考验.据悉，美国将于两年后发射一颗卫星来测量宇宙大爆炸遗留的微波辐射，这很可能为霍金的理论提供检验.霍金曾经花了很长一段时间去研究宇宙大挤压(反演)，爱因斯坦的宇宙学公式曾预言也许有这么一个演化阶段存在.那是一个逆演着的时空过程，物理理论几乎全部翻了过来，得出的结论也太荒谬.最后，霍金也不得不放弃他的这个研究.

对于这个“宇宙学的黄金时代”，科学出版社出版的《10000个科学难题（物理学卷）》一书开篇，中国科学院理论物理研究所的李淼教授也把大爆炸之前宇宙是什么样子回答清楚了.李淼教授说，大爆炸之前宇宙是什么样子？现在流行的看法是，在物质产生之前，宇宙经过一个剧烈膨胀时期，叫暴涨时期.研究暴涨时期的“之前”有物理意义.因为，即使时间不复存在，我们可以问取代时间的概念是什么？近年来关于量子引力的研究结果建议我们用抽象的代数来取代几何概念，就是说，不但时间不复存在，就是空间也不复存在了.这种抽象概念无法用寻常的图像来解释，就像温度这个宏观概念，用到极端如越来越小的体系时，温度会不在适用，而更加正确的概念是分子原子的运动.不过，我们现在还不能肯定暴涨之前时间和空间肯定消失了，因为还存在一些其他理论.其次，一门学科成熟的标志是研究进入误差很小的定量化阶段，2006年诺贝尔物理学奖授予20世纪90年代初的一项实验发现，授奖的一个重要原因是，这项发现再次证实了大爆炸理论，因为大爆炸理论预言了微波辐射的涨落.

按照爱因斯坦的论述（1919年），理论有两大类.一类他称为“构建性理论”，气体动理论就是这类理论的一个范例.另一类他称为“原理性理论”，经典热力学和相对论是这类理论的范例.笔者认为，大爆炸理论应当为“构建性理论.”