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第四节 大爆炸宇宙论

1929年,哈勃得出一个结论,其来源于星系红移与距离的关系,这个结论是说:Vf=Hc×D,其中,Vf表示远离速率,Hc表示哈勃常数,D表示相对地球的距离。哈勃定律表明,天体与退行速度成正比关系,也就是说距离越远,退行速度也就越大。不仅如此,无论身处哪个方位观测,天体都在远离我们。那么,就形成了三个疑问:第一,天体与退行速度成正比关系的原因。第二,此种退行在任何方向都是相同的情况,那是不是意味着我们就是这个宇宙的中心呢?第三,如若不是,那要用怎样的答案去解释这种情形?

星系膨胀涉及两种运动,我们可以这样理解,假如将宇宙中的星系看作是“分子”,那么“分子”具有其自身的本动速度,也就是流动元的无序运动速度,与之相对的就是它的膨胀速度。其反映的是物质在不同位置分布具有不均匀的性质,速度在每秒500千米。宇宙只有遵照哈勃定律而行,其均匀性才能得以保持。根据哈勃定律,只要距离超出20兆每秒,那么,膨胀速度就会高于本动速度。并且,哈勃定律所体现的是整个宇宙的膨胀规律,并非星系个体的运动规律。

我们可以利用两个例子来理解这个问题。吹气球时,气球会随着气体的增加而逐渐膨胀,无论我们在哪一个点观察,观察到的情况都是相同的,不存在中心,并且,其他的任意一点都在远离我们,而距离越远的速度也就越大。含有葡萄干的面包在发酵时,葡萄干的视觉感受也是一样的道理。也就是说,当面包发酵时,无论站在哪个葡萄干上观看,其他的每一个葡萄干都在远离自己,并且距离越远速度越大,无中心可言,所有的葡萄干的视觉都是相同的。

上述的例子说明了一个星系退行的真实状况,体现出宇宙随着时间的变化发展而不断地膨胀。时间是向前推移的,如果我们向后看,时间越往前,气球就会越小。那么,问题就产生了,宇宙的膨胀自何时开始的呢?

勒梅特(G.Lemaitre),比利时著名的宇宙学家、数学家,也是***神父,在1931年时,他提出了一个理论。说起这个理论,不得不提及大爆炸宇宙学,

虽然他并没有把自己的理论命名为大爆炸宇宙学,但其意义是相同的,并且他在宇宙学中最有影响、最有成就的思想就是大爆炸。他认为,起初,宇宙中所有的星系是一个统一的原始原子,各个星系聚居在一起而构成,但原始原子骤然爆裂,所有的星系就散落在宇宙的各个角落,宇宙中纷繁的星系也由此而生。

伽莫夫(Gamow G.),俄裔美国人,1948年,宇宙膨胀与元素形成被他有效地结合在一起,此结合奠定了大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为在大约150亿年前,宇宙大爆炸发生。宇宙虽然有限,却没有边界。

其实,宇宙的结构是一个逐渐演化而来的产物,也就是说,某一个时间之前,并没有所谓的宇宙。我们可以这样分析,将时间向前推移,有一天,宇宙的尺度仅仅是当下的百分之一,那么宇宙的密度就会是现在的100万倍,星系的密度就会小于宇宙的密度,那么星系将不复存在。

宇宙是一大片由微观粒子构成的温度很高的均匀气体,而时间越早,温度和密度就越高越大,当然这是在没有结构以前的宇宙。在温度高于104K时,中性的原子因粒子热运动能太大而无法形成。中性原子的形成温度是在3000K左右。其实,我们最早能够观测到的宇宙是2.7K背景辐射光子,这已经被视为历史遗迹了。它的形成原理是:当温度低于3000K时,中性原子由电子与原子核结合而成,作为散发光子的电子就不复存在。宇宙中的光子受电子的映射而散光,但没有了电子,光子也就得不到任何的映射,宇宙就是透明的,光子与物质无法密切配合;宇宙介质孤独存活,从而形成了2.7K背景辐射光子,也就是我们最开始看到的宇宙。

原子核的瓦解是在温度高达1010K时粒子发热碰撞使然。换言之,原子核与宇宙一样,都是逐渐演化而来。而起初的宇宙核合成的状态就是我们现在所观察到的1/4的氦丰度。

标准宇宙的疑难

标准宇宙模型已经具备了坚实的理论依据,人们对此很是信服,并且与观测到的真实情况匹配度也极高。但仍然存在视界疑难、准平坦性疑难和磁单极疑难等这些根本的困

难。

视界疑难

宇宙诞生的时候,会发出一个讯号,这个讯号在规定的时间内所运行的最多最远的距离就是视界。这个距离是空间两点之间彼此影响的最大距离,换言之,就是具有因果关系的最大距离,并且与宇宙的年龄成正比例关系。在标准宇宙模型下,大统一时代尺度范围囊括了(1026)3=1078 个没有因果关联的区域。原因在于,大统一时代的视界(3×10-26厘米)要比大统一时代的尺度(3厘米)足足小26个量级。

一切事物的均匀分布都自有它的原因,对于我们所观测到的尺度范围以内的物质的均匀分布,其唯一的可能就是在彼此的影

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