第八章：聚合宇宙——終結宇宙大爆炸理論 第一節：宇宙大爆炸的證據
宇宙大爆炸（簡稱“大爆炸”）是描述宇宙誕生初始條件及其後續演化的宇宙學模型，這一模型得到了當今物理學家最廣泛的支持。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點是：認為宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初奇點突然爆炸，並經過不斷的膨脹及演化而達到今天的狀態。
比利時牧師兼物理學家喬治·勒梅特根據愛因斯坦廣義相對論，首先提出了關於宇宙起源的大爆炸理論。1929年，美國著名的天文物理學家埃德溫·哈勃通過觀測發現，所有星係正在加速遠離地球，所有遙遠的星係和星係團距離我們越遠其退行速度越大。如果當星係和星團間彼此的距離在不斷增大，則說明它們曾經的距離在過去很近。物理學家從這一觀點進一步推測，宇宙曾經處於一個密度極高且溫度極高的狀態。1964年發現宇宙微波背景輻射後，成為間接證明宇宙大爆炸學說的又一依據。特別是當測出其頻譜從而繪製出它的黑體輻射曲線之後，大多數科學家都開始相信大爆炸理論並開始流行起來。
現代宇宙大爆炸學說認為宇宙是137億年前誕生的，宇宙起源於一個奇點，它是宇宙一切的起點，包括時間和空間。在大爆炸開始的瞬間之前，宇宙被壓縮在一個“奇點”——體積為零、密度無限大的點中。在大爆炸之前，沒有物質、空間和時間。宇宙所有的物質集中於一點，溫度非常高，大爆炸以後，物質開始向外大膨脹，形成了今天我們看到的宇宙。
宇宙大爆炸的時間進程：
大爆炸開始時約137億年前，體積極小，密度極高，溫度極高。
大爆炸時標10-43秒，宇宙從量子背景出現。
大爆炸時標10-35秒，統一場分解為強力、電弱力和引力。
大爆炸時標10-5秒，10萬億度，質子和中子形成。
大爆炸時標0.0001秒有湮滅成光子。在達到平衡狀態時，粒子總數大致與光子總數相等，未經湮滅的強子破碎為“誇克”，此時誇克處於沒有任何相互作用的“漸進自由狀態”。宇宙中的粒子品種有：正反誇克，正反電子，正反中微子。最後，有十億分之一的正粒子存留下來。
大爆炸時標0.01秒1000億度，以光子、電子、中微子為主，質子、中子僅占10億分之一，熱平衡態，體係急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。
小於強子閾溫大於輕子閾溫。光子產生強子的反應已經停止，強子不再破碎為誇克，質子中子各占一半，但由於正反質子、正反中子不斷湮滅，強子數量減少。中子與、質子不斷相互轉化，到1.09秒時，溫度100億開，質子：中子=76：24
大爆炸時標0.1秒後300億度，中子、質子之比從1.0下降到0.61。
大爆炸時標1秒後100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現，核力尚不足束縛中子和質子。
大爆炸時標13.8秒後溫度小於30億度，氘、氦類穩定原子核（化學元素）形成，物質被創造的任務完成。中子衰變現象出現，衰變成質子加電子加反中微子。這時質子：中子=83：17。
大爆炸時標3分46秒，溫度9億度，反粒子全部湮滅，光子：物質粒子=10億：1，中子不再衰變，質子：中子=87：13（一直到現在）；這時出現了一個非常重要的演化：由2個質子和2個中子生成1個氦原子核，中子因受核力約束而保存下來。宇宙進入核合成時代。（如果沒有氦核產生，中子將全部衰變，也沒有以後其它的原子核）
大爆炸時標35分鍾後3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。
大爆炸時標30萬—70萬年，溫度4000—3000開，能量和物質處於熱平衡狀態。開始出現穩定的氫氦原子核，宇宙進入複合時代。在後期宇宙逐步轉變為以物質為主的時代。（光子隨著溫度的降低而可以自由穿行，即今天的3開宇宙背景輻射）
時標4億—5億年，溫度100開。物質粒子開始凝聚，引力逐漸增大，度過“黑暗時代”後，第一批恒星星係形成。
隨著第一批恒星的形成，原子在恒星的內部發生了核聚變反應，進而出現了氦、碳、氧、鎂、鐵等元素原子核。核聚變是指由質量小的原子（主要是指氘或氚），在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，並伴隨著巨大能量釋放的一種核反應形式。
（值得注意的是，不同質量的恒星能引發的核聚變程度不同，太陽主要為氫-氦聚變，重一點的會引發碳-氧-鎂聚變，再重的會引發下一輪聚變。
總的順序大致依次為：氫-氦-碳-氧-鎂-矽-鐵。但無論恒星多重，最終的聚變結果隻能是鐵，恒星內部不能產生比鐵更重的原子核！）凡是元素周期表上有的（除人造元素外），都是在恒星大煉爐裏形成的，鐵以後的原子核，隻能在超爆中產生。
宇宙大爆炸的證據之一微波背景輻射：宇宙微波背景輻射（又稱3K背景輻射）也叫CMB，是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。科學家認為這種放射物是大爆炸的產物，這種放射物好像是太空在每個地方發出的無線噪音，宇宙微波背景被認為是大爆炸存在的最佳證據。
大爆炸學說認為：宇宙微波背景輻射產生於大爆炸後的三十萬年。宇宙的溫度是極高的，之後隨著宇宙膨脹冷卻慢慢降溫，到現在約137億年後大約還殘留著3K左右的熱輻射。
輻射黑體譜現象表明，微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件。因為隻有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以我們今天觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星係和射電源所能提供的更為古老的信息。微波背景輻射的另一特征是具有極高度的各向同性。這有兩方麵的含義：首先是小尺度上的各向同性。在小到幾十弧分的範圍內，輻射強度的起伏小於0.2－0.3%；其次是大尺度上的各向同性。沿天體各個不同方向，輻射強度的起伏小於0.3%。各向同性說明，在各個不同方向上，在各個相距非常遙遠的太空之間，應當存在過相互的聯係。如果假設它是熱輻射，那麽它所具有的能量就相應在2.7K的溫度。宇宙微波背景輻射的存在，給大爆炸理論以強有力的支持。
美國“宇宙微波背景輻射探測器”於2001年發射升空，主要用於探測“大爆炸”發生後殘留在宇宙中的各種背景輻射。
通過微波各向異性探測器的最新精確測量結果顯示，宇宙微波背景輻射的溫度是2.7k左右，就是通常大家所講的零下270.3攝氏度左右，比物理意義上的絕對零度-273度僅僅高2.7度左右。頻率屬於微波範圍，微波背景輻射最重要的特征是具有黑體輻射譜，它在0.3厘米－75厘米波段時，可以在地麵上直接測到；大於100厘米的射電波段，銀河係本身的超高頻輻射掩蓋了來自河外空間的輻射，因而不能直接測到；在小於0.3厘米波段時，由於地球大氣輻射的幹擾，要依靠氣球、火箭或衛星等空間探測手段才能測到。
宇宙背景輻射的發現在近代天文學上具有非常重要的意義。它給大爆炸理論一個有力的證據，並且與類星體、脈衝星、星際有機分子一道並稱為20世紀60年代天文學的“四大發現”。
微波輻射背景輻射圖好比一幅宇宙藍圖，描繪了現今存在的星團、超星團星係。不同的顏色代表著不同的溫度和空間中物質的不同密度，這種空間的密度差，叫做各向異性。宇宙微波的背景輻射覆蓋著整個天空，隱藏在銀河係的光芒下，是科學家去除掉銀河係的幹擾後，才最終得到了這些微波的背景輻射數據。不過最大的問題就在於，這些數據能否真實反映宇宙誕生初期的情況。
2003年美國發射的探測器對宇宙微波背景輻射在不同方向上的漲落的測量表明，宇宙的年齡是137±1億年，在宇宙的組成成分中：4%是一般物質，23%是暗物質，73%是暗能量。宇宙目前的膨脹速度是71公裏每百萬秒差距，宇宙空間是近乎於平直的，它經曆過暴漲的過程，並且會一直膨脹下去。
根據1989年11月升空的微波背景探測衛星測量到的結果，宇宙微波背景輻射譜非常精確地符合溫度為2.726±0.010K的黑體輻射譜，證實了銀河係相對於背景輻射有一個相對的運動速度。並且還驗證了，在扣除掉這個速度對測量結果帶來的影響以及銀河係內物質輻射的幹擾之後，宇宙背景輻射具有高度各向同性，溫度漲落的幅度隻有大約百萬分之五。目前公認的理論認為，這個溫度漲落起源於宇宙在形成初期極小尺度上的量子漲落，它隨著宇宙的暴漲而放大到宇宙學的尺度上，並且正是由於溫度的漲落，造成物質宇宙物質分布的不均勻性，最終得以形成諸如星係團等的一類大尺度星際結構。
任何物體都具有不斷輻射、吸收、發射電磁波的本領。為了研究不依賴於物質具體物性的熱輻射規律，物理學家們定義了一種理想物體——黑體，以此作為熱輻射研究的標準物體。黑體輻射是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射（當然現實中黑體仍然要向外輻射）。
黑體譜現象表明微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件，因為隻有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以我們今天觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星係和射電源所能提供的更為古老的信息。微波背景輻射的另一特征是具有極高度的各向同性。這有兩方麵的含義：首先是小尺度上的各向同性，在小到幾十弧分的範圍內，輻射強度的起伏小於0.2－0.3％；其次是大尺度上的各向同性，沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小於0.3％。各向同性說明在各個不同方向上，在各個相距非常遙遠的天區之間，應當存在過相互的聯係。
宇宙大爆炸的證據之二——紅移現象：紅移在物理學和天文學領域是指物體的電磁輻射由於某種原因，波長增加的現象。科學家認為星係在宇宙中運行的時候，天體的光或者其他電磁輻射可能由於運動、引力效應等被拉伸而使波長變長。因為速度不同，相對於地球來說，有的屬於遠離，有的屬於靠近，光線也會被拉長或者壓縮，分別被稱為紅移與藍移。
一個運動物體，發出的聲波的波長（聲調）也有與此完全相似的變化。朝向你運動的物體發出的聲波被壓縮，因而聲調較高；離你而去的物體的聲波被拉伸，因而聲調較低。任何遇到過急救車或警車的人，當笛長鳴擦身而過時，都會產生這種現象，聲波和電磁輻射的上述現象都叫做多普勒效應。
美國天文學家哈勃於1929年確認遙遠的星係均遠離我們所在的銀河係而去，同時它們的紅移隨著它們的距離增大而成正比地增加，這一普遍規律稱為哈勃定律。它成為星係退行速度及其和地球的距離之間的相關的基礎。這就是說，一個天體發射的光所顯示的紅移越大，該天體的距離越遠， 它的退行速度也越大。
紅移有多普勒紅移、引力紅移和宇宙學紅移。多普勒紅移是由於輻射源在固定的空間中遠離我們所造成的，引力紅移是由於光子擺脫引力場向外輻射所造成的，宇宙學紅移是由於宇宙空間自身的膨脹所造成的，對於不同的研究對象，牽涉到不同的紅移。
多普勒紅移是指物體和觀察者之間的相對運動可以導致紅移，與此相對應的紅移稱為多普勒紅移，是由多普勒效應引起的。
通常引力紅移都比較小，隻有在中子星或者黑洞周圍，這一效應才會比較大。對於遙遠的星係來說，宇宙學紅移是很容易區別的，但是在星係隨著空間膨脹遠離我們的時候，由於其自身的運動，在宇宙學紅移中也會摻雜進多普勒紅移。
根據廣義相對論，光從重力場中發射出來時也會發生紅移現象，這種紅移稱為重力紅移。一般說來，為了從其他紅移中區別引力紅移，你可以將這個天體的大小與其質量相同的黑洞進行大小比較。
類似星雲和星係這樣的天體，它們的半徑是相同質量黑洞半徑的千億倍，因此其紅移的量級也大約是靜止頻率的千億分之一。對於普通的恒星而言，它們的半徑是同質量黑洞半徑的十萬倍左右，這已經接近目前光譜觀測分辨率的極限了。中子星和白矮星的半徑大約是同質量黑洞半徑的10倍和3 000倍，其引力紅移的量級可以達到靜止波長的1/10和1/1000。
二十世紀初，美國天文學家埃德溫·哈勃發現，觀測到的絕大多數星係的光譜線存在紅移現象。這是由於宇宙空間在膨脹，使天體發出的光波被拉長，譜線因此“變紅”，這稱為宇宙學紅移，並由此得到哈勃定律。我們說的紅移，主要指的就是宇宙學紅移。二十世紀六十年代發現了一類具有極高紅移值的天體——類星體，成為近代天文學中非常活躍的研究領域。
宇宙大爆炸證據之三——原始物質豐度：采用大爆炸模型可以計算氦-4、氦-3、氘和鋰-7等輕元素相對普通氫元素在宇宙中所占含量的比例。
所有這些輕元素的豐度都取決於一個參數，即早期宇宙中輻射（光子）與物質（重子）的比例，而這個參數的計算與微波背景輻射漲落的具體細節無關。大爆炸理論所推測的輕元素比例（注意這裏是元素的總質量之比而非數量之比）大約為：氦-4/氫=0.25，氘/氫=10-3，氦-3/氫=10-4，鋰-7/氫=10-7。
將實際測量到的各種輕元素豐度和從光子重子比例推算出的理論值兩者比較，可以發現至少是粗略符合。其中理論值和測量值符合最好的是氘元素，氦-4的理論值和測量值接近但仍有差別，鋰-7則是差了兩倍，即對於後兩種元素的情形存在著明顯的係統隨機誤差。盡管如此，大爆炸核合成理論所預言的輕元素豐度與實際觀測可以認為是基本符合，這是對大爆炸理論的強有力的支持，因為到目前為止還沒有第二種理論能夠很好地解釋並給出這些輕元素的相對豐度。而從大爆炸理論所預言的宇宙中可被“調控”的氦元素含量也不可能超出或低於現有豐度的20%至30%。事實上很多觀測也沒有排除大爆炸以外的理論可以解釋，例如為什麽早期宇宙（即在恒星形成之前，從而對物質的研究可以排除恒星核合成的影響）中氦的豐度要高於氘，而氘的含量又要高於氦-3，而且比例又是常數。
宇宙大爆炸證據之四——星係演變和分布：對星係和類星體的分類和分布的詳細觀測為大爆炸理論提供了強有力的支持證據。理論和觀測結果共同顯示，最初的一批星係和類星體誕生於大爆炸後十億年，從那以後更大的結構如星係團和超星係團開始形成。由於恒星族群不斷衰老和演化，我們所觀測到的距離遙遠的星係和那些距離較近的星係非常不同。此外，即使距離上相近，相對較晚形成的星係也和那些在大爆炸之後較早形成的星係存在較大差異。這些觀測結果都和宇宙的穩恒態理論強烈抵觸，而對恒星形成、星係和類星體分布以及大尺度結構的觀測，則通過大爆炸理論對宇宙結構形成的計算模擬結果符合得很好，從而使大爆炸理論的細節更趨完善。