一个关于“BIGBANG”的问题

所有的天体都有诞生、发展、变化和衰亡的历史。根据天体物理学家的判断，太空也是在一场大灾难中诞生，在一次独特的大爆炸中“诞生”。

在大爆炸的时候，宇宙的体积是零，所以它的温度是无限高的。大爆炸后，随着宇宙的膨胀，辐射温度降低。宇宙大爆炸1秒后，温度下降到1000亿度，是太阳中心的100倍。此时的宇宙主要包含光子、电子、中微子及其反粒子(光子的反粒子就是自身)，以及少量的质子和中子。。此时粒子能量极高，相互碰撞产生大量不同种类的正负粒子对。这些正负粒子对相遇就会湮灭。但此时，它们的生产速度远高于消灭速度。

顺带一提，中微子与反中微子的相互作用，以及它们与其他粒子的相互作用都非常微弱，所以它们并没有相互湮灭，以至于今天依然存在。中微子的质量被认为是零，但苏联1981年前和日本1998和1999的研究表明，中微子可能具有微小的质量。如果得到证实，将有助于我们间接检测它们。它们是“暗物质”的一种形式，具有足够的引力来阻止宇宙的膨胀并使其坍缩。

宇宙不断膨胀，温度的降低使得粒子不再有那么高的能量。他们开始结合。同时，大部分正负电子相互湮灭，产生更多的光子。宇宙大爆炸100秒后，温度降至100亿度，相当于最热恒星的内部温度。质子和中子通过强相互作用力(核力)结合。一个质子和一个中子形成氚核(重氢)；氚核与一个质子和一个中子形成氦核。根据计算，大约四分之一的质子和中子转化为氦核，以及少量较重的元素，如锂和铍。其余的中子衰变为质子，质子是氢原子核。

几个小时后，氦和其他元素的生产停止了。之后大约654.38+0万年，宇宙没有发生任何事情，只是膨胀。当温度下降到几千度时，电子和原子核再也无法抵抗相互吸引，结合成原子。因为宇宙小尺度的不均匀性，开始出现区域性的坍缩。其中一些区域在区域外物体的重力作用下开始缓慢旋转。当坍缩面积逐渐减小时，由于角动量守恒，其旋转速度逐渐加快。当区域变得足够小时，旋转的速度足以平衡引力的作用，类似我们银河系的盘状星系就诞生了。其他区域形成椭圆星系是因为不旋转。整个星系并不旋转，但它的各个部分围绕其中心稳定地旋转，因此它也可以平衡引力坍缩。

因为星系中的星云仍然是不均匀的，它们被分成更小的星云，并进一步收缩形成恒星。恒星引力坍缩产生的高温引发核聚变，聚变产生的能量抵抗持续收缩的趋势，恒星进入稳定燃烧。恒星的质量越大，燃烧越快，因为它需要释放更多的能量来平衡其更强的引力。它们甚至会在1亿年这样短的时间内耗尽燃料。

恒星有时会发生一次被称为“超新星”的巨大爆发，使其他所有恒星看起来都很黯淡。这时，一些恒星在后期产生的重元素会被扔回星系，成为下一代恒星的原料。我们的太阳是第二代或第三代恒星，它含有大约2%的这种重元素。还有少数重元素聚集形成绕恒星运行的行星，我们的地球就是其中之一。

关于宇宙的起源，我们还有很多疑问:第一，为什么宇宙在大尺度上如此均匀？那么背景辐射的温度呢？除非宇宙的不同部分只是从相同的温度开始！第二，为什么我们的宇宙会以如此接近临界的速度膨胀？如果在大爆炸后1秒的瞬间，它的膨胀速率只少十亿分之一，那么我们的宇宙早就塌了！第三，我们的宇宙是非常光滑和规则的，从概率上来说，无序和不规则的宇宙数量应该是绝对占优势的，因为宇宙初始状态的选择是随机的。为什么我们碰巧遇到这么渺茫的机会？

为了解释这些现象，麻省理工学院的学者艾伦·古斯(Alan Goose)提出了“暴涨宇宙模型”。他认为，早期宇宙并没有像现在这样以递减的速度膨胀，而是有一段时间在快速膨胀。宇宙的加速膨胀使其半径增加了654.38万亿倍(654.38+0后跟30个零)，时间远不到654.38+0秒。

格斯认为大爆炸的状态非常热，而且相当混乱。这些高温表明宇宙中的粒子具有极高的能量。在这样的高温下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁力统一为一个力；当宇宙膨胀冷却时，由于粒子能量的减少，力之间的对称性被破坏，强力、弱力和电磁力变得互不相同。这就好比液态水在各个方向的性质都是一样的，但是冷冻形成晶体后就变得各向异性了，水的对称性在低能状态下被破坏了。

当宇宙翱翔时，它所有的不规则都被抚平，就像气球充气时，它所有的褶皱都被抚平。

暴胀模型也可以解释为什么宇宙中有这么多物质。在量子理论中，粒子可以由能量以“粒子-反粒子对”的形式创造出来，这些粒子和反粒子具有正能量，而这些粒子的质量产生的引力场具有负能量(因为距离较近的物体的能量低于距离较远的物体)，宇宙总能量为零，这就保证了能量守恒不会被破坏。零的倍数还是零。在暴胀期宇宙体积迅速翻倍的过程中，可以制造的粒子总量变得如此之大，以至于我们的宇宙现在大约有65438+亿亿亿亿亿亿(1后跟80个零)个粒子。格斯是这样描述的:“宇宙是最彻底的免费午餐！”

宇宙之初的场景。

梦想家(99/11/1，10: 18)

我们经常想，如果我们想看到过去，我们必须祈祷一次旅行，只是参观。其实这是一个误区:由于光的传递是需要时间的，所以只要你在夜晚仰望天空，你从远处看到的星光就已经是过眼云烟了。比如银河系核心距离太阳约3万光年，所以目前看到的银核光谱是3万年前的，也就是新石器时代之前的；同样，望远镜里显示的是5000万年前，也就是远在人类出现之前，甚至在非洲和南美大陆板块分离之前，距离我们5000万光年的M87星云。两年前，我们在本专栏中报道过，对一个约654.38+0.6亿光年远的星云的观测表明，654.38+0.6亿年前的宇宙背景温度高达7.4 K，远远超过现在银河系附近的2.7 K。

自大爆炸形成以来，宇宙年龄估计约为6543.8+03亿年。那么有没有可能观测到更远的天体，比如654.38+00亿光年(也就是654.38+00亿年前)，从而确定宇宙混沌初的景象呢？由P.A.Shaver领导的一组英国天文学家最近证实，“类星体”在远距离开始变得稀少，在相当于宇宙年龄约6.5%的距离上，它们根本不存在。类星体是星云碰撞或星云核心坍缩导致的异常现象，所以类星体只能出现在星云之后。但早期宇宙是一个高密度、相对均匀的质量球，由于精细的密度波动和引力，需要相当长的时间才能产生空间不均匀的结构，即前星云结构。因此，类星体不可能存在于早期宇宙中。谢弗的研究结果从实际观察中或多或少验证了这一想法。

事实上，在过去的二十年里，这方面的工作已经很多了，但都受到以下问题的困扰:遥远的星云(包括类星体)以极高的径向速度运动，速度与距离成正比——这就是所谓的大爆炸导致的宇宙膨胀。这种径向速度造成了星云光谱的红移(见框中解释)，但同时又将星云发出的光变成了红光，从而讨论了星云之间对尘埃的吸收。所以类星体的不存在很可能是由于上述吸收，而不是它的不存在。

解决这个问题的关键是大多数类星体同时发出可见光和无线电波。可见光的红移是测量距离所必需的，但可能会被尘埃吸收，但无线电波不会被吸收。因此，如果能为每一个可能是类星体的无线电源找到对应的可见光源，并能确定其距离，那么就可以很有信心地确定最远的类星体是1968年发现的特殊天体。令人惊讶的是，它的亮度(即每秒发射的辐射能)极高，相当于甚至超过了整个星云(每个星云包含10到11颗恒星)。亮度计算如下:由于类星体的谱线显示出非常高的红移系数z，因此可以推断它具有非常高的退行速度；但根据哈勃定律，恒星的距离与它的后退速度成正比，因此可以推断它有非常远的距离，从而可以从它的表观亮度计算出它惊人的内禀亮度。另一方面，类星体表现出极快的闪烁。换句话说，它可以在几秒钟内极大地改变亮度。由于在其表面任意两点同步变化的信号不可能快于光速，因此可以从其闪烁的特征时间来估算其表面直径的上限。这样就发现类星体的表面积比星云小得多，只和恒星的表面积差不多。之所以称之为类星体，是因为其亮度接近星云，大小像恒星，因此无法简单判断其性质和结构。

类星体的本质长期困扰着今天的作家。现在他们倾向于认为类星体是所谓活动星云的核心，即星云碰撞或其中心因引力而坍缩形成巨大黑洞，然后继续吸收大量物质的现象。类星体是宇宙演化的产物，因此其出现的峰值约为当前宇宙年龄的20%，即宇宙形成后约25年。之后(也就是在离太阳更近的距离)，类星体密度大大降低，这一点早就研究清楚了；至于在此之前类星体密度的降低，则是本文讨论的话题。有多远，属于什么年代，不用担心因为吸收灰尘而错过。这项需要系统和大量高精度观测的工作最近由Schaefer Group完成。

他们首先精确定位了南半球天空中所有具有类星体射电频谱的射电源，然后在它们的位置上逐一找到相应的可见光源，并识别出这些光源的形状、红移和距离。结果是最远类星体的红移系数为z = 4.46，这意味着它的发光时间距离宇宙开始只有89亿年，约为当前宇宙年龄的6.5%。在更远处(相当于z & gt5及更早)虽然有很多其他的发光恒星，但具有特殊射电频谱类型的类星体并不存在。证明早期宇宙中没有发射强无线电波的类星体。他们还认为，有理由相信同样的结果适用于所有类星体。

如果这个结论能成立，我们也得到了星云开始形成的年龄估计，即不晚于大爆炸后的8.9亿年。

重现宇宙的诞生

在纽约长岛沙林深处，物理学家正准备进行一项实验，以回到宇宙诞生的那一刻。今年5月，美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家们埋下的“时间机器”将开始分离金原子中的电子，将其加速到光速的99.995%，然后将这对原子猛烈撞击在一起，其强度足以产生比太阳热1000倍的温度。但这些都不会造成危险，因为每次撞击产生的总能量只有一只蚊子落在屏幕上的大小。

科学家认为，第一批原子是在宇宙诞生后大约一秒钟才出现的，因此将它们撕裂将重现宇宙诞生前的情形。物理学家可以想象那个场，就像一个高温小颗粒等离子体大锅，里面既没有原子，也没有质子和中子。参与这项研究的耶鲁大学物理学家哈里斯说:“我们希望产生小颗粒等离子体，然后探索和了解它的特性。”

生活大爆炸:一个故事？

[美国《纽约时报》3月8日文章]标题:从前有一个生活大爆炸理论。

从前。似乎有一个非常简单的假设，宇宙始于大爆炸。

宇宙诞生的故事是慢慢拼凑起来的。“大爆炸”方程甚至可以用来预测宇宙早期历史中形成的较轻元素(氢、氢和锂)的相对数量。而且“大爆炸”理论与观测结果吻合得很好，真的不可思议。

但是这个理论上的天堂已经很难有好日子过了。近年来，“大爆炸”理论无法自圆其说的问题接踵而至，宇宙不再那么循规蹈矩。

最新的打击

最近一次打击发生在上个月。长期以来，人们认为星系间的引力是对抗宇宙膨胀的，向心引力正好与离心张力平衡，从而控制了宇宙。理论家看到2月27日的《科学》杂志时会深感震惊，因为这一期报道了宇宙正在膨胀的证据，表明存在某种与引力相反的排斥力。

虽然还没有得出结论，但这是理论家们绞尽脑汁想弄明白的一系列惊人结论中最新的一个。天文学家的观测工具越来越灵敏，他们必须不断地把一个又一个善意的假设塞进最初的“大爆炸”理论——先是大爆炸后立即出现了短暂的“膨胀期”，出现了大量看不见、无法解释的“暗物质”，现在可能是某种神秘的东西正在加速宇宙膨胀。

理论渊源

爱因斯坦是最早模糊理解后来被称为“大爆炸”的人之一，他讨厌这个想法。1917年，他意识到他的广义相对论意味着宇宙要么在收缩，要么在膨胀。他在方程中加入了一项，后来被称为宇宙常数。这是一个可以使宇宙体积的变化可以忽略不计的附加因素。

后来，天文学家收集了确凿的证据，证明星系确实在膨胀，离地球和彼此越来越远。爱因斯坦因此得出了一个著名的结论:他的宇宙常数是他“最大的错误”。

“大爆炸”理论几乎从问世之日起就命运多舛。

著名天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)通过间接测量星系之间的距离和星系漂移的速度，得出BIGBANG有20亿年历史的结论。但是地质学家通过铀衰变为铅的速度计算出地球本身的年龄为40亿年。

这个矛盾很快就解决了。星系的移动速度是根据星系光的红移来衡量的，有点像远处的轮船汽笛声，音量急剧下降。星系间距离的测量就更不准确了。人们不得不做这样一个推理，即如果能凝视附近的一个天体，一览无余，该有多亮。通过比较假设的固有亮度和实际到达地球的光线亮度，我们可以估算出天体与地球之间的距离。直到1965左右，这个理论的支持者并不多，天文学家阿诺·彭齐亚斯(Arno penzias)和罗伯特·威尔逊(robert wilson)发现了无处不在的背景辐射，这是最初的大爆炸留下的余辉。再加上最初的大爆炸后形成丰富轻元素的预言得到验证，大爆炸理论似乎有了定论。

不断修改

但不是一切都能解释。例如，为什么背景辐射无论出现在哪里都具有完全相同的温度？这种契合似乎太完美了，不真实也不自然。更不可思议的是宇宙不可思议的形状。一个“封闭”的宇宙是弯曲的，所以宇宙中的一切最终都会坍缩。而一个“开放”的宇宙会无限膨胀。但无论如何，我们自己的宇宙似乎是“平的”，介于两者之间。

除非有仁慈的独裁者，否则宇宙万物怎么会如此和谐？

1979年出现了一个答案，当时物理学家艾伦·古思提出了一个假设，即初始大爆炸后，宇宙立即进入超高速疯狂膨胀期，宇宙体积呈指数级膨胀。膨胀期只持续了远小于一秒的一瞬间。但计算结果表明，这足以使辐射均匀，弯曲变平——消除大爆炸留下的波纹，进而恢复宇宙常数。

但是宇宙学家随后开始感到不安，因为宇宙辐射太均匀了；这说明宇宙起初是均匀的，后来莫名其妙地演变成我们今天看到的不规则宇宙，星罗棋布，恒星、星系、巨大的星系团。似乎宇宙还不够古老，引力还不够强大，不足以让这么多物质凝聚。所以还有一个修正。宇宙学家发现理论上暗物质的存在可以证明“大爆炸”理论。如果宇宙中有足够多的这种看不见的物质，那么这种物质可以产生额外的引力，促进巨型结构的形成。

“大爆炸”理论不再简单明了，现在甚至看起来越来越复杂。

使用爆炸的恒星超新星作为信标来测量距离(因为超新星的实际亮度可以通过它们的闪烁速度来估计)，天文学家最近几周不情愿地得出结论，宇宙可能正在莫名其妙地加速膨胀。

也有可能是视错觉蒙蔽了天文学家。与此同时，理论家们正忙于修补漏洞。

美国专家的最新测量结果显示，《生活大爆炸》理论需要修改。

新华社电今天上午，美国科学家对银河系中心区域氘含量的最新测量结果显示，目前宇宙大爆炸的理论标准模型可能需要一些修正。

美国物理研究所的唐·卢博维奇(Don Lubovich)等科学家在新一期英国《自然》杂志上报告说，他们研究了距离银河系中心仅32光年的人马座星云的光谱，发现氘的丰度比宇宙大爆炸理论标准模型计算的高约654.38+百万倍。

科学家们对这些氘的来源进行了许多推测。举个例子，如果在过去的几十亿年里，星系中心有一个类星体，它死后会留下大量的氘。或者在宇宙射线的作用下，碳等重元素会分解产生氘。然而，计算表明类星体中剩余的氘应该比现在多得多，银河系中心区域的宇宙射线浓度不足以让碳产生这么多氘。这样，只有一种解释，即这些氘从银河系的外围落到了银河系的中心，并且它们产生了

诞生于宇宙诞生后不久。新的测量结果表明大爆炸的理论参数需要修正。