大爆炸：宇宙的起源与微波背景辐射

科学摘要

这篇文章介绍了大爆炸宇宙学模型，该模型源自20世纪20年代勒梅特和弗里德曼的研究。宇宙诞生于137.7亿年前的一个极其密集和炽热的状态。暴胀（~10⁻³²秒）先于夸克的形成，随后是质子和中子的形成（~10⁻⁶秒）。在3分钟时，98%的质量由氢和氦的原子核组成。在38万年时，复合形成了第一批稳定的原子，使宇宙变得透明。微波背景辐射（CMB，~2.725 K）于1965年由彭齐亚斯和威尔逊探测到，是这一时代的遗迹。其各向异性由COBE、WMAP和普朗克卫星测量，揭示了星系起源的密度波动。

什么是大爆炸？宇宙自诞生以来是如何演化的？

大爆炸是描述宇宙起源的宇宙学模型，宇宙诞生于137.7亿年前的一个极其密集和炽热的状态。空间、时间和物质在这个时刻诞生，在一次“原始爆炸”中，其名称由弗雷德·霍伊尔在20世纪50年代讽刺地命名。最初的几分之一秒见证了暴胀（~10⁻³²秒）和基本粒子的出现。在10⁻⁶秒时，强核力将夸克组合成质子和中子。在3分钟时，氢和氦的原子核形成，构成了宇宙质量的98%。在38万年内，宇宙保持为不透明的等离子体。随后，复合允许第一批稳定原子的形成，使宇宙变得透明。微波背景辐射（CMB，~2.725 K）于1965年由彭齐亚斯和威尔逊探测到，是这一时代的遗迹。其温度波动（~10⁻⁵）是星系的种子。宇宙继续膨胀，其宇宙视界后退，隐藏了无限的一部分。

宇宙的诞生！

原始爆炸

137.7亿年前，一次巨大的爆炸被称为大爆炸，创造了空间、时间和物质。在这个难以想象的高温混沌中，一个气泡膨胀，向所有方向扩展，并慢慢冷却。

“大爆炸”一词的起源

“大爆炸”这一术语是在20世纪50年代由英国天体物理学家弗雷德·霍伊尔（1915-2001）创造的，用来讽刺“原始爆炸”的概念。这个宇宙学模型是在20世纪20年代由比利时天体物理学家乔治·勒梅特（1894-1966）和俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼（1888-1925）开发的。

不确定的开始

大爆炸的历史并不预先假设一个“初始时刻”或开始的存在。

微波背景辐射

然而，直到今天，我们仍然能在天空中捕捉到这个起源的痕迹，我们称之为“微波背景辐射”。这种辐射是一种低温的微波辐射，大约3K。这种辐射从宇宙的所有方向到达我们。之所以称为背景辐射，是因为它为所有被射电望远镜探测到的点状射电源形成了背景。

微波背景辐射的发现

大爆炸于1965年由阿诺·彭齐亚斯（1933-2024）和罗伯特·伍德罗·威尔逊（1936-）探测到。他们于1978年获得诺贝尔物理学奖。

时间的诞生！

原始的虚无

在开始时，什么都没有，没有物质，没有真空，时间和空间都不存在。从一个比原子还小的点，无限的能量产生了宇宙。

时间的开始

一切都始于原始爆炸即大爆炸后的极短时间。时间开始流逝，整个宇宙一下子被勾勒出来。这是有史以来最大的谜团。

普朗克时间与暴胀

在这个时期之前，我们一无所知；没有零时间，时间不存在，我们没有数据表明有什么东西。对于科学家来说，宇宙的时钟在10^-43秒（普朗克时间）时第一次敲响。宇宙是一个沸腾的真空，充满了极其密集和难以置信的高温能量；然后，我们假设，它突然膨胀，这就是暴胀。在10^-32秒时，第一批物质元素伴随着反物质（基本粒子和反粒子）出现。

质子和中子的形成

随后，强核力在10^-6秒（百万分之一秒）时将夸克三个一组地组合成质子和中子，并形成原子核（氢、氦）。

质量的诞生！

最初的三分钟

在3分钟时，宇宙质量的98%已经形成。直到38万年，辐射时代结束，没有新的东西。

物质时代

然后物质时代开始，第二种力即电磁力出现。它通过将电子与原子核结合来构建氢和氦原子。不断膨胀和冷却的宇宙看到引力将原子聚集成更复杂的结构。这是星系和恒星的诞生。

物质的诞生！

辐射变成物质

根据大爆炸的理论模型，微波背景辐射是宇宙第一批稳定原子形成时主导能量的残余。辐射变成物质。这发生在原始爆炸后的大约38万年。

密度波动

COBE（宇宙背景探测者）卫星的数据显示，这种辐射并不像科学家们所认为的那样均匀。任意出现的可变强度区域。这些原始宇宙的密度波动可能是星系形成的起源。

可观测宇宙的时空切片

可观测宇宙的表示

时间中的切片堆叠

可观测宇宙在这里被表示为一叠二维切片，每个切片代表宇宙过去的图像（如电影的帧）。顶部的最后一个圆，最大的那个，代表今天的宇宙。圆的直径代表宇宙的大小，随着我们回溯过去，宇宙的大小减小。

不完美的表示

但实际上，宇宙在所有方向上延伸。因此，必须将每个切片即每个圆替换为球体。这样，我们就有了一个三维球体的堆叠，而不是二维圆的堆叠，这对于我们的大脑来说是无法想象的。

我们在宇宙中的位置

在这个不完美的表示中，我们像宇宙中的所有星系一样，位于最后一个圆上。由于宇宙的膨胀，无论我们朝哪个方向看，一切似乎都在远离我们。这就像站在一个气球的表面上，看着它被吹胀。

宇宙视界

我们无法看到超出我们视界的圆，因为光速是有限的。来自这个“宇宙视界”以外物体的光没有足够的时间在大爆炸以来到达我们。

固定的视界

“气球”在膨胀，但视界没有后退；因此，接近视界的星系最终会消失。

超出可观测宇宙

在可观测宇宙之外，可能有无限多的星系，我们无法看到。甚至可能有无限多的宇宙！

常见问题：关于大爆炸的一切

大爆炸到底是什么？

大爆炸是描述宇宙起源的宇宙学模型。137.7亿年前，宇宙从一个极其密集和炽热的状态，即“奇点”诞生，空间、时间和物质开始存在。这个术语由弗雷德·霍伊尔在20世纪50年代创造，用来讽刺“原始爆炸”的概念。该模型由乔治·勒梅特和亚历山大·弗里德曼在20世纪20年代开发。大爆炸不是在空间中的爆炸，而是空间本身的膨胀。

大爆炸后的最初几分之一秒发生了什么？

最初的时刻由关键阶段标记：
• 0到10⁻⁴³秒（普朗克时间）：当前的物理定律不适用。宇宙是一个“沸腾的真空”，充满了难以置信的密集能量。
• ~10⁻³²秒：宇宙暴胀时期，宇宙指数级膨胀。第一批基本粒子和反粒子出现。
• ~10⁻⁶秒：强核力将夸克组合成质子和中子。
• ~3分钟：原始核合成形成氢（75%）和氦（25%）的原子核，构成宇宙质量的98%。

微波背景辐射是什么？为什么它如此重要？

微波背景辐射（或CMB，宇宙微波背景）是大爆炸的遗迹。它在原始爆炸后的大约38万年发出，当时宇宙已经足够冷却，允许电子和质子复合成氢原子，使宇宙透明。这种辐射遍布整个空间，当前温度约为~2.725 K，位于微波范围。1965年由彭齐亚斯和威尔逊探测到（1978年诺贝尔奖），它是大爆炸的直接证据。其各向异性（温度波动约为10⁻⁵）是星系的种子。

宇宙暴胀是什么？为什么它是必要的？

宇宙暴胀是宇宙在大爆炸后大约10⁻³²秒时经历的指数级膨胀时期。它解释了几个观测：
• 为什么宇宙在大尺度上如此均匀（视界问题）？
• 为什么宇宙空间上是平坦的（平坦性问题）？
• 星系起源的密度波动来自哪里？
暴胀由艾伦·古斯在20世纪80年代提出，并通过微波背景辐射的观测得到确认。

宇宙在38万年前到今天是如何演化的？

复合（38万年）之后，宇宙进入了物质时代：
• 引力开始将氢和氦原子聚集成更密集的结构。
• 这些更密集的区域吸引了更多物质，形成了第一批恒星（大爆炸后的数亿年）。
• 恒星聚集成星系，然后聚集成星系团。
• 暗能量在20世纪90年代被发现，加速了宇宙的膨胀。
今天，宇宙继续膨胀和冷却，其宇宙视界后退。

我们能看到可观测宇宙之外吗？

不能，我们无法看到可观测宇宙之外，它由“宇宙视界”界定。在这个视界之外，物体的光没有足够的时间在大爆炸以来到达我们（光速是有限的）。可观测宇宙是一个以我们为中心的球形泡，半径约为465亿光年（由于膨胀）。在它之外，可能有其他星系，甚至无限多的宇宙（多重宇宙），但这些区域对我们来说永远无法到达。

谁发现了微波背景辐射？如何发现的？

微波背景辐射是由美国物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在1965年偶然发现的。他们在新泽西州霍尔姆德尔的喇叭形天线上工作，探测到一个来自所有方向的持续背景噪声，他们无法消除它。在排除了所有可能的原因（鸽子粪、干扰）后，他们意识到他们已经探测到了大爆炸模型所预测的微波背景辐射。这一发现使他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖。