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大爆炸宇宙学的建立

  • 日期:2009-08-27 08:30
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1917 年,爱因斯坦发表了著名论文《用广义相对论对整个宇宙的考察》①,开创了宇宙学的研究。爱因斯坦根据广义相对论认为,任意一点的四维时空连续区的度规应由物质及其分布状态决定。由于物质分布在局域上看是不均匀的,时空连续区的局域度规也将是复杂的。然而从大的范围上看,宇宙的物质及状态的分布是均匀的,所以度规是缓慢弯曲的,呈近似球形空间。为了使物质有可能呈准静态分布,爱因斯坦在引力场方程中增补了一个Λ>0的附加项,此时度规线元中表示符号的系数k=+1,对应于爱因斯坦的静态宇宙模型。1922 年 , 前 苏 联 数 学 家 弗 里 德 曼 ( Friedmann ,AlexanderAlexandrovich 1888~1925)在Λ>0,k=±1.0 的情况下,得到了引力场方程的解,该解称为弗里德曼宇宙模型。同一年荷兰天文学家德西特(de Sitter,Willem 1872~1934)又得到了k=0情况下的引力场方程解,称为爱因斯坦-德西特静态宇宙模型。
     1927 年,比利时的勒梅特(Lemaitre Abbe′GeorgesEdouard1894~1966)又得到了Λ≠0,k=±1,0,情况下的引力场方程解。该模型提出大尺度宇宙空间随时间膨胀的预言,在物理学与天文学界产生了巨大的影响。人们很自然地把时间反推回去,得出整个宇宙曾被挤在一个“宇宙蛋”或“超原子”之中,是一场大爆炸把它炸开来,几十亿或上百亿年后,最初的大爆炸即留下现今的膨胀局面。伽莫夫是勒梅特“宇宙蛋”大爆炸理论的最积极支持者。1948 年,他发展了勒梅特的理论,与艾尔弗(Alpher,R.)及赫尔曼(Herman,R.)一起,提出了大爆炸宇宙学说,又称为宇宙标准模型理论。该理论的提出,标志着现代宇宙学的开端。大爆炸宇宙论认为,极早期的宇宙温度和密度极高,充满着各种基本粒子和辐射,它们之间强烈作用。
     虽然目前对强相互作用的了解还不够完备,对极早期的宇宙的情况尚无定论,但是大爆炸宇宙学却给出了两点十分重要的假设,其一是,早期宇宙中,各种物质粒子和辐射场均处于热平衡状态。这一假设使对早期宇宙的讨论大为简化,因为可以根据统计力学与粒子物理的理论确定每个时刻的状态。另一个假设是,在宇宙的初期,强子数略多于反强子数,这一差异虽然极小,它却决定了现今宇宙物质的存在及数量。近年来,随着高能物理的进展,人们对高能粒子和辐射场间相互作用有了进一步的了解,大爆炸宇宙学也得到了进一步的发展,对于宇宙从创生到近期的发展有了更详细的预言。大爆炸宇宙论认为,宇宙最早创生期年龄仅有 10-44s,它只是一个温度极高(1011~1012K)的灼热奇点,由于时空连续性的破坏,人们预言这一时期应用量子宇宙学描述。其次是宇宙的极早期,年龄为 10-35s,这一时期宇宙物质以夸克、胶子、正负电子对、光子等粒子状态呈现。进入宇宙早期时,宇宙年龄约为100s,这一时期宇宙膨胀的结果,使温度下降,高速运动的夸克、胶子生成质子、中子等基本粒子,并形成原子核,进而与电子结合形成各种轻元素的原子。
     当宇宙到达10万年之后,宇宙进入近期,由于引力,使宇宙由均匀进入有结构状态,形成各种尺度的星体及星体体系,现在的宇宙年龄已有200亿年,宇宙的温度降为3K。宇宙标准模型给出了一个以大爆炸为起点,一直推演到现今宇宙演化的时间表。讨论宇宙的诞生以及诞生后极短瞬间的迅猛变化,而这些在短瞬间发生的事,竟然又奠定了宇宙亿万年以后的全部演化的基础,似乎是不可思议的事。然而标准模型给出这些结论,只不过是根据广义相对论、统计力学和热力学、量子力学、原子核物理以及粒子物理学这些较成熟的理论作出的,它是这些理论的自然推论,其间并未掺入其它什么离奇的假设,只是讨论到宇宙极早期时,才利用了一点尚带有猜测性的大统一理论。包罗万象的宇宙整体,是一个“巨大的”研究对象,仅以部分观测事实为基础,仅以一些较成熟的理论为依据,竟然能对这个“庞然大物”给出一种自洽的演化图景,还能进一步获得观测上的支持,这不能不说它是一个十分了不起的成就。

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