关于大爆炸宇宙论的看法.doc

关于大爆炸宇宙论的看法在学完天文学概论这门课程后，我对于我们现在所处的地球以及整个宇宙都产生了极大的敬畏、尊重之情和好奇心。同时也发现，在讨论天文学的同时脱离不了物理学的讨论，天文与物理息息相关。在听了老师对整个宇宙的起源及发展的讲述后，我对其中的大爆炸宇宙论产生了极大的兴趣。在此之前有许多的科学家都对宇宙的构造和本原提出了观点。由文艺复兴时代哥白尼的日心说开始，建立了牛顿静态宇宙观。牛顿静态宇宙观不单指牛顿本人的论述，而是泛指在牛顿经典力学体系架构下，对宇宙整体特性形成的观念。牛顿静态宇宙观的基本观点是：时间和空间是绝对的，相互独立的；时间和空间都是无限的。但后来人们发现了原子内部的秘密，窥测到了遥远河外星系的行踪。普朗克实验启发了薛定谔等人，使他们创建了量子力学。这些发现都与牛顿经典力学中的理论所相悖，而更与爱因斯坦的广义相对论更加契合。而后爱因斯坦提出了有限无界宇宙模型，模型服从黎曼几何学。这个模型指出现实的三维空间是一个无界空间，没有边界；宇宙是没有中心的。但只要有物质，宇宙中就存在引力场，引力场的大小与时空弯曲的程度有关。时间和空间的结构和性质是依赖物质的，不能独立于物质而绝对地存在。如果物质没有了，时间和空间也就跟着没有了。爱因斯坦为了克服静态宇宙模型的不稳定性在引力场方程中加入常数表示宇宙项，但后来在1992年，苏联数学家弗里德曼通过求解出不含宇宙项的引力方程的通解而得到一个膨胀的有限无界宇宙模型，而这个模型最终也被天文观测所证实。在膨胀的有限无界宇宙模型的观念下，伽莫夫和阿尔弗、赫尔曼提出了一个比较完整的宇宙创新理论。该理论提出，宇宙是在高温高压的状态下，原始的基本粒子即中子突然膨胀，中子衰变转化为其他粒子后，逐渐形成其他的元素，从而形成整个星系等天体。当时由于没有条件去证明这个理论是否成立，也没有什么科学家认为这一理论是正确的。当时并没有受到重视，被人们戏称为“大爆炸理论”。20多年后，理论被证实后才成为了举世公认的“标准宇宙模型”。在大爆炸理论中，在最开始的三分钟里就已经快速地发生了许多反应。我们根据相等的宇宙温度下降间隔来将最初的三分钟里发生的反应逐一看清楚：（1） 第一个画面：宇宙温度为1011K，充满着数量丰富的粒子，包括电子及其反粒子、正电子、光子、中微子。在第一个画面中，宇宙的密度非常大，逃逸速度也相应变大，宇宙膨胀的特征时间约为0.02S “膨胀特征时间”为宇宙规模扩大1%所需时间长度的一百倍。其中，最重要的反应是：反中微子+质子正电子+中子；中微子+中子电子+质子。假设中微子与反中微子、正电子和电子数量都相差不多，质子转化为中子和中子转化为质子的速度也就相差无几，质子数和中子数大致相等。（2） 第二个画面：宇宙温度为31010K，宇宙中的主要成分的粒子仍处于热平衡状态，还没有质的变化。因此，能量密度按照温度的四次方下降。此过程使宇宙膨胀的特征时间延长了约0.2S。随着温度降低，中子转化成质子更为容易。核粒子平衡变为38%的中子和62%的质子。（3） 第三个画面：宇宙温度降为1010K，中微子和反中微子不再处于热平衡状态，开始像自由粒子那样运行，不再在“大爆炸”中起到作用。温度不断降低，核粒子平衡也转变为24%的中子和76%的质子。（4） 第四个画面：宇宙温度为3109K，此时温度比电子和正电子的阈值温度低，它们开始迅速湮没，并在湮没中释放大量能量，使得宇宙温度降低的速度减缓。虽然温度比较低，但各种稳定的核不会立即产生，因为这需要先形成氘，经过一系列反应形成稳定的寻常氦核。而在这个温度下，氘核一形成便会爆炸。因此不能形成稍重的核，中子仍在缓慢地转化为质子，平衡变为17%的中子和83%的质子。（5） 第五个画面：宇宙温度为109K，此时离第一个画面已经过去了3分02秒。大部分电子和正电子都已经湮没消失，剩下质子、中微子和反中微子。温度已经低至能使氘、氦三和寻常氦核结合在一起，但“氘瓶颈”仍然存在。在第五个画面稍后不久的某个时间，温度不断降低，突破了“氘瓶颈”后，能迅速形成较重的核。但因还存在其他瓶颈，没有大量形成比氦重的核。在这个温度下，其余剩下的中子都反应成了氘核。（6） 第六个画面：宇宙温度为3108K。电子和正电子基本完全湮没。核进程停止，大多数核粒子结合成氦核，或变为自由质子。宇宙，就是在这短短的三分多钟里，发生如此多的反应，基本形成了这个宇宙并存在了这么长的时间直到人类的存在并发掘到这个理论。毫无疑问，宇宙将会在一段时间内这样一直膨胀下去。但到了最后，宇宙到底是会继续膨胀下去还是当宇