第十五章 B 宇宙大爆炸学说

在基础型课程中，我们已经知道宇宙中存在着各种各样的天体，如恒星和太阳系、银河系等，一般来说这些天体可分为行星、恒星、星团、星系等不同层次。其中行星依附于恒星，如地球与太阳一般，在一定的轨道上运动；众多的恒星组成一个星团；而许多个星团在引力作用下和星际气体以及尘埃物质一起构成更大的天体系统，叫做星系。我们所在星系即银河系约有10¹¹颗恒星。银河系以外的星系又叫做河外星系。在大尺度结构上看，星系可看成宇宙的基本组成部分，银河系只是星系中的一员，这样一个现代的宇宙图像，是在20世纪20年代才被认识的。1924年美国天文学家哈勃（E．Hubble，1889-1953，图15-2）发现了河外星系，说明我们的银河系不是宇宙中唯一的星系。到目前为止，我们发现了数以千亿计个星系。这些数量庞大的星系在宇宙中又是怎样分布的呢？天文学家观测了许多星系，发现对由大约100多个左右如银河系的星系组成的星系团，都可近似地看作为一个点，在大尺度上宇宙物质呈均匀的分布，而且在各个方向上观测到的宇宙状况也是相同的，这告诉我们宇宙在大尺度上还是各向同性的。

一、星体光谱线的红移

每个元素发出的光都有其独特的光谱分布（光谱中的一些亮线），我们称它为元素的谱线，它像人的指纹一样各不相同，可以这么说，元素谱线就是元素的“指纹”。天文学家在观测星系时，发现来自星系的光谱线并不在标准的波长位置上，所有谱线的波长都变长（频率降低），也就是说谱线向红端移动了，这个现象叫做星系的谱线红移。星体光谱线为什么会红移呢？

我们已学习过“多普勒效应”，它是指波源和观察者之间有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源发出的频率会不相同的现象，远方急驶过来的火车的鸣笛声会变得尖细（频率增高），而离我们而去的火车鸣笛声就变得低沉（频率降低）。在光谱学中前者叫做“紫移”，而后者叫做“红移”。用多普勒效应来解释星系谱线红移，可以推断出星系均在远离我们。

大家谈

太阳系内物质总量百分之九十九都集中在太阳上，这与宇宙在大尺度上的结构是均匀和各向同性有矛盾吗？为什么？

二、哈勃定律

哈勃是星系天文学的奠基人，在大量观测河外星系的基础上，他又对星系进行了分类，并将星系之间的距离与星系谱线红移数据，进行了对比和深入的分析，随之他有了一个惊人的发现，即星系谱线红移量与星系离我们的距离是密切相关的，或者用更直接的说法是，星系远离我们的速度与星系离我们的距离成正比关系，用L表示星系离我们的距离，v表示星系远离我们的速度，则有

$\frac{v}{L}$＝H。

式中H叫做哈勃常数，这个公式所示关系，我们就叫做哈勃定律。

三、宇宙正在膨胀

哈勃的发现告诉了我们什么？

现在让我们来研究一个简单模型，如图15-3中四个小球，代表了相互间距为L，且排成直线的四个星体A、B、C、D。如果星体A上的观察者认为哈勃定律是正确的，若星体B的远离速度是v，则C的远离速度应是2v，D的远离速度应是3v；根据速度的相对性，对于星体B来说，A和C的远离速度为v，D的远离速度就是2v；对于星体C来说，B和D的远离速度为v，A的远离速度就是2v；对于星体D来说，C、B、A的远离速度分别为v、2v、3v。要知道，宇宙中的星体远不至4个，因此可以想象，你站在任何一个星体上进行观察，不管往哪个方向看，都会发现周围的星体将以同祥的方式离你而去，因此，随着时间的推移，星体和星体之间、星系和星系之间的距离会变得越来越大，这也就是说，哈勃定律揭示了一个奥秘，我们的宇宙正在膨胀！

既然每一个星系上都能观测到其他星系均以相同的方式离它而去，这与我们常见的由一个中心向四周的膨胀是完全不同的。宇宙的膨胀是一种没有中心的膨胀。所以我们将其叫做“宇宙无中心膨胀”。

大家谈

你在生活中遇到过像宇宙那样没有中心的膨胀现象吗？

对于宇宙的过去和未来，正在膨胀的宇宙能告诉我们什么？

【学生小实验】

材料：气球一个，墨水笔一支。

实验步骤：

1．把气球吹成球形（吹时不要一下子吹得太大，为下一步吹得更太留有余地）；

2．用墨水笔在气球表面均匀地画上水圆点；

3．把气球吹得足够大但不爆裂；

4．观察气球上任一个圆点与其周围其他圆点之间的距离。

思考：

你能通过圆点之间的距离的增大，发现哪个圆点是这些圆点的中心吗？说说你的理由（图15-4）。

拓展联想

通过对宇宙深处正在爆发的超新星观测，发观宇宙膨胀的速度要比前几年观测和计算的速度快得多，这说明宇宙在加速膨胀，宇宙加速膨胀的发现，被国际公认的权威杂志《科学》评为1998年世界十大科学进展的第一号，是1998年世界上最具突破性的发现。

除了宇宙在膨胀外，哈勃的发现还暗示了可观测宇宙的年龄，由哈勃定律的公式知，

L＝$\frac{v}{H}$。

上式左边表示的是星系间距离，右边为星系远离的速度乘上$\frac{1}{H}$，因此$\frac{1}{H}$就是远离的时间。如果宇宙最初的星系全是聚在一起的，这不是告诉我们$\frac{1}{H}$就是可观测宇宙的年龄吗！

按照现在的H观测量，现在可观测宇宙的年龄约为137亿年左右。

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宇宙是指物质世界的总体，而可观测宇宙是指我们采用一切可能的观测手段，所能看到的这部分物质世界。现在用以传递信息的一切观测手段中，最快就是电磁波，其中包括我们眼睛所能感受的可见光。

拓展联想

哈勃定律告诉我们，宇宙在膨胀，且离我何越远的星系，远离我们的速度越快。当星系离我们足够远，其远离的速度达到电磁波的速度——光速时，我们就很难观测到这个星系了。因此有一个“视界”，视界之外的任何东西，我们都没有办法观测到。

四、宇宙大爆炸学说

根据星系之间相互远离的观测事实，我们已推断出宇宙正在膨胀，进一步我们能否逆着时间的箭头去推断宇宙的过去呢？

科学家认为宇宙现在的膨胀正是过去膨胀的继续，在遥远的过去，那时宇宙间所有的物质紧紧地挤压在一起，物质密度极大，温度极高，宇宙的一切正是从这一时刻突然发生，科学家把宇宙从密度和温度极大的时刻开始的膨胀，形象地称之为热大爆炸，即宇宙起源于大爆炸（图15-5）！

大爆炸发生后10^-43s时，宇宙的温度高达10³²K，能量密度为10²⁸kg·m^-3，高度弯曲的空间的尺度为10^-30m。

大爆炸发生后的百分之一秒，宇宙温度会快速降低到大约10¹¹K，此时宇宙中已经有大量的光子、电子、正电子、中微子和少量的中子和质子等粒子。这些粒子在宇宙空间中相互快速飞离和碰撞。

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中微子是粒子之一，属轻子一类，不带电，稳定，只参与弱相互作用，中微子的静止质量理论上认为应为零，而实验观测认为有可能不为零。

大爆炸后三分钟，宇宙温度降低到10⁹K，质子和中子可结合成较稳定的氘核，然后又很快组合成最稳固的，由两个质子和两个中子结合成的氦核。

约70万年后宇宙冷却到3000K，电子和原子核终于可以结合成稳定的原子，出现了元素，不过这些都是原子量较小的轻元素，较重元素的原子要在恒星形成后才会渐渐生成。

大爆炸后10亿年星系和恒星开始形成。

大爆炸后的100亿年，太阳和地球出现在银河系中。

又过了10亿年，地球上开始出现原始的生命。

现在，大爆炸后的137亿年，宇宙的温度只有3K。人类已在地球上出现了近百万年。

字宙大爆炸学说最早是在1948年由伽莫夫（George Gamove，1904-1968，图15-6）等人提出的，它是当今描述宇宙演化最成功的理论。它认为宇宙起始于一次大爆炸，那时它有极高的温度和极大的密度，然后在不断膨胀中降温演化至今，该理论思想深刻，物理基础坚实，内涵丰富，并被诸如“宇宙背景辐射”等观测事实所佐证。

五、宇宙背景辐射

宇宙大爆炸学说在20世纪40年代提出后，在当时并没有得到人们的重视。那为什么它现在能令人信服呢？

1964年，美国贝尔电话实验室的两位无线电工程师彭齐亚斯（A．Penzias 1933-  ，图15-7）和威尔逊（R．Wilson 1936-  ，图15 -7），在新泽西的一座山上建起了一架巨大的号角形的天线，他们原来的目的是想查明各种无线电噪声的来源，以便改善卫星通信的质量。但出乎意料的是在微波段上，尽管他们采用了各种手段，想尽各种方法，总有那么一些“剩余噪音”无法消除。作为工程师，他们关心的只是测试空间电磁波噪声和改进天线的性能。在长达一年多的努力后，他们如实发表了题为“在4080兆赫上额外天线温度的测量”的报告。

正是这篇纯技术测量报告，揭示了宇宙中又一个奥秘，并成为20世纪宇宙学研究中的重大发现之一：在宇宙空间充斥着具有背景特征的，均匀分布且各向同性的电磁波辐射，它们的能量密度很低，相当于天线温度3K左右，科学家将它叫做宇宙背景辐射。

这个似乎与天体物理学毫无关联的发现，正是宇宙大爆炸模型所预言的弥散在整个宇宙间的温度为3K电磁波辐射。这一来自于广袤宇宙的天籁，就足宇宙由最初的大爆炸演化至今的“活化石”。微波背景辐射的发现，最有说服力地证实了宇宙大爆炸模型的正确性，并很快确立了它在宇宙演化理论中的主导地位。迄今为止，除了证实它外，所有的其他观测事实都与它不矛盾。

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无线电天线测到的电磁波辐射的能量密度随波长的分布，通过量子力学奠基人之一的普朗克（M．Planck，1858-1947）著名的黑体辐射公式，可以换算成温度，在通讯测量技术中，叫做天线温度。

发布时间：2016/3/15 下午9:08:44  阅读次数：1570