宇宙大爆炸的三大证据

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發表於 2015-1-8 15:13:18 |只看該作者 |正序瀏覽

一个国际天文学家小组利用地球上最强大的望远镜发现，宇宙大爆炸后瞬间发生的情形和理论预言的一致，消除了二十多年来天体物理学家的困惑。

在物理学和天文学中最重要的困难是，实际在天文观测中得到的锂-6的含量比理论值大2%，而锂-7的含量比理论值小3%~5%。这个严重的困难导致了一些奇怪的物理解释和毫无收获的观测研究。

剑桥大学的天文学家Karin Lind领导的小组证明，这个持续了数十年的问题是由于观测数据的质量不高，并且在分析锂同位素方面过于简化的原因。他们利用凯克天文台10米口径的望远镜对古老恒星的观测表明，宇宙大爆炸核合成理论（nucleosynthesis）所预言的锂-6、锂-7的含量与实际观测并没有冲突之处，维护了现有的宇宙大爆炸理论。

在上世纪20年代，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现了宇宙膨胀。现代宇宙观测表明，宇宙始于138亿年前的一场“大爆炸”。证实宇宙大爆炸的重要基石是，宇宙中充满了微波辐射和轻元素（light elements）的含量与大爆炸核合成理论的一致性。

在古老的恒星中精确测量锂-6和锂-7的含量是一个非常大的挑战，尤其是锂-6的含量，因为它的丰度非常低，信号特征非常弱，只有利用像凯克天文台这样的大型望远镜才能获得想要的观测数据。

高质量的天文观测和精细的理论模型相互印证，最终解决了困扰在粒子物理学和天文学中的困难。

宇宙大爆炸的三大证据：
第一个支柱是爱因斯坦的广义相对论。在它出现之前的近300年里，牛顿理论一直是天文学几乎所有分支的基础。从地球到星系，不论在什么尺度下，牛顿理论都能准确预言物体的运动状态。但是，对于无穷大的物质集合，牛顿理论就完全不适用了。广义相对论突破了这个局限。1916年，爱因斯坦公布了广义相对论，并且提出了一个包含宇宙学常数的简单方程，用来描述宇宙。此后不久，荷兰物理学家威廉·德西特（Willem de Sitter）就求出了方程的一个解。德西特的结果似乎与当时人们公认的宇宙图景完全一致：宇宙是被广袤且永恒不变的虚空包围着的一座宇宙岛。
宇宙学家们很快意识到，这种永恒不变的静止状态是一种误解。事实上，德西特的宇宙会永远膨胀下去。比利时物理学家乔治·勒迈特（Georges Lema tre）后来证明，爱因斯坦的宇宙学方程预言，宇宙要么膨胀，要么收缩，无限、均匀、永恒不变的宇宙不可能存在。后来被人称为“大爆炸”的理论，就是在这个观点的基础上产生的。
第二个支柱出现在20世纪20年代，天文学家们观测到了宇宙的膨胀。第一个为宇宙膨胀提供观测证据的人，是美国天文学家维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher），当时他用恒星光谱测量了邻近星系的速度。正在移向地球的恒星发出的光波会被压缩，波长变短，导致星光颜色向蓝色端偏移（蓝移）；正在远离我们的天体发出的光波则被拉伸，波长变长，颜色向红色端偏移（红移）。通过测量遥远星系发出的光波是被压缩还是拉伸，斯莱弗就能确定它们是在移向我们还是远离我们，还能测量它们的运动速度。（当时的天文学家们甚至不能确定，这些今天被称为“星系”的暗弱光斑，究竟是独立的恒星集团，还是银河系中的气体星云。）斯莱弗发现，几乎所有的星系都正在远离我们而去。我们似乎处在一个膨胀宇宙的中心。

不过，我们通常并不把宇宙膨胀的发现归功于斯莱弗，而是将功劳算在了美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的头上。（不然就不会有哈勃空间望远镜，而应该是斯莱弗空间望远镜了。）哈勃不仅测定了邻近星系的速度，还测定了它们的距离。这些测量让他得出了两个重要的结论，足以说明宇宙膨胀发现者的桂冠非他莫属。第一，哈勃证明这些星系确实非常遥远，从而证明它们和我们所处的银河系一样，是独立的恒星集团。第二，他发现星系的距离与速度之间存在简单的对应关系：星系的速度正比于它与我们之间的距离。也就是说，一个星系到我们的距离是另一个的两倍，那么它远离我们而去的速度也会是另一个星系的两倍。距离与速度之间的这一关系，恰好是宇宙正在膨胀的标志。哈勃的测量结果后来不断得到修正，最近一次修正使用了遥远超新星的观测数据——正是这次修正导致了暗能量的发现。

第三个支柱是宇宙微波背景中的黯淡光辉。这是美国贝尔实验室的物理学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson），在1965年追查射电干扰源时意外发现的。科学家们很快就意识到，这种辐射正是宇宙膨胀早期阶段残留下来的一种遗迹。它意味着宇宙最初是灼热而致密的，后来才逐渐冷却，变得越来越稀薄。

炽热的早期宇宙还是核聚变的理想场所，这是大爆炸理论的最后一个观测支柱。当宇宙温度高达10亿到100亿K时，较轻的原子核能够聚变为较重的原子核，这个过程被称为“大爆炸核合成”（big bang nucleosynthesis）。随着宇宙的膨胀，温度会迅速下降，因此核合成只能持续短短几分钟，聚变也只能发生在最轻的几种元素之间。宇宙中的大部分氦和氘都是在那个时候形成的。天文学家对宇宙中氦和氘丰度的测量结果，与大爆炸核合成的理论预言吻合。核合成还准确预言了宇宙中质子和中子的丰度，为大爆炸理论提供了进一步的证据。