地质科普之二：宇宙大爆炸

宇宙是如何形成的？

• 宇宙一词的来源
  

“宇宙"一词源于《 淮南子 · 原道训 》：”横四维而含阴阳，纮宇宙而章三光“。注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。” 地史学中的宇和宙，对应的英文为Eon和Eonthem，用以描述地质年代和地层。

• 宇宙大爆炸（Big Bang）理论

按照宇宙大爆炸理论，宇宙大约诞生于140亿年前，一个体积极小且密度极大的物质发生爆炸后，喷发出物质微粒和能量。也正是从那时起才开始产生了时间和空间、质量和能量。在大爆炸发生前，既没有物质，也没有能量，也没有生命。

在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。

当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。

温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。

当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

• 宇宙大爆炸理论的证据

大爆炸理论认为所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间短，即应小于140亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

1929年，哈勃利用当时全世界口径最大的光学望远镜(口径：2.54米)，测量到河外遥远星系，发来的光，其谱线有向红的一点移动的现象(就是频率降低)，不认为是一个全新的物理规律。沿用1846年多普勒发现的效应，波源移动，引起波长变化，用其解释测量现象，得到星系后退，后退速度与星系距离成比例的关系式，被称为哈勃定律。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。

1964年，彭齐亚斯和威尔逊在巨型号角天线上，测量到2.7的微波背景辐射，被定义为是宇宙大爆炸的余辉，获得1978诺贝尔物理奖；1989年11月，约翰·马瑟、乔治·斯穆特主持升空COBE卫星，测量到符合温度为2.726 K的黑体辐射谱的背景辐射，再一次认定为大爆炸余辉，并获得2006诺贝尔物理奖。

1999年，索尔·波尔穆特、布莱恩·施密特和亚当·里斯研究超新星，发现亮度衰减更快、红移更大，推理出宇宙加速膨胀的结论，并获得2011诺贝尔物理奖。

• 宇宙大爆炸理论面临的挑战

对于大爆炸后最初的几分钟，相关的观测严重缺乏，最早期宇宙物质——能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。

迄今为止，这场大爆炸是如何发生的——所谓的超新星爆炸的点火方式一直是个未解之谜。

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