发展中的大爆炸宇宙学说

大爆炸宇宙学（Big-bang cosmology）是天体物理学关于宇宙起源的理论.2014年3月18日，美国哈佛大学史密森天体物理中心的约翰·科瓦克博士宣布他的射电天文学团队发现了来自大爆炸的引力波证据.美国航空航天局（NASA）称，这是迄今为止证明宇宙膨胀理论最有力的证据.此次发现，使得大爆炸宇宙学说再次引起了科学界的关注.

1 大爆炸宇宙学的理论基础

宇宙是处于不断运动和发展中的物质世界.《淮南子·原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙.”在天文学上，我们把广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质总称为宇宙.宇宙学的任务就是寻找我们所能观测到的宇宙部分的大尺度特性和总体规律.千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是如何起源的？

1915年，爱因斯坦建立了广义相对论.广义相对论从一建立就与天文现象有着密切的关系，有关广义相对论的一系列关键性检验，都是由天文观测完成的.1916年爱因斯坦预言了引力波的存在.1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，发表了论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》，开创了现代宇宙学.广义相对论对理论天体物理学研究产生了巨大影响，成为现代天体物理学的重要理论基础.科学家们纷纷借助广义相对论把所观测到宇宙作为一个整体来研究，预言宇宙正在膨胀.

1927年比利时天文学家乔治·勒梅特从广义相对论出发，在理论上提出了大尺度空间随时间而膨胀的的观点.1929年，美国天文学家埃德温·哈勃通过观测发现，所有遥远的星系都在远离我们，并且距离越远的星系退行的速度越大，哈勃提出从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的谱线红移，建立了著名的哈勃定律.由哈勃定律可以推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说.从这一观点倒推回去，物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于一个密度极高且温度极高的状态.哈勃的发现暗示着存在一个大爆炸的时刻，当时的宇宙无限紧密，哈勃定律也成为宇宙膨胀理论的基础.

2 大爆炸宇宙学的主要观点

1932年勒梅特进一步提出“原始原子”爆炸起源的理论，认为最初宇宙的物质集中在一个超原子里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成今天的宇宙.1940年代，美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫与他的两个学生拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·海尔曼一道，将这一理论进一步发展.1948年伽莫夫和他的学生把相对论引入宇宙学，正式提出热大爆炸宇宙学说.热大爆炸宇宙学模型认为，宇宙最初开始于高温高密的原始物质，温度超过几十亿度.大约200亿年前发生了一次大爆炸，之后随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，形成了现在的星系等天体.他们还预言了宇宙微波背景辐射的存在，为大爆炸宇宙学打下了基础.

在现代宇宙学研究中，对于宇宙的起源有多种学说，大爆炸宇宙学是关于宇宙形成的最有影响的一种学说.大爆炸宇宙学认为，我们的宇宙曾经有一段从热到冷的演化史.在这个时期里，宇宙体系并非静止的，而是在不断地膨胀，致使物质的密度从密到疏发生演化.这个从热到冷、从密到疏的过程就如同一次规模很大的爆发（目前观测计算大爆炸的时间大约在距今138亿年前）.大爆炸宇宙学为我们描述了宇宙在初始状态之后的演化图景.爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在.大爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降.随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成通常的气体.气体逐渐凝聚成星云，星云进[JP3]一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们所看到的宇宙.[JP]

3 大爆炸宇宙学的验证

大爆炸宇宙学是通过实验观测和理论推导发展的.根据大爆炸理论，宇宙在初始状态后在不断膨胀.1929年哈勃所提出的星系谱线红移量与星系间距离成正比的哈勃定律，论证了我们的宇宙正处于膨胀之中的观点，成为支持大爆炸理论的一个有力证据.

1948年伽莫夫、阿尔菲和海尔曼在提出热大爆炸宇宙论时就曾预言，宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，从大爆炸以后冷却到现在，其温度约为几K或几十K.六十年代初，美国贝尔电话实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统.1964年，当他们测量围绕银河系的银晕气体射电强度时，意外地接收到一个连续不断的无线电干扰噪声，信号强度在各个方向上都一样，而且在以后的长时期测量中，也没有季节性变化.这种噪声的波长在7.35 cm微波波段，对应于有效温度为3.5K的黑体辐射.后来，在与普林斯顿大学的罗伯特·迪克探讨后，意识到这种无法消除的背景辐射正是伽莫夫等预言的宇宙大爆炸的残余辐射.经过进一步测量和计算，他们把辐射温度修正为2.7K，于1965年7月将这一发现公诸于世.彭齐亚斯和威尔逊的这一发现被称为3K宇宙微波背景辐射.3K微波背景辐射的实测结果与大爆炸理论的预言相符，成为大爆炸宇宙学的又一重要观测证据.由于这一发现，彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖.

宇宙微波背景辐射的发现，是继哈勃发现星系谱线红移后的又一重大天文发现，对现代宇宙学研究了产生的深远影响.此后，天体物理学家们做了更为精确的研究.1989年，美国航空航天局发射了宇宙背景探测者卫星（COBE）.1990年宇宙背景探测者团队取得初步测量结果，测得宇宙微波背景辐射非常精确地符合温度为2.726K的黑体辐射谱，显示大爆炸理论对微波背景辐射所做的预言和实验观测相符合.1992年他们又首次测量发现了微波背景辐射的各向异性.因这项工作，宇宙微波背景辐射计划的两位主要研究者约翰·马瑟和乔治·斯穆特获得了2006年诺贝尔物理学奖.诺贝尔奖评审委员会的公报指出：他们的发现，为有关宇宙起源的大爆炸理论提供了支持，他们的工作使宇宙学进入了“精确研究”时代.

从爱因斯坦建立广义相对论至今，哈勃定律和宇宙微波背景辐射的发现给大爆炸宇宙学以有力的支持！现在，大爆炸宇宙学说已被科学界普遍接受.但是，大爆炸宇宙学说并不是宇宙起源的唯一可能描述，也还存在着一些未解决的困难问题.在今天，大爆炸宇宙学说仍然是一个发展中的学说，很多科学家还在继续探索，对这一学说的细节进行修改和研究.本次美国科学家的新发现，再次为大爆炸宇宙学提供了证据，使我们对宇宙的认识更进了一步，对宇宙是如何形成的有了更多的了解.科学的探索是永无止境的，随着科技的进步与发展，科学研究与观测手段的日益先进，人类对于宇宙的认识必将越来越深入、越来越全面.