第五个里程碑:大爆炸宇宙学的提出与检验
哈勃的发现表明,宇宙是从高温、高密状态膨胀演化而来。这引发了伽莫夫(G. Gamow)在1946年提出宇宙大爆炸学说。从今天看到的宇宙几乎是以星系为“分子”的均匀气体,追溯到密度很高、温度很高的宇宙早期,那时,宇宙便真正成为了粒子的均匀气体。因此,早期宇宙应该是真正简单的物理体系,可以预期,早期宇宙的研究会提供更为简洁、可靠的成果。
随着宇宙的膨胀,密度、温度(因而粒子的热运动能量)就逐渐下降,宇宙将经历从高能到低能的极为丰富的物理过程的演化,粒子物理、核物理、等离子体物理、原子、分子乃至流体力学等各种物理过程在宇宙演化的各个阶段相继扮演重要角色。??表中给出了大爆炸宇宙学各个演化阶段以及相应的主要物理过程。下面将选择几个主要阶段作些讨论。
顺便指出,宇宙大爆炸学说经常被误认为宇宙是从高温高密的一个点向四面八方爆炸开来而成,好像真的像一团物质在一个无限空间中的某处爆炸那样。其实并非如此。大爆炸的含意实际上就是“膨胀”二字。物质与空间不可分,它们一起膨胀。这里,宇宙仍然可以有限,也可以无限,视宇宙平均物质密度大小而定。当宇宙平均密度大于某个值(称临界密度),宇宙就是封闭的;小于那个值,就是开放的;而恰好等于那个值,宇宙就是平直的。在通常条件下,封闭意味着有限,开放意味着无限,而平直介于两者之间,空间也是无限的。临界密度可以从哈勃常数计算出来。今天的宇宙临界密度大体相当于每立方米内只有约5个质子。
在宇宙早期很高的温度下,质子和中子固然可以复合成氘核并放出一个光子,但很高能量的光子碰撞氘核也会使它又分裂为质子和中子。氘核的结合能为2.2兆电子伏特,只要供给2.2兆电子伏特以上的能量,就可将氘核分裂为质子和中子。由于宇宙早期的光子数密度比质子、中子数密度要高几十亿倍,氘核是积累不起来的。但当宇宙膨胀降温到约109K时(相当于宇宙年龄为3分钟),光子的平均能量就降低到约为100千电子伏特,这时能使氘核分解为质子、中子的高能光子已经为数不多,氘核就可以显著地积累起来,并进一步反应生成氦4,核合成过程便可快速进行。核合成产生的轻核素中有四种是稳定的,即氦4、氘(即氢2)、氦3、锂7,而氚(即氢3)和铍7是放射性的,它们最终会衰变成氦3和锂7。
原初核合成的这4种轻核素的观测数据与大爆炸理论的预言符合得很好。粗略地说,氢占宇宙总质量的四分之三,氦4占四分之一,而所有其它元素质量的总和只占不足1%,氦3、氘、锂7的丰度都非常小。4种轻核素丰度的观测值均与理论计算值相符合,尽管丰度跨越了9个量级。
原初氦4是在宇宙年龄只有3分钟时形成的,而氦4又是宇宙间丰度极高,仅次于氕(即氢1)的第二号核素,在宇宙演化中有非凡的重要意义。要知道,自由中子的寿命只有一刻钟,如果中子不能在远短于一刻钟的时间内成功躲进氦4而成为稳定中子,世界上将不再有中子,氢以外的所有其它一切元素均无法形成。可见,理论算出来的“3分钟年龄”和“四分之一丰度”这两个数字是多么的重要,也多么的合理。正是这两个数字,保证了宇宙演化过程中有氦4为我们的宇宙保存了足够多的中子可以利用。元素周期表中除氕和那四个原初轻核素以外的各种元素就是在以后的恒星过程中由质子和氦4中的中子通过各种各样的核过程合成的。
轻核素原初合成给宇宙大爆炸学说提供了强有力的证据。不仅丰度的观测值与理论值符合得很好,而且我们可借此确定宇宙重子物质(看得见的物质)的密度。
类似地,质子(以及氘核、氦核)与电子可以复合成中性氢(氘、氦)原子而放出光子。如果光子能量高于电离能(对氢是13.6电子伏特),它就可以又把氢原子电离成质子和电子,因而氢原子积累不起来。同样因为光子数十分巨大,只有当宇宙继续膨胀而降温到约3×103K时(相当于宇宙年龄为38万岁),能电离氢原子的光子已经为数不多,宇宙便从等离子体状态转变为中性原子气体状态。由于中性原子不与光子发生作用,此后宇宙对于光子便变成透明的,光子在其中运动将不受碰撞改变而一直保持到今天。因此,大爆炸宇宙学又作出了一个精确定量的重要预言:今天应当仍然存在一种无处不在的保持着宇宙38万岁时脱胎出来的呈黑体辐射谱型的宇宙背景辐射。唯一的变化是,随着宇宙的膨胀,辐射波长从3000K的黑体谱红移成了2.725K的黑体谱。因为2.725K的辐射已在微波波段,所以常被称为宇宙微波背景辐射。
1964年~1965年,彭齐亚斯(A. A. Penzias)和威尔逊(R. W. Wilson)两位工程师在研究他们的微波天线性能时,无意中发现了一种噪声性辐射,它其实就是宇宙微波背景辐射。人们在看电视时,如果没有节目,屏幕上就会出现雪花噪声,其中约1%就是来自宇宙微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊当初只在一个固定波长(7.3厘米)上作了测量,定出相当于黑体辐射温度为3.5K(±1K)。后来,全世界许多人在各种各样的波长上进行测量,均符合黑体辐射谱。特别是在马塞(J. Mather)的领导下,利用1989年发射升空的宇宙背景探测者(COBE)卫星上的仪器(FIRAS)精确地测得了宇宙微波背景辐射谱,它是温度为2.725K的极好的黑体谱,与大爆炸宇宙学的理论预言精确一致。他们测得这种辐射是高度各向同性的(各个方向测得的等效温度相同)。这一点也与在宇宙学原理条件下得到的预言一致。因为发现宇宙微波背景辐射,彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。 |