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宇宙大爆炸:有什么证据?

时间:2006-01-10 00:00来源:《科学与无神论》杂志2003.6 作者:白 杉 点击:
大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说,英文说法为 Big Bang,也称为大爆炸宇宙论。大爆炸理论诞生于20世纪20年代,在40年代得到补充和发展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论。大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙诞生于
  

大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说,英文说法为Big Bang,也称为大爆炸宇宙论。大爆炸理论诞生于20世纪20年代,在40年代得到补充和发展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论。大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙诞生于140亿年前,并曾有一段从热到冷的演化史。迄今人类已经获得的宇宙大爆炸证据有下列内容。

拍到的宇宙“婴儿期照片”

    2003年2月12日,美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”,为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。根据这张照片,科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是137亿年。据报道,这张珍贵的照片是美国宇航局科学家通过威尔金森各向异性微波探测器经过一年时间的观测获得的结果。照片中包含了许多令人震惊的信息,为支持宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论提供了新的依据,同时为揭开暗能量之谜指引了道路。据有关人士估计,这项成果是近几年宇宙研究中最重大的发现之一。

    威尔金森微波各向异性检测卫星(WMAP)图片显示130亿年的温度波动(表面颜色差异)与种子从萌芽发展到银河系相一致。解析图片可以找到很多问题的答案:诸如,宇宙的年龄和宇宙几何学。WMAP小组第一次给出了宇宙最古老光线的详细光效图。红色表示温暖,蓝色表示寒冷。椭圆形图片是整个天空的投影,地球也可以看成椭圆形。图片中的微波光线来自宇宙大爆炸后的38万年,大约是在130多亿年前。

美国宇航局的科学家说,这张照片中可以观测到的辐射是一种电磁波,它充满了整个宇宙。电磁波里包含的微观模型信息,显示了形成星系以及我们周围一切结构的萌芽的特征。这次公开的宇宙“婴儿期照片”清晰地显示了这个遗迹的存在,有力地支持了宇宙大爆炸理论。美国宇航局科学家贝内特认为:这张有关早期宇宙的照片是非常珍贵的,它告诉我们有关宇宙的各种信息。这张照片有两种用途。它不仅告诉我们宇宙的过去,还可以据此预测宇宙的将来。另外,图片还显示,宇宙中最早的恒星诞生于宇宙大爆炸发生的2亿年后,比许多科学家认为的要早得多。

报道称,根据这张照片,科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是137亿年,误差不超过百分之一。另外,图片中包含的信息还将帮助人们进一步了解占宇宙成分百分之七十三的神秘暗能量的性质。科学家表示,对宇宙微波背景辐射的研究还将持续三年,相信在这个领域的探索会继续对宇宙膨胀理论和暗能量的研究做出贡献。

发现伽玛射线脉冲形成机制

美国国家宇航局的Reuven Ramaty高能太阳分光镜成像卫星(RHESSI)2002年12月6日在拍摄太阳耀斑照片时意外地在横跨太阳边缘的背景区域捕捉到了一个极强的伽玛射线脉冲,首次提示出伽玛射线脉冲的偏振现象。这一发现表明磁场有可能是伽玛射线爆发的背后因素。太阳耀斑是太阳大气中的剧烈爆炸,通常由电磁能量的突然释放导致,伽玛射线脉冲则是伽玛射线的随机爆发,大约每天一次,其亮度约为太阳的百万万亿倍。以前的观察显示,伽玛射线脉冲有可能是一些特别的星体,如超新星,爆发时产生的,但并非所有的超新星爆发都能产生伽玛射线脉冲,因此伽玛射线脉冲的原理一直未能弄清。

    2003年5月,美国国家宇航局的一颗人造卫星在对太阳进行观测时意外地发现了一个有关伽玛射线脉冲形成机制的重要线索,这可能是迄今为止天文学家们发现的最重要的证据之一,它有可能揭示宇宙大爆炸的秘密。此次的发现对于研究伽玛射线脉冲的形成原理具有重要意义,美国天文学协会为此举行了一个特别的新闻发布会,负责这项研究的加州大学伯克利空间科学实验室的研究人员详细说明了他们的研究发现,其研究成果已经发布在了2003年5月22日出版的《自然》杂志上。参与此次研究的布莱思一丹尼斯(Brian Dennis)表示,Reuven Ramaty高能太阳分光镜成像卫星本来是用于研究太阳耀斑的,能够意外地发现有关伽玛射线脉冲原理的证据的确令人十分高兴。伽玛射线脉冲是整个宇宙中最为壮观的爆炸,因此它对于研究宇宙的形成具有非凡的意义。

    发现的“宇宙第一星”

    2002年11月1日出版的《自然》杂志报道说,一组来自瑞典、德国、澳大利亚、美国和巴西的科学家,最近发现了一颗遥远又模糊的古老星星,估计这颗星星可以追溯至宇宙的起源。这颗巨大的星星被称为HE0107-5240,它在双鱼座星云上,距离地球约3.6万光年。但由于它的光线非常弱,所以肉眼无法看到。它的最奇特之处在于,它几乎不含金属元素,这在银河系里是极其稀有的。虽然稀有,但科学家认为,宇宙间也许还存在着很多它的同类。  据报道,HE0107-5240仅比宇宙年轻10亿年,这颗宇宙的“遗物”已经存在超过120亿年了。HE0107-5240的金属含量极低,比1997年发现的金属含量最低的星星还要少20倍。这些古老的星星为研究星际形态的历史以及宇宙早期化学元素的合成提供了非常重要的线索。

    其实早在25年前,科学家就一直假设不含金属元素或低金属含量的星星是存在的,但在这以前从来没有人能证实这一理论的存在,科学家只能单方面进行猜测。科学家们相信在宇宙大爆炸后,宇宙是由最轻的元素氢、氦和锂组成的,后来由于发生了激烈的核聚合,经过化学反应,轻元素被合成了重金属元素,像碳、磷和铅。于是,其他元素在星星内部逐渐自然形成。所以从理论上来说,宇宙间应该曾经有大量不含金属元素或低金属含量的星星存在,而且至今仍存在于宇宙间,但在HE0107-5240被发现以前,从来没有人能证实一理论。科学家说:“这一发现意味着不含金属元素的星星确实存在。”科学家认为,此前一直未能发现HE0107-5240的存在,可能是由于观察不当所致。

    澳大利亚天文学家迈克尔·贝斯尔说:“HE0107-5240应该是由第一代星星的碎片形成的,所以它含有极少量的重元素。”宇宙第一代的星星由气体和爆炸产生的尘埃聚合而成,其特点是大块、能快速燃烧且存活时间短。当它们爆炸时,宇宙首次出现了重元素,天文学家称之为金属。爆炸残片导致了HE0107-5240的形成。贝斯尔还透露,由9名成员组成的观察小组是在对精心挑选出来的8000颗星星的考察中发现HE0107-5240的。目前,观察小组只观察了1/4的星星。

    通过对像HE0107-5240这样比较原始的星体周围气体的观测发现,在银河系和许多河外星系中,轻元素氦的同位素氘相对于氢的数量基本上是均匀分布的。这和许多重元素的非均匀分布形成了鲜明的对照,用宇宙大爆炸理论解释就是:因为大爆炸后最初几分钟内预期出现的高温高密状态极易导致轻元素的合成,而重元素则是在众多的恒星内核深处合成,直到发生超新星爆发时才大量散布开来的,它们相对于氢的数量不会是均匀分布的。发现HE0107-5240的天文学家说:“这些古老的星星为研究星际形态的历史以及宇宙早期化学元素的合成提供了非常重要的线索。”科学家们表示:“如果真能找到完全不含金属的星星,我们的研究将能直接进入宇宙大爆炸时原始大气的研究。”

    微弱电磁波出现偏振现象

    芝加哥大学的天文学家在2002年9月19日欣喜地向全球报道:通过271天,每天长达20个小时,对于南极天空的观测数据表明,人类对于宇宙诞生的大爆炸理论有了新证据。观测数据是从一台先进天文望远镜中收集来的。这台天文望远镜实际作用是一对偏光板。就是用这样的仪器,由约翰·卡尔斯姆(John Carlstrom)博士领导研究小组发现:被认为是大爆炸后遗留下来的微弱电磁波出现了偏振现象。小组还发现:当这些电磁波射向地球时,整个偏振的效果就像是一支美丽而神奇的羽毛。这就是说,大爆炸后的微弱电磁场是有规律可循的,不像人们想像中的那样杂乱无章。这就证实了理论学家所预测的那样:在宇宙出生后的40万年,宇宙的温度开始下降,并在宇宙中心产生原子。

在这个激动人心的新发现后,约翰·卡尔斯姆(John Carlstrom)博士马不停蹄在阿德勒(Adler)天文台,发布了这个消息。当时闻声而来的宇宙学家多达200人。约翰·卡尔斯姆(John Carlstorm)博士激动地在会上宣称,是美丽而神奇的羽毛般的偏振让我们了解了宇宙的过去。这个发现无疑让众多理论有了实践的基础,让人们相信整个宇宙是来自一种黑色能量物质。来自剑桥大学的马丁·瑞(Martin Rees)博士,理性地指出这是我们34年来的最大的成功。

    下一步计划是安装敏感度更强的天文望远镜,这样才有可能将工作进一步开展下去。众多专家认为下一个重大的突破将会发生在卫星上。目前还有更加困难的工作要做。正如:要建造一个比现在的仪器灵敏度高十倍的天文望远镜,来探测宇宙以及其他许许多多要解决的问题。尽管困难重重,约翰·卡尔斯姆(John Carlstrom)博士仍然对前途充满信心和想象。

    发现宇宙射线

    1965年,两个来自贝尔实验室的两位科学家发现了,并因此而获得了诺贝尔奖。根据理论的计算,约翰·卡尔斯姆(John Carlstrom)博士捕获的信息是宇宙出生后40万年的电磁波。约翰·卡尔斯姆(John Carlstrom)博士讲,本来效果可以更好,但是因为空气中有水蒸气从而影响了观测效果。还讲最好的研究位置是在卫星和高空气球上,但是天文望远镜无法安装在上面。为了减少水蒸气对实验的影响,他们选择了南极,因为这里寒冷,水蒸气相对较少。

    对于一些纯粹的爱好者来讲,约翰·卡尔斯姆(John Carlstrom)博士的发现可能不太好理解,为什么偏振让众多宇宙学家如此兴奋。为此约翰·卡尔斯姆(John Carlstrom)博士作了一个通俗地比喻,偏振本身比其他现象描述包含更多的信息,这也就类似于人们从彩色电视机中获得的信息比黑白电视机要多。

    测定遥远星系红化

    最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究。20年代,天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)研究了维斯托·斯里费(Vesto Slipher)所作的观测。他注意到,远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红化,并作了一张图。他发现,这种红化是系统性的,星系离我们越远,它就显得越红。

    光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝光位于短波端,红光位于长波端。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后,哈勃证实了这个效应。他认为,光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果。哈勃的这个重大发现奠定了现代宇宙学的基础。

    测得314的宇宙背景辐射

    早在20世纪40年代末,大爆炸宇宙论的鼻祖伽莫夫认为,我们的宇宙沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,其温度约为6K。正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气。1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师一彭齐亚斯和威尔逊,在调试他们那巨大的喇叭形天线时,出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声,各个方向上信号的强度都一样,而且历时数月而无边化。难道是仪器本身有毛病吗?或者是栖息在天线上的鸽子引起的?他们把天线拆开重新组装,依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声的波长在微波波段,对应于有效温度为3.5K的黑体辐射出的电磁波(它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况精确相符,这种辐射就是物理学家所熟知的“黑体辐射”)。他们分析后认为,这种噪声肯定不是来自人造卫星,也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源,因为在转动天线时,噪声强度始终不变。

    后来,经过进一步测量和计算。得出辐射温度是2.7K,一般称之为3K宇宙微波背景辐射。这一发现,使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近,正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持!这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇宙微波背景辐射的发现,为观测宇宙开辟了一个新领域,也为各种宇宙模型提供了一个新的观测约束,它因此被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定中指出:这一发现,使我们能够获得很久以前宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。

    其字传统证据

    比较传统的证据如下:a)哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。V=H*D,其中,V(Km/sec)是远离速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常数,为50;D(Mpc)是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。b)氢与氮的丰存度由模型预测出氢占25%,氦占75%,已经由试验证实。c)微量元素的丰存度对这些微量元素,在模型中所推测的丰存度与实测的相同。d)背景辐射的微量不均匀证明宇宙最初的状态并不均匀,所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。

时至今日,对于了解整个早期的宇宙来讲,现在发现的证据还只是万里长征的开始。在星系的起源和各向同性分布等方面,大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。目前最让人头疼的是宇宙膨胀的原因和确切的时间。

    作者简介:白杉,76140部队宣传处副处长

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