宇宙起源的另一種假設(shè)——宇宙大膨脹

速紅斌

紅塔集團(tuán)云南玉溪卷煙廠安保消防科，云南玉溪 653100

0 引言

宇宙是空間、時間、物質(zhì)和能量構(gòu)成的統(tǒng)一體，它從何而來，有多大，如何演化，求知的欲望迫使人類在不停地探索。從古代的神話傳說到地心說、日心說和著名物理學(xué)家勒梅特、伽莫夫提出的宇宙大爆炸理論。人類對宇宙的認(rèn)識越來越深刻，特別是近百年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，通過望遠(yuǎn)鏡我們可以看到100多億光年的天體，看到數(shù)千億的星系，能從更深的領(lǐng)域、層次和科學(xué)的角度去探索宇宙的奧秘。目前，大多數(shù)的人都同意宇宙大爆炸理論，但仍存在很多讓人迷惑的地方，如奇點的產(chǎn)生和大爆炸，反物質(zhì)是什么，暗物質(zhì)和暗能量之秘等。宇宙大膨脹假設(shè)是宇宙起源的另一種解釋，該假設(shè)對宇宙的誕生、宇宙加速膨脹等提出了不同的觀點，為我們探索宇宙打開了一扇新的窗子。

1 宇宙的起源

宇宙大膨脹假設(shè)認(rèn)為在宇宙誕生之前是太初世界，太初世界無限大，空無一物，沒有物質(zhì)、沒有能量、沒有光、沒有溫度、沒有時間，是一切都為零的世界。由于太初世界什么也沒有，要討論太初世界空間有多大，存在多長時間是無意義的，如果真要定個大小和時間，那就是無限大和無窮長。我們的宇宙將在太初世界中誕生。

宇宙的誕生開始于在太初世界出現(xiàn)了物質(zhì)，物質(zhì)的產(chǎn)生經(jīng)過了漫長的等待，是在偶然情況下出現(xiàn)的，這雖然是一個偶然事件，但是從太初世界存在時間的無窮長和空間上的無限大來看，物質(zhì)的出現(xiàn)是必然的。由于在太初世界要產(chǎn)生物質(zhì)是非常困難的，因此最初產(chǎn)生的物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常簡單和弱小，它的大小可能只有一個粒子大，或者比粒子還要小，所擁用的能量也非常的微弱。可把它叫做始粒子，始粒子的出現(xiàn)是宇宙從無到有的開端。

始粒子雖然很微小，但對于一切為零的太初世界，再小也是無限的大，它在太初世界中不可能平靜的存在，它出現(xiàn)后隨即在太初世界發(fā)生激烈反應(yīng)而發(fā)生爆炸。始粒子在太初世界的爆炸和目前已知的爆炸完全不同，爆炸將始粒子撕裂，分裂成多種物質(zhì)，物質(zhì)有正物質(zhì)和反物質(zhì)，正反物質(zhì)產(chǎn)生后不是簡單的相互湮滅，而是向四周擴(kuò)散，這些物質(zhì)進(jìn)入太初世界，發(fā)生新的爆炸，產(chǎn)生更多的物質(zhì)。物質(zhì)進(jìn)入到太初世界再發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生更多的物質(zhì)進(jìn)入太初世界而引發(fā)了連續(xù)不斷的爆炸并產(chǎn)生更多的物質(zhì)。每次爆炸后，未進(jìn)入太初世界而進(jìn)入宇宙空間的物質(zhì)間發(fā)生著相互作用和變化，隨著溫度的降低，形成能量、氫元素氦元素等，隨著溫度的進(jìn)一步下降，演化形成恒星，再經(jīng)過一系列的演化，從而組成星系。爆炸從宇宙誕生時一直在持續(xù)著，經(jīng)過了上百億年，目前我們的宇宙邊緣仍在爆炸，宇宙在永不停息地爆炸和膨脹，產(chǎn)生更多的物質(zhì)，形成無數(shù)的星系，現(xiàn)在宇宙已形成了上千億的星系。

2 膨脹中的宇宙

大膨脹假設(shè)認(rèn)為宇宙加速膨脹的原因是是物質(zhì)進(jìn)入太初世界引發(fā)連續(xù)爆炸，經(jīng)過無數(shù)次爆炸的加速使宇宙加速膨脹，沒有暗能量的存在。

始粒子的爆炸產(chǎn)生了第一批的新物質(zhì)，這批新物質(zhì)以始粒子所在位置為球心向外運動并爆炸，宇宙從一開始就在膨脹。而后，連續(xù)的爆炸形成大量物質(zhì)向各個方向擴(kuò)散，向外擴(kuò)散進(jìn)入太初世界的物質(zhì)在爆炸的作用下加速運動并引發(fā)下一次的爆炸，每一次爆炸都使向外運動的物質(zhì)加速，從而使宇宙在不斷加速膨脹，膨脹的速度有可能會超過光速。

而每一次爆炸后向內(nèi)進(jìn)入宇宙世界的物質(zhì)組成了宇宙中的物質(zhì)。因為爆炸是在向外加速運動中發(fā)生的，所以這些物質(zhì)也在向外加速膨脹，但膨脹的速度低于宇宙膨脹的速度。

根據(jù)科學(xué)家的研究，另外一個影響宇宙膨脹速度的是重力，它會減低宇宙的膨脹速度。早期宇宙形成的物質(zhì)受重力影響時間長，膨脹速度慢一些，而在宇宙后期形成的物質(zhì)受重力影響時間短，膨脹速度相對要快一些。

3 宇宙的物質(zhì)

始粒子出現(xiàn)后，隨著不斷的爆炸，宇宙有了物質(zhì)、能量、空間、溫度和時間等。同時宇宙空間在不斷的膨脹增大，時間經(jīng)過了上百億年。物質(zhì)的數(shù)量在增加并通過相互作用在發(fā)生演化。

在持續(xù)的爆炸中產(chǎn)生的物質(zhì)和能量在宇宙中相互作用，有的相互湮滅，有的生成質(zhì)子、電子、中子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。而后隨著溫暖降低，中子與質(zhì)子結(jié)合形成最簡單的氫元素和氦元素，氫元素和氦元素目前是占宇宙物質(zhì)總量的99%以上。其它化學(xué)元素的形成是通過恒星不同演化的八個階段而合成的，即霍伊爾和伯比奇夫婦、福勒四人提出的B2FH理論。化學(xué)元素生成之后，隨著溫度的進(jìn)一步降低，氣態(tài)物質(zhì)逐漸凝聚成氣云，而后逐漸形成各種各樣的恒星體系。

從始粒子出現(xiàn)后，宇宙以始粒子所在位置為球心向外連續(xù)爆炸并膨脹，空間不斷擴(kuò)大。由于爆炸是連續(xù)性的，早期爆炸生成的物質(zhì)演化成大量星系，而后期爆炸生成的物質(zhì)由于距爆炸后時間較短，物質(zhì)間相互作用的時間短，還處在星系形成的早期，尚未形成星體或者是數(shù)量稀少。如果把宇宙看成一個氣球，這個氣球在膨脹，氣球的中心星體較多，由中心向外星體越來越少，因此從觀測中發(fā)現(xiàn)宇宙深處星體較為稀少。

4 宇宙大膨脹的證據(jù)

宇宙大膨脹的最直接的證據(jù)是能觀測到宇宙邊緣物質(zhì)在太初世界的爆炸。但由于宇宙膨脹的速度太快，可能超過光速，在膨脹速度大于等于光速的情況下，在任何天體上都不可能觀測到物質(zhì)在太初世界爆炸的圖像，而要在實驗室模擬太初世界環(huán)境，制造爆炸，目前還做不到。這樣宇宙大膨脹的只能通過觀測的證據(jù)來證明。

哈勃定律是著名天文學(xué)家哈勃經(jīng)過多年觀測得出的定律，是指河外星系的視向退行速度與距離成正比，即距離越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離我們的速度越快，宇宙在加速膨脹。大膨脹假設(shè)認(rèn)為這是因為宇宙在連續(xù)爆炸和加速的膨脹過程中，物質(zhì)不斷加速運動導(dǎo)致距離越遠(yuǎn)的恒星遠(yuǎn)離的速度越快。

宇宙微波背景輻射是兩位美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的宇宙背景輻射，這是一種充滿整個宇宙、來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，溫度為3K。宇宙大膨脹假設(shè)認(rèn)為微波背景輻射是宇宙物質(zhì)在太初世界發(fā)生連續(xù)爆炸后遺留的。物質(zhì)進(jìn)入太初世界發(fā)生的爆炸具有相同屬性，每次爆炸都產(chǎn)生相同的溫度，從而在觀測中發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射。近來的測量表明，背景微波輻射在宇宙中有0.1%的變化。這是由于宇宙空間太大，爆炸雖然屬性相同，但因爆炸的時間和區(qū)域的不同產(chǎn)生了一定強(qiáng)弱。另外在宇宙的演化過程中微波輻射也會受到波動，這就有了背景微波輻射在宇宙中有0.1%的變化。還有科學(xué)家們在分析了宇宙中一個遙遠(yuǎn)的氣體云在數(shù)十億年前從一個類星體中吸收的光線后發(fā)現(xiàn)，其溫度確實比現(xiàn)在的宇宙溫度要高，背景溫度約為-263. 89℃，比現(xiàn)在測量的-273.33的宇宙溫度要高。宇宙大膨脹假設(shè)認(rèn)為這是因為爆炸是連續(xù)性的，早爆炸的區(qū)域溫度下降經(jīng)過了很長時間，降到了低點，后爆炸的區(qū)域由于時間短，溫度還沒降到低點，溫度相對較高。

目前科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)宇宙中的元素氫和氦占據(jù)了99.99%。宇宙大膨脹假設(shè)認(rèn)為這是物質(zhì)在太初世界中發(fā)生連續(xù)的爆炸，每一次的爆炸強(qiáng)度和性質(zhì)是相同的，所生成的物質(zhì)、溫度相同，經(jīng)過一系列的反應(yīng)最終形成氫和氦。而更重的碳、氧、硅、鐵等元素是在恒星的演變過成中合成的。

5 結(jié)論

宇宙大膨脹假設(shè)是在大爆炸理論基礎(chǔ)上設(shè)想出來的，它們的共同之處在于宇宙不是穩(wěn)恒態(tài)的，由非常小的尺寸爆炸膨脹而成的，爆炸產(chǎn)生了物質(zhì)、能量、空間、時間、溫度等，目前宇宙仍在加速膨脹中。不同之處主要在于大爆炸理論認(rèn)為宇宙是密度極大、溫度極高的奇點爆炸而誕生，爆炸時間非常長，目前宇宙仍在爆炸的過程中。大膨脹假設(shè)認(rèn)為宇宙由非常微弱的始粒子出現(xiàn)后引發(fā)爆炸而誕生，爆炸由中心向外連續(xù)發(fā)生，每一次爆炸時間很短，爆炸的位置在宇宙邊緣物質(zhì)與太初世界交匯處，經(jīng)過膨脹到達(dá)今天的狀態(tài)。

宇宙大膨脹是宇宙起源的另一種假設(shè)，對宇宙起源的提出了新的解釋，特別是始粒子的提出相比大爆炸理論的奇點讓人更容易理解。但是此假設(shè)還存在很多問題和疑問，如物質(zhì)在太初世界如何爆炸、宇宙如何膨脹、暗物質(zhì)之秘、宇宙的未來等需要我們進(jìn)一步的深入探索。

[1]史蒂芬·霍金著.果殼中的宇宙[M].吳忠超，譯.湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2]邁克·佩里康著.宇宙大爆炸[M].郭威，譯.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2010.

[3]袁岳編著.宇宙進(jìn)化史[M].北京：中國廣播電視出版社，2011.