宇宙大爆炸综述

宇宙学的历史发展与观测1.1神话创生下的的宇宙不变论由于古代科技的落后，世界各地的人们对宇宙只能通过肉眼观测，而且受统治阶级的影响，我们对宇宙的认识太过于局限化。古代人们对宇宙的认识更加贴近于神话传说，下面我们将介绍一些影响较为深远的学说。1.1.1中国古代的宇宙观中国古代伴随着人类认识的进步对宇宙的认识也在不断的进步，我们对宇宙的认识形式主要有盖天说、浑天说和宣夜说三种学说[1]。盖天说又叫做周髀说，主张“天圆如张盖，地方如棋局”[2]，也就是说大地如同棋盘的正方形，天如同大锅形状把大地罩住，而且天与地通过八根柱子连接并且相互隔开。浑天说主张天形似球形，地在它的中心；浑天说制造的浑天仪可演示日、月、星辰的视运动，使得在解释天体运动等方面比盖天说更具有说服力。宣夜说认为天是没有形质的，不存在一定形质的“天穹”，天是无边无际的气体，而日月星辰则是浮在无边无际的气体中游来游去。宣夜说是一种朴素的无限宇宙论，它的观点认为宇宙中的一切都是自然的，并且在一定的程度上否认了世界上有神的存在。1.1.2西方古代的宇宙观古代世界虽然有着地理和文化阻隔，但是对宇宙的认识却从来没有阻止中国之外的文明对宇宙的追求，在古希腊先后出现了爱奥尼亚学派、毕达哥拉斯学派、柏拉图学派和亚历山大学派[3]。爱奥尼亚学派认为万物都是从无限中产生的，消灭后会又回到无限中去，宇宙是球形的。毕达哥拉斯学派主张地球是球形的，地球的附近是空气和云，以外是日月星辰在绕地球做圆周运动；而菲诺芳斯认为宇宙的中心是炽热的火焰，反对地球是宇宙的中心。柏拉图学派认为宇宙是以地球为中心的同心球，球壳由内到外依次是月球、太阳、水星、金星、火星、木星、土星和恒星。亚历山大学派将地心体系充分发展形成了地心说，而且在当时的天文观测精度下托勒密的地心宇宙体系可以给出充分的解释。当然其它地方的文明也有他们的宇宙体系。我们可以看出，古代每一个文明下的宇宙都没有给出真实的解释，他们的宇宙观几乎都是一个二维体系下的宇宙，日月星辰都在一个球面上，这也是人类只能在用肉眼观测下的最高形式。直到人们开始利用工具去观测宇宙我们认识宇宙才逐渐空间化。1.2近代宇宙学的发展在《天体运动论》中哥白尼指出太阳是宇中心宙的[4]，他指出我们看到的日月星辰东升西落是因为地球每天都会自转一圈引起的，他还推出了水星离太阳最近，然后依次为金星、地球、火星、木星和土星，并且进一步算出了每颗行星和太阳之间的距离，这些数值与今天的数值甚至相差都不大。近代以来，随着科技的逐步发展，我们观测宇宙的方式从直接的肉眼观测变成用望远镜等方式，这也为我们重新认识宇宙得到了很大的改变，使得我们对宇宙的了解变得更加精确。今天，我们的科技更加发达，虽然我们今天的宇宙模型没有完全建立起来，但是，我们可以更加清楚的认识近代以来宇宙学的不足与一些缺陷。下面我们介绍近代以来的几种较为经典的宇宙模型。1.2.1牛顿静态宇宙模型人类历史上牛顿是最早利用科学的方法进行宇宙学研究的科学家之一。牛顿静态宇宙模型并不只是牛顿自己对宇宙学的论述，而是指在牛顿经典力学体系下人们对宇宙的整体特性形成的观念。牛顿静态宇宙模型的空间和时间有两个基本的观点：一是空间和时间既是相对的又是相互独立的，二是空间和时间都是无限的。在《自然哲学的数学原理》中牛顿写道：“绝对空间，就其本性来说，与任何未在的情况无关，始终保持着相似和不变[5]。”这里牛顿的观点认为绝对空间是与物质无关存放物质的一个容器，在里面到处都是无限延伸的，我们的天体充满着整个空间。在这个空间中即使没有物质空间仍然是存在的。在《自然哲学的数学原理》中牛顿还写道：“绝对的，真实的，数学的时间，由于自身的本性，与任何事物无关地、均匀地流逝[5]。”这里牛顿认为时间是所有共同依存但又不受任何事物的影响而独立存在的，也就是时间是无始无终的。我们可以看出，牛顿静态宇宙模型认为绝对时间无限流逝并且绝对空间永远静止不动。牛顿静态宇宙模型认为空间和时间都是没有止境的，它们不存在起始与终止的问题，这也是牛顿静态宇宙模型的精髓所在。1.2.2爱因斯坦有限无界宇宙模型广义相对论是牛顿引力理论与狭义相对论的基础上建立起来的，它是对空间、时间、物质和引力研究的理论。广义相对论揭示了四维时空与物质的统一关系，从中指出空间与时间不能与物质分离而单独存在，空间的结构取决于物质的分布[6]。广义相对论中指出空间到处都是物质，并且由物质产生的引力导致了空间是弯曲的黎曼空间，而不是平坦的欧几里德空间。黎曼空间表明，空间是弯曲的，它的弯曲说明它有一定的曲率，无论曲率怎样小，这个空间都是有限的。空间与时间在广义相对论是不可分的，时空的弯曲是由于引力场造成的，而这在黎曼空间上的符合表明宇宙空间是有限的。这里的引力场是由物质的万有引力引起的，引力场的大小决定了时空的弯曲程度。爱因斯坦利用引力场方程，提出了有限无界静止的宇宙模型。这个模型中，认为现实的三维空间是无界的空间，无论向任何一个方向走都不会走到尽头，不可能走到边界。虽然，这个模型在当时取得了很大的影响，但是，它有一个非常严重的缺陷，就是其具有不稳定性。爱因斯坦的这一模型认为宇宙静态的，表明他的几何性质也不随时间而改变。1.2.3恒稳态宇宙模型相对于牛顿静态宇宙模型与爱因斯坦有限无界宇宙模型来说，恒稳态宇宙模型是由英国天文学家邦迪、霍伊尔和戈尔德在大爆炸宇宙模型提出之后但不被大家所认可的情况下共同提出的。恒稳态宇宙模型的建立过程中试图绕开宇宙大爆炸模型的宇宙年龄以及奇点等无法解决的困难，这种模型承认宇宙在膨胀，只不过认为膨胀过程中宇宙的物质密度不变，这也使得其必须不断地产生新的物质，而刚好填补宇宙膨胀产生的密度减小的趋势[7]。当时的计算是每5000亿年，每一立方米就产生相当于一个氢原子的质量，这个质量是不可能观测的。恒稳态宇宙模型的这一陈述面临着质量守恒、能量守恒等基本的物理定律相违背的问题，后来的许多观测也都不支持这一宇宙模型。当然，再后来还出现了等级式宇宙模型等等，它们虽然都因与事实的不符而失败，但它们不断地发展也说明了我们随着科技在不断艰辛的探索宇宙。今天，我们更多的相信宇宙大爆炸，宇宙大爆炸模型也面临着许多问题，但探索宇宙的脚步从未停止。2宇宙大爆炸2.1宇宙大爆炸的提出宇宙的现代图像在1924年奠定，使得天文学家哈勃证明了我们的星系在宇宙中并不是唯一的一个星系，也就是说，除了我们的星系还有其它星系的存在，这使得我们又面临一个新的困难。我们无法通过用以往测量我们星系的方法直接去测量我们与其他星系间的距离。因为恒星的视亮度由其与我们之间的距离以及本身辐射的光度决定的，因此通过测量我们与求知恒星的视亮度和距离的方法算出在我们附近恒星的光度。哈勃利用间接的方法，如果我们在其他星系中找到与我们星系中相同光度的恒星，我们就可以算出我们离这些星系的距离。这使得我们观测的宇宙空间与以往的古人对宇宙的认识以及近代以来我们认识的狭小的宇宙空间相比我们有了很大的进步，我们可以更进一步认识真实宇宙。2.1.1红移的发现当我们对宇宙空间的观测足够大的时候，也使得我们对宇宙有了更加广泛的认识，天文学家在20世纪20年代观测到一些奇怪的现象，其他星系的光谱和我们的银河系一样也具有吸收光谱的特征线族，不同的是观测到的这些线族都向着光谱的红端移动了相同的相对量，这其实就是我们观测到宇宙中出现的光红移现象[8]。我们接下来将详细介绍宇宙中发现的红移现象。我们先介绍一种有趣的现象，生活中我们在路边等车时会发现有一辆警车驶向我们时警笛的声音比远离我们时要高，这一现象称之为多普勒效应。它的原理是波在波源靠近我们时接收到的频率变高，远离我们时接收到的频率变低。即波在波源移向我们的时候接收到的频率为：（2-1）波在波源远离我们的时候接收到的频率为：（2-2）（c为波速，为波源移动的速度，为波源的波长）。现实生活中声波会出现这种现象，同样，光波也会出现这种频率发生变化的现象。多普勒认为恒星有不同颜色的原因或许用他的理论可以说明，他假设一颗远离我们的恒星的光的波长将变得比原来更长，因为红光比其它可见光的波长要更长，所以这颗恒星将比其它一般的恒星的颜色更红一些。同样，向我们驶近的恒星的光的波长将变得更短，而它的颜色看上去更蓝[9]。多普勒提出这个观点后白贝罗和一些人很快表示反对，认为多普勒效应与恒星颜色的变化没有关系，他认为恒星远离我们的时候光会变成红色，但同时因为紫外光会变成可见光谱，使得恒星发出的光的整体颜色几乎没有变化，而恒星之所以有不同的颜色是因为其表面温度的不同引起的。多年以后，威廉姆·哈金斯指出，部分较为亮的恒星光谱中的黑线从它们在太阳光谱中的通常位置向着偏红或偏蓝的方向发生轻微的移动。他将其恰当称之为多普勒偏移，而造成这一现象的原因是这些恒星正在远离或者靠近我们。再后来1910年到1920年的十年时间里洛威尔天文台的维斯拖·梅尔文·斯莱弗发现许多星云的光谱线向红端或蓝端发生稍微的移动。通过对星系的距离观察编目，哈勃发现其中大部分的星系是红移的，这一发现说明大部分的星系都在远离我们。1929年，哈勃发表的星系红移的大小是和星系离开我们的距离成正比，而不是随机的结果令人诧异。换句话说，星系越远离开我们的越快，这表明宇宙不是处于静止的状态，而是在膨胀[10]。2.1.2膨胀的宇宙红移的发现证实了我们今天所处的宇宙在不停的膨胀，这也使得与以往的静态宇宙模型有了个明显的分界，从那时起人们更加相信宇宙不是一开始就是静止不变的，它不仅证实了宇宙在不断的膨胀，也为宇宙大爆炸模型的建立打开了良好的开端。哈勃红移是20世纪天文学方面的一个伟大发现，其是指遥远的恒星发出的光谱线中存在的红移现象。星系的红移量定义为 （2-3）（为实验室波长，也就是没有红移时的波长；为有红移时观测到的波长）[11]。在实际测量中发现，在星系的不同原子光谱线中如果红移是因为星系相对于我们远离，则其为多普勒效应所引起，而且这两种原子产生的红移应该是一样的。也就是说不同原子的光谱线波长与试验时测得的值一样，在实际比较中z值是个平均值。即：（2-4）（分别为两种不同原子的实验室波长，分别为两种不同原子的有红移时的波长）。哈勃通过统计发现星系的亮度越大，产生的红移量越小[12]。哈勃在1929年通过对24个星系的观测资料作出了如图2-1相应的距离与视向速度成正比的关系图，并且在后来哈勃和哈马逊合作通过观测更加遥远的星系确定了哈勃定律。下面我们进行哈勃定律的推导，首先用多普勒公式（2-5）图2-1速度-距离关系图Figure2-1Speed-distancerelationshipdiagram（其中为光速，为星系运行的速度），这样我们把视向速度与红移联系起来。将（2-3）代入（2-5）可得（2-6）当星系运行的速度不断接近光速时我们对（2-6）进行相对论修正可得（2-7）哈勃和哈马逊通过观测一批星系团中的亮星系，并且建立了星系视向速度的对数与视星等做出的斜线公式为（2-8）（为星系的视向速度，为视星等），且通过（2-9）（为从星系中中接收到的光流量）以及（2-10）（L为星系的光度，r为星系与我们之间的距离）将常数项归并得出（2-11）我们假设星系的内禀光度都是一样的，即将代入上式可得或（2-12）这就是有名的哈勃定律公式，将其代入（2-6）可得哈勃定律也可表示为（2-13）通过上式的哈勃定律公式可以明显看出星系的退行速度与星系离我们的距离成正比的关系。换句话说，星系之间离的越远，它们之间相互远离的速度就越大[13]。这一事实表明我们的宇宙正在发生着不断的膨胀。从哈勃定律的提出到今天我们所观测的宇宙发现没有与这一定律相违背的事实，也就是说这么多年整个宇宙的的确确处在不断的膨胀过程中。2.2宇宙大爆炸2.2.1伽莫夫的大爆炸宇宙模型在宇宙的膨胀被发现后，1932年勒梅特提出了宇宙是由极端高热以及极端压缩状态“原始原子”通过突发的膨胀产生的观点[14]。但是他的这一观点却无法解释原始原子与不同化学元素的关系，也不能相应对这些原始原子的分裂以及膨胀过程作出解释。这个观点启示了当时的核物理兼天体物理学家伽莫夫，并且伽莫夫在华盛顿的一次物理讨论会上受到另外一位物理学家贝特的启发。1948年伽莫夫与其学生以及贝特发表了《宇宙的演化》和《化学元素的起源》等文章，他们把弗里德曼和勒梅特的观点融入核物理中提出了较为完整的宇宙创生理论。他们提出新的理论认为原始基本粒子是在高压高温下突发膨胀开始创生的，他们利用当时已经知道的中子放射性衰变，自由的转变为质子以及电子等粒子，然后依次形成由轻到重的其它元素，随着宇宙的膨胀宇宙的温度开始逐渐的降低，宇宙中的各种粒子不断凝聚演变成星系、恒星等天体，然后这些天体进一步沿着天体演化的过程演变成我们今天所观测到的宇宙。当时的一些人对这个理论持反对意见并讽刺的将其称为“大爆炸”（Big-bangmodel），伽莫夫等人欣然接受并将他们的理论称之为“大爆炸宇宙模型”。由于当时的人们对这一宇宙模型不太接受，在将近二十年的时间里似乎被人遗忘，直到后来彭齐亚斯和威尔逊测到了宇宙的背景辐射以及核物理取得了更加充分的进步，大爆炸宇宙模型才重新回到了人们的视野。经过人们后来的不断完善，其模型成为了当今人们公认的“标准宇宙模型”。2.2.2标准宇宙模型爱因斯坦的广义相对论建立以后，我们认识的时空观和以往认识的产生了很大的区别，广义相对论下的空间可以弯曲，并且空间的尺度也随时间变化。在新的时空观下许多人又建立起了各种各样的宇宙模型，而在伽莫夫的大爆炸宇宙模型的基础上弗里德曼等人建立FLRW(Freidann-Lemaitre-Roberton-Walker)模型更让大多数人认同，这一模型称为标准宇宙模型，也简称为弗里德曼模型。为了更好的理解弯曲空间的性质，我们用球体来举例推导。假设这个球的半径为，那么这个球的球面曲率我们可以表示为。球面任取一点画一个沿球面度量半径为的圆，则这个圆的周长为（2-14）当远远小于时，泰勒级数展开有（2-15）式中的表示比上一项更小一阶的量。我们可以看出它与欧式空间中的长度（2-16）的区别。同理，可以通过这个圆的球帽面积为（2-17）当当远远小于时，泰勒展开式有（2-18）得出与欧氏空间中的面积（2-19）的区别。从上面的两个泰勒展开式可以看出，通过能够知道长度与面积计算出其球的曲率。这里，我们先来了解宇宙学原理：宇宙中的空间位置是处处等价的，也就是说我们在宇宙中的任何位置观察宇宙，我们看到的宇宙的大尺度特征是处处相同的。即宇宙在空间上的各个位置是均匀和各向同性的[15]。将上述球面扩展到宇宙空间，当它满足宇宙学原理的时候，这样的的时空罗伯逊（Robertson）和沃尔克（Walker）给出了在球坐标系（，，）下的表达式（2-20）（为宇宙的尺度因子，它表示的是宇宙尺度大小；是一个常数，表示空间的曲率，可取-1,0，+1三个值）。因为我们所处位置到点（，，）的距离不是,而是空间的流形距离，也就是上式得出的距离。所以为了计算方便，可假设其坐标系旋转到，可得（2-21）因此，可以由上式得出（2-22）这样我们可以得出表示的是测量距离与尺度因子的比。根据体积的定义可以得出到的体积为（2-23）将代入上式可以得出（2-24）将代入上式可以得出（2-25）将代入上式可以得出（2-26）将上式（2-22）代入这三个公式并进行泰勒级数展开，则可以把体积用测量距离表示为（2-27）可以得出，当时表示的是欧式空间；当时上式中第二项的表示欧氏空间意义下的曲率。这个式子我们可以把它用来检验大尺度空间的性质。根据宇宙学原理，我们把时空和光的传播距离联系起来可以得出宇宙的度规的一般形式为 （2-28）取将（2-20）代入上式可得（2-29）（表示的是一个时间的任意函数，表示一个任意的实常数），它称为罗伯逊-沃尔克度规。可以看出，空间中两点的固定距离与时间的任意函数成正比例关系，所以我们把又叫宇宙尺度因子，因此它随时间的变化反映出宇宙膨胀的进程。这里则表示的是宇宙空间的曲率因子，它在取不同值时分别对空间有如下表示：当时，为球面空间，表示的宇宙为有限封闭振荡的空间；当时，为平直空间，表示的宇宙为无限开放的，又叫做爱因斯坦-德西特宇宙；当时，为双曲面空间，表示的宇宙为无限开放。这里表示罗伯特-沃尔克度规中的径向坐标，它指的是径向共动距离坐标。我们知道是无法测量的，因为我们今天所测量的都是过去的光锥，它仅表示的是和星系一起运动的标志。因为真实可测的距离是，因此真实距离的变化用来表示。我们将罗伯逊-沃尔克度规表达式和下面的均匀各向同性介质的能量动量张量的式子（2-30）（为介质质元，其只随宇宙膨胀发生变化；为介质的密度，为介质的压强，它们是均匀的且随时间变化的）代入爱因斯坦场方程（2-31）可以得出下面的时-时分量方程（2-32）以及空-空分量方程（2-33）我们将上面的（2-32）、（2-33）两式联立通过消去式子中可以得出的一阶微分方程表达式为（2-34）以及因为能量动量张量在式中满足可以得出下面的一阶微分方程表达式（2-35）其等价于方程（2-36）由以上（2-34）、（2-35）两式可以看出其有三个未知，因此我们通过介质的性质可以得出一个新的关系式（2-37）便可以建立一个三个方程三个未知数的完备的动力学方程，这样我们就可以解出宇宙膨胀的进程中的参量以及密度和与时间的变化关系。我们建立的各种宇宙模型都是为了确定与时间变化的关系，标准宇宙模型中我们将通过泰勒展开的表达式为（2-38）其中第二项的系数为宇宙的膨胀速度，即哈勃常数的表达式（2-39）这样我们可以将标准宇宙模型的结论归纳为四点：1）我们的宇宙的起源来源于一次热大爆炸；2）宇宙中的物质分布满足宇宙学原理，即其分布为均匀和各向同性的；3）根据观测以及计算可以得出宇宙处于膨胀状态；4）宇宙的时空是用罗伯特-沃尔克度规来描述的。对上式进行讨论，当介质为非相对论时我们可以得到介质粒子的热动能远远小于静能，其满足可以解出（2-40）其为宇宙的密度主要来自物质静能，表现为今天的宇宙形势，我们可以用它来表达近期的宇宙膨胀过程。当介质为相对论时介质粒子的热动能大于静能，其满足可以解出（2-41）而我们今天宇宙的辐射总质量通过实测表明其主要来自的背景光子，满足（2-42）的辐射与实物之比。将（2-40）、（2-41）相比有如下关系式 （2-43）可以得出，时间越往以前越小，辐射占到的比例越大。当时间值不断往前追溯满足如下关系时（2-44）有，可以得出宇宙的早期以辐射为主。伽莫夫等人通过宇宙大爆炸理论对宇宙估计，在宇宙发生大爆炸之后，随着宇宙的膨胀使得辐射温度逐渐降低，宇宙背景辐射现在应该为5K左右，宇宙微波背景辐射的温度在1956年的发现证实了这个猜想。这也成为了宇宙大爆炸成立的最有力的证据。2.3宇宙大爆炸相关发现2.3.1背景辐射在原子物理中我们学习到氢原子通过质子与电子结合的同时会放出的结合能，并且当光子的能量大于时与氢原子发生碰撞会使氢原子发生电离。这样我们可以得知宇宙介质中以上能量的光子占的比例较大时氢原子会以电离状态存在于宇宙介质中。我们利用这一理论可以得知在早期的宇宙中在以上的温度时宇宙气体以电离的形式存在，离子与自由电子为电离气体中的基本成分。而且热平衡电离气体中也存在着普朗克分布的光子气体；在以下温度时离子与电子容易结合形成中性原子，而且光子使中性原子发生电离的可能性很小。这样我们可以推断宇宙中气体由等离子态通过相变形成了以中性原子为主的状态。光子在电离气体中自由程很短频繁地与带电粒子发生碰撞，而在稀薄的中性原子中自由程很长很难被吸收，我们可以得知原来存在的光子气体在相变后成了没有碰撞的组分得以永远保留下来[16]。这便是宇宙背景辐射场的理论预言。在实际证明过程中，我们利用三个宇宙背景辐射场的主要特征对其进行了证实，其特征为宇宙早期高度均匀性可知其分布高度地各向同性；宇宙早期高度热平衡可知其频谱应该满足普朗克公式；宇宙从形成至今使其温度降至以下。温度在以下时，其热辐射我们由维恩位移定律可知主要为微波波段，因此我们只能用适当的微波辐射计或射电天线来接收。1965年，彭齐亚斯与威尔逊抢先于普林斯顿大学的天体物理学家迪克发现了它，测得噪声温度为（2-45）式子中的表示的是天线与天顶的夹角，为大气的辐射，而且式中温度中有的是天线的欧姆损耗以及地球的辐射。普林斯顿大学的天体物理学家将剩余的进行理论解释，其他天文学家通过不同频率进行了重复探测使得宇宙背景辐射场在学术界得到大家的认可。1990年通过“宇宙探测者”卫星测得了其频谱，实际的定出了宇宙背景辐射温度为。通过宇宙背景辐射推断出宇宙大爆炸模型追溯到宇宙年龄为几千年时的结果符合实际。2.3.2暴胀模型我们对暴胀过程做一个了解，先令自作用势能密度在场中的形式为（2-46）对其用如图2-2表示，因为在场论中我们把能量最低的态称为真空，因此我们由图可知为其真空态，而且可以看出这种自作用表现出在场中为反号对称的特点。我们假设与真空态的差值为，则实际中真空态在的任意一个位置能量低于，场就会失去反号对称的的状态，我们把这种现象称为低能的自发破缺；而当高于，其会恢复原来的对称状态。我们把这种相应的标量场又称为希格斯场。图2-2希格斯位势Figure2-2Higgspotential我们通过量子统计方法，把的表达式转换为通过与的关系我们可以得出其不同的形式：（临界温度）时，有表示为真空态；2）时，真空态出现对称破缺；3）时，有为的极小，但不是最小。对于第三种情况而言，态不再是真空态而变成亚稳的假真空态，而这种状态会由自发地向对称破缺真空态发生跃迁。我们把这种跃迁称之为场的真空相变。对以上这种现象如果采用大统一模型，可知，对称真空在相变前的能量密度。我们将其用于对甚早期宇宙的影响，当宇宙温度高于时，有真空能密度远小于气体的能量密度，这样可忽略真空能，其符合标准模型，温度在附近时，真空相变因为势垒的阻隔不能在后立即发生，因此宇宙温度会随宇宙膨胀到以下，这时的真空在态处滞留使得宇宙仍处在相变前的过冷态。在这种状态下宇宙出现了真空为主的状态。我们利用前面的（2-34）公式，由于宇宙早期的密度项远大于曲率项可知其曲率项可以忽略，这样上式便可变为(2-47)其中真空能密度为常数，这样便有其解为（2-48）其中为当时计算的哈勃参量值。通过这个结果可以说明，相变完成之前宇宙发生了很剧烈的膨胀过程，我们将这其称之为暴胀。1981年，美国麻省理工学院的粒子物理学家古斯提出的暴胀模型解释了视界疑难、磁单极疑难以及平直性疑难[17]。他认为宇宙在创生的秒至秒时间里以非常大的速度快速的膨胀，即暴胀，而且认为在这之前宇宙的空间尺度范围比视界厘米还要小。宇宙的暴胀使得其空间尺度在秒内增大了倍，这样其不仅克服了视界疑难的没有因果联系的区域性问题；也让我们也避开了磁单极疑难的磁单极不能存在的问题，对于这一疑难他解释称我们观测到的宇宙范围内不存在磁单极的生成条件，并且我们观测的宇宙只是暴胀前一个很小的均匀区域，而磁单极只存在于区域间的交界处；暴胀模型认为宇宙空间是平直的空间，这样平直性疑难问题变成了肯定的问题。3宇宙的形成与演化过程3.1宇宙的年龄及各种模式我们在建立每一个宇宙的模型过程中都试图推算出宇宙是何时开始诞生的。在近代早期的宇宙研究中由于人们不了解星际消光的作用，甚至推算出宇宙的年龄不到20亿年，而当时人们已经测量得出地球以及恒星的年龄都超过了40亿年，这使得宇宙研究因为这个问题让无数人陷入深思之中。人们后来通过不断观测和计算才得出了让人们认可的宇宙年龄和相应的各种模式。我们接下来对当今认识的宇宙年龄进行一些简单的推算，宇宙的年龄我们可如图3-1所示的三种模式，我们将进行一一说明。图3-1宇宙的膨胀过程Figure3-1Theexpansionprocessoftheuniverse这里我们先来学习宇宙学密度，将（2-39）代入（2-34）可得（3-1）式中称为临界密度，其值取决于哈勃参数。表达式为（3-2）而且今天我们通过测出的哈勃常数得出其值为这样我们便可将宇宙学密度的表达式写为（3-3）（式中表示的是实际密度）。其中宇宙学密度与曲率因子有如下关系(3-4)我们通过前面的（2-34）、（2-40）求解推算相应的宇宙年龄，我们定义现在的宇宙时间为，我们通过牛顿万有引力定律可以推算出今天的一阶微分方程表达式为（3-5）将（2-34）与上式相减消去整理可以得出（3-6）由于任意归一，因此将当宗量且在今天取值为1处理，可以将（3-6）变换为一个随着时间变化的方程（3-7）当时便可以算出相应的宇宙年龄。而且由上式可以看出当时，如图3-1所示没有上限一直会随时间增大，说明宇宙会不断的膨胀下去。当时，如图3-1所示随时间先增大到一定值然后再减小到初始的值，说明宇宙先开始不断膨胀到一定值再重新塌缩到一起。对于，也就是而言，宇宙空间为平直的欧式空间。我们把这种宇宙模型叫做爱因斯坦-德西特宇宙，这时（3-7）积分有（3-8）宇宙从也就是时刻膨胀到现在，即可以得出这种模型下我们今天的宇宙年龄为（3-9）这样我们可以得出在这种模型下宇宙年龄仅是哈勃年龄的。当哈勃常数时我们可以计算出今天的宇宙年龄在130亿年左右。这种宇宙模型表现为无限开放型宇宙。对于，也就是而言，宇宙空间为封闭式的宇宙。对（3-7）的函数积分有（3-10）上式中时间达到满足关系式（3-11）这时的的宇宙膨胀到了最大，此时的极大尺度的关系式为（3-12）这时的宇宙将不再膨胀，而是开始收缩直到时间达到关系式（3-13）宇宙空间又重新收缩回一点，此时取以及假设的值时宇宙整个过程中的年龄（3-14）得出1200多亿年后宇宙又回到大爆炸时的原点。而且我们还可以知道现在的宇宙年龄为（3-15）即一百多亿年。这种宇宙模型表现为有限封闭型宇宙。同理对于，也就是而言，这种宇宙空间表现为开放的双曲面空间。对（3-7）的函数积分有（3-16）这种宇宙模型也表现为无限开放的形式，而且现在的宇宙年龄可以推算出其表达形式为（3-17）同理给出一个可以推算出今天的宇宙年龄。我们今天的宇宙年龄主要是通过测定每一个天体的年龄，因为宇宙的年龄必定大于每一个天体的年龄[18]，取这些天体年龄的最大值便是最为接近宇宙年龄的真实值。我们今天推算出的宇宙年龄在100亿年到200亿年之间，这也是我们今天大多数人认可的宇宙年龄。3.2宇宙的演化过程宇宙大爆炸表示宇宙诞生不同于地球上我们常见的一次爆炸，这个过程不是一个明确的中心发生爆炸，而是一开始就充满整个空间的在各个地方都发生的爆炸，这个过程中每个粒子都相对于其它粒子快速的远去。这使得宇宙空间增大的同时其温度不断下降，在这个过程中宇宙的辐射与物质成分间的比例也在不断发生变化。在物质成分的比例占得优势后，引力相互作用开始成为主要作用。这时候宇宙中的物质在引力的作用下开始逐渐形成星系和恒星。在这个过程中我们进行温度变化验证，这样对于辐射的成分有关系式（3-18）（式中的为能量密度，为辐射密度）。而宇宙膨胀过程中与总辐射能的关系为（3-19）我们将宇宙的膨胀看作绝热过程则其可以表示为（3-20）且有压力可以表示为（3-21）以及可得，将其与（3-19）和（3-21）代入（3-20）可以得出（3-22）或者为关系式（2-23）对其求解我们可以得出（3-24）又因为斯特藩-玻尔兹曼公式我们可以得出关系式（3-25）这样我们便推到出关系式（3-26）从这个式子我们可以得出宇宙的辐射温度与尺度因子成反比，即随着宇宙的膨胀，宇宙的辐射温度在不断的降低。同理，在物质方面进行验证有（3-27）其中物态方程用粒子物理表示则有（3-28）以及关系式（3-29）（式子中为粒子数密度，为玻尔兹曼常数）。其中粒子数为（3-30）为内的总粒子数。宇宙膨胀过程满足总粒子数守恒有（3-31）我们把式（3-28）和（3-29）代入式子（3-27）可以得出（3-32）其中第一项为零，第二项有，我们可以得出（3-33）对其求解我们可以得出（3-34）从这个式子我们可以得出宇宙的物质温度与宇宙尺度因子的二次方成反比，即宇宙在膨胀过程中物质温度逐渐下降[19]。我们对其进行总结可知将第一个推论代入斯特藩-玻尔兹曼公式（3-35）我们可以得出与的关系式为（3-36）且有物质密度关系知（3-37）因此我们可以得出关系式（3-38）即物质与辐射成分比例发生变化，宇宙膨胀使得物质成分不断的增多，辐射成分不断的减少。这样我们可以将宇宙的膨胀与物质演化联系起来形成一个宇宙演化的大概过程。首先宇宙由奇点大爆炸开始，然后通过不断的空间膨胀使得宇宙温度降低，进一步经历不同的时期。宇宙从奇点开始至大约秒，温度降低至，我们把这一时期称为普朗克时期；宇宙继续膨胀至秒期间，宇宙温度也随之降至，这一时期随温度的逐渐降低开始产生各种强子，这些强子中包括了介子、质子和中子，我们把这一时期称为强子时期；宇宙继续膨胀至5秒，宇宙温度也随之降低至，这一时期随温度的逐渐降低产生各种轻子，其中自由中子由于不稳定经过衰变产生其它粒子，关系式如下（表示质子，表示电子，表示反中微子），这一时期称之为轻子时期；宇宙继续膨胀由10秒至3分45秒，使得宇宙温度也随之降低至，宇宙中开始核合成过程，产生氘和氦，其中氘合成关系为（表示氘原子核，表示光子），我们把这一时期称之为核合成时期；这些过程后宇宙进入了辐射为主的时期，这时期宇宙各种物质成分几乎没有多大变化，宇宙只是随着不断的膨胀使得其温度不断降低，这一过程经历了大约50万年之久；在这之后宇宙温度降低至，这时候电子和质子开始形成氢，称之为复合时期；这之后宇宙逐渐进入了物质为主的时期。宇宙进入到物质为主的时期后，在物质为主的时期宇宙中的引力相互作用开始在宇宙中起主要作用，这时候的物质由无序的混乱状态变成有序的一定规则状态，宇宙中在复合时期之前形成的物质团不再随宇宙继续膨胀，而是由于引力的作用开始塌缩，经过漫长的引力将物质进行凝聚逐渐形成星系、星系群，星系团或星系超团成我们今天所看到的宇宙。今天，我们观察到宇宙还在继续膨胀，我们的宇宙还将继续演化形成我们未知的宇宙，我们将继续观测探索这个神秘的宇宙，继续验证宇宙的各种观点。4总结今天，宇宙大爆炸已经深入人心，标准宇宙模型几乎已经被当成正