原始火球

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第475页（3915字）

按照大爆炸宇宙学，宇宙物质最初集聚在一个极小的原始“原子”里，原始原子爆炸后诞生了今天的膨胀宇宙。

原始原子爆炸时温度极高，因此叫作“原始火球”。

1927年，比利时的勒梅特(A．G．Lemaitre)以爱因斯坦(A．Einstein)的广义相对论为基础，建立了大尺度空间随时间膨胀的概念；1929年，美国哈勃(E．P．Hubble)发现河外星系退行速度与距离成正比的关系；1930年，英国爱丁顿(A．S．Eddington)将二者结合起来，提出了膨胀宇宙的模型。在发现了太阳的巨大能源来自热核反应后，1948年美国伽莫夫(G．Gamow)等人把宇宙膨胀模型和基本粒子的运动相结合，建立了大爆炸宇宙学的理论雏型。后来经一些科学家进一步发展成为大爆炸宇宙学，又称“原始火球理论”或“α－β－γ理论”。

大爆炸宇宙学最初提出时，并未受到重视。1965年，美国彭齐亚斯(A．Penzias)和威尔逊(R．W．Wilson)发现了微波背景辐射，证实了伽莫夫的预言，使地位平平的大爆炸宇宙学上升为正统的宇宙学理论。

除了微波背景辐射，大爆炸宇宙学还有3个重要的观测支柱：观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比，用多普勒效应解释，红移就是宇宙膨胀的反映。迄今用各种独立方法对不同天体测定的年龄均与哈勃定律推算的宇宙年龄150～200亿年相洽，它们均可按良好的时序纳入大爆炸后宇宙整体演化的框架中。

在各种不同天体上，氦丰度大多为30%左右，用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此丰富的氦，而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。

在各种宇宙模型中，大爆炸宇宙模型说明的观测事实最多，理论也最完善，但仍有难以逾越的困难。譬如，由于大爆炸宇宙学表明观测到的宇宙在时间上有起点，空间上有边界，而一再引起哲学上关于宇宙有限无限之争。按照大爆炸宇宙学，宇宙的年龄是以原始大爆炸的时刻为起算点的，然而在此时刻及其以前的情况，现代物理学皆鞭长莫及。

大爆炸后的10^－44s称为普朗克时期，对这一时期的宇宙应当用量子引力理论来处理，但这套理论尚未健全，因此谈论这一时期宇宙的状态几乎完全是猜测。另外，在解释可观测宇宙大尺度均匀性时所遇到的视界问题，讨论宇宙空间曲率时碰到的平直性问题，在宇宙相变过程中出现的磁单极短缺问题，以及星系形成和重氢起源等问题，都是大爆炸宇宙学无法解释的。

60年代末期，美国的格拉肖(S．L．Glashow)、温伯格(S．Weinberg)和巴基斯坦的萨拉姆(A．Salam)建立了弱电统一理论，即把弱作用力和电磁作用统一在一种数学表达式中，推动了当代粒子物理学的迅速发展，使宇宙学家有可能对极早期的宇宙演化过程在物理学的范畴内作比较完善的描述。

随着弱电统一理论的建立，1980年美国古斯(A．Guth)对大爆炸宇宙模型进行了第1次修正，提出了暴胀宇宙模型。

该模型提出在宇宙演化的极早期的不稳定真空状态存在宇宙按指数膨胀的阶段，这个阶段称为暴胀阶段，它比大爆炸宇宙模型中出现的膨胀要快得多，暴胀的结果是宇宙极为剧烈地发生冷却，经历如同水变为冰那样的相变。暴胀结束后，形成对称破缺阶段，从而导致假真空能量密度的分解，产生大量粒子，区域再次加热，宇宙在此以后的演化同大爆炸模型完全一样。

古斯的暴胀模型排除了视界问题，因为根据这个模型，我们观测的宇宙的演化开始于比大爆炸模型范围小10⁵⁰倍的空间，所以，在暴胀阶段开始以前，可观测的宇宙部分的一切点都位于一般视界的界限之内，是有因果关系的，可以靠相互作用达到均匀和热力学平衡的状态。暴胀以后，宇宙应变成相当理想的平宇宙，因此平直性问题也迎刃而解，暴胀模型还解释了磁单极子少的原因：由于快速膨胀，磁单极子的密度变小，以致今天观测不到它。

但深入研究发现古斯的理论存在着新的困难，即宇宙急剧膨胀时期平稳结束的困难，另外，新阶段小气泡的混乱产生会导致宇宙产生大的不均匀。

1983年，前苏联林德(A．Linde)在古斯模型的基础上，提出新的暴胀理论。

他利用科尔曼和温伯格1974年提出的C－W势，消除了把假真空和真真空分隔开的势垒，因此在量子起伏和热扰动下，整个宇宙可沿着势曲线滚入到真真空态，从而避免了古斯理论中的隧道之辙。并且，在上述过程中整个宇宙只有一个泡，因此也就不存在众多泡相撞而产生的不均匀性了。

两年后，林德又提出了混沌暴胀理论，他认为具有一定取值范围的标量场，在真空对称缺破后，都可在时空中形成宇宙泡，每个宇宙泡在暴胀后形成一个“微宇宙”，每个微宇宙在暴胀后的大小都超过我们对宇宙的可观察尺度。因此，整个空间在暴胀前可以是不平直的，这样便解决了暴胀产生必须以空间原来已平直为前提这一难题。以后，又有理论物理学家进一步采用最新的粒子物理理论——超对称理论来构造更理想的势曲线，以代替C－W势。

应该说暴胀理论是成功的，它发展和完善了大爆炸宇宙模型，使宇宙有了相当完整的演化图：大约200亿年前，宇宙起源于一个极其致密高温的状态——奇点，奇点的不稳定性导致时空超光速激烈膨胀——暴胀，物质开始创生。

在宇宙年龄t=0．01s，温度T=10¹²K时，夸克和轻子形成。t=100s，T=10⁹K时，氢核和氦核形成，核合成结束。膨胀渐缓，宇宙随之冷却下来。物质形式开始从早期的辐射状态向重子状态过渡。

在t=50万a，T=10⁴K时，电子与原子核复合成为原子，引力的不稳定性使冷却下来的原始氢云凝聚为星系和恒星。经过漫长的岁月，演化成为今天看到的星空世界。暴胀理论还有待于进一步完善：在粒子物理中，是否能直接发现引至相变的标量场粒子，在宇宙学中，研究暴胀结束时，能否给出正确的粒子生成和非均匀初始条件，同后继的膨胀正确地衔接起来。

有暴胀阶段的宇宙大爆炸模型已能说明大部分观测事实。

但近几年，随着探测的空间深度的扩大，发现星系凝成结构的尺度远大于暴胀宇宙论的预言。“星系长城”是最巨型结构，延绵了170Mpc，最近得到的红外星系红移样本均揭示“长城”和“巨洞”的存在是星系大尺度分布的共同特征。当这些结构形成于宇宙早期时，它们理应在宇宙微波背景上留下印记。但20多年来的观测表明，微波背景辐射具有很好的各向同性，1989年美国发射的宇宙背景探测器(COBE)做了迄今最精确的测量，也未在辐射中发现不均匀的证据。

为了解释宇宙早期结构的形成，大爆炸宇宙学家提出了星系形成冷暗物质模型，但这种模型仅能成功地说明尺度小于3000万光年的成团结构，对尺度超过它十几倍的星系长城却无能为力。如果采用热暗物质模型，虽然能说明大尺度结构，但在说明较小尺度的星系和星系团时又有回避不了的问题。

看来要合理地解释星系的成因、大尺度结构的形成，可能不只需要一种暗物质。暗物质是目前宇宙学研究中的一个热点。

1990年4月24日，美国发射了哈勃空间望远镜。空间望远镜以哈勃命名寓意是深远的，哈勃定律导致了40年代末大爆炸宇宙学的诞生，90年代哈勃空间望远镜将把大爆炸宇宙学大大向前推进一步。哈勃空间望远镜能使哈勃常数的确定误差小到10%以内，可以准确地定出到星系的距离，定量地研究大爆炸的性质。通过观测手段，寻求对宇宙起源这个问题的基本答案。

另外，利用望远镜作时间机器，直接观测星系的过去，追踪星系随时间的演化。

作为第1只探测宇宙早期现象的卫星——COBE的巡天观测，也将获得越来越多的关于宇宙早期结构和演化的宇宙学参数。

可以预期，通过理论的研究，通过哈勃空间望远镜和COBE卫星给观测宇宙学带来的突破，宇宙学将得到更深的领悟。

宇宙学家希望将来能建立一种更好的理论，把大爆炸模型作为可观测宇宙的某种近似而包容进去，就像爱因斯坦的引力论包含并推广了牛顿的引力论那样。

。【参考文献】：

1 Rowan -Robinson M. Cosmology. 1978

2 Simon M. 'Hot'Big Bang Confirmed Astronomy Now, 1990,5:15

3 Jayant N. What if the big bang didn't happen? New Scientist, 1991,3(2):48

4 马珥．重任在肩的哈勃空间望远镜．科学，1991，1∶22

5 卞毓麟．宇宙学～～来自“不同见解”的反诘．科学，1991，3∶205

6 蒋元方，等．宇宙极早期的剧涨．现代物理知识，1992，1∶46

(北京天文馆李芝萍撰)