浅说宇宙的诞生及二元有限无界等宇宙模型

宇宙万物从何而来？”、“宇宙有末日吗？”、“宇宙有限的还是无限的？”、“宇宙之外还有别的宇宙吗？”、“如果宇宙有开端，那么在这开端之前发生了什么？”

在人类认识自然的历史过程中，不断的提问和回答，但是却不断的有新问题与挑战。牛顿静态宇宙观并不单指牛顿本人的论述，而是泛指在牛顿经典力学体系架构下，对宇宙整体特性形成的观念。牛顿静态宇宙观对时间和空间有两个基本的认识：

① 时间和空间是绝对的，相互独立的；② 时间和空间都是无限的。

牛顿静态宇宙观很自然地被人们普遍接受，是因为它不需要回答如：“ 空间如果有界限，那么界限以外是什么？时间如果有起点，那么起点以前是怎样的？” 这些无法回答的问题。牛顿力学和电动力学的巨大成就使当时的物理学界认为物质世界的运动规律已经完全被掌握了。只要给出初始条件，就可以预知未来的一切物理过程。认真追究起来，牛顿静态宇宙模型早就暴露出一些不能自洽的蛛丝马迹。比如说，当用万有引力定律讨论宇宙局部区域受力的情况时,总是假定在足够远处的天体产生的引力为零，这就是牛顿模型不能自洽的破绽之一。

爱因斯坦1915年11月发表了广义相对论。广义相对论是在牛顿引力理论和狭义相对论的基础上发展起来的。它是研究空间、时间、物质和引力的理论。广义相对论进一步揭示了四维时空同物质的统一关系，指出空间和时间不能离开物质而单独存在。

爱因斯坦本人曾经举了一个生动的例子：在一个球的表面上有一只充分压扁的臭虫，它是二维的，身体没有任何厚度。它所处的宇宙是一个二维空间的宇宙，凭它的直觉和想象，不可能理解第三维。二元有限无界宇宙模型

爱因斯坦为了克服静态宇宙模型的不稳定性，在他的引力场方程中加进了一个常数项叫做宇宙项，表现为一种斥力，以抵消引力，起到了“负”物质的作用。

1922年苏联数学家弗里德曼发表了著名的论文《论空间的曲率》,求出了不含有宇宙项的引力方程的通解，得到一个膨胀的有限无界宇宙模型。23年之后，他的学生伽莫夫提出了举世闻名的“大爆炸”宇宙模型。

1929年，哈勃关系发表，宇宙膨胀终于为天文观测所证实。爱因斯坦得知这一消息，1931年1月29日亲自到哈勃所在的威尔逊山天文台了解情况，并立即表示支持天文学家的发现。他宣布：一个膨胀的宇宙是不需要什么宇宙项的。

伽莫夫的大爆炸宇宙论

1948年伽莫夫与他的学生阿尔弗和赫尔曼发表了《宇宙的演化》,与阿尔弗和贝特发表了《化学元素的起源》等文章，将弗里德曼和勒梅特膨胀宇宙的观念移植到核物理知识肥沃的土壤中，提出了一种比较完整的宇宙创生新理论。该理论认为，宇宙是由高温高压状态下的原始基本粒子突发膨胀而开始创生的。这些基本粒子开始时几乎全部都是中子，由膨胀导致的温度下降，使中子按照当时已熟知的放射性衰变过程自由地转化为质子、电子等，逐渐产生由轻到重的各种化学元素。

随着整个宇宙的膨胀和降温，各种粒子进一步形成星系、恒星等宇宙中的天体，然后沿着天体演化的阶梯一直延续到现在。现今宇宙中大量存在的氢和约占1/3的氦主要是早期宇宙的产物。

伽莫夫幽默地称呼他们提出的理论为α-β-γ宇宙创生理论，这三个排在最前面的希腊字母是阿尔弗、贝特、伽莫夫的姓氏。 1967年6月23日，时任科罗拉多大学教授的伽莫夫,得知宇宙背景辐射已经被测出的消息后大感欣慰，他给普林斯顿大学的皮布尔斯写信，说他们当初进行宇宙学研究时，射电天文学还处于幼年时期，没有办法直接探测到宇宙背景辐射。 1993年8月出版的美国《 天空望远镜 》杂志征求为大爆炸宇宙模型换一个更好的名称，应征信函多达一万多封，没有征得满意的结果,人们任然称之为“大爆炸宇宙模型”。

标准宇宙模型

随着近代基本粒子物理学的进展和天文观测证据的获得，大爆炸宇宙模型又以崭新的面貌重现世界，获得“标准宇宙模型”的桂冠，为大多数宇宙学家普遍接受。 这一模型之所以如此成功，是因为它建筑在近代粒子物理学坚实的基础上，而且与天文观测相一致，并且是最简单而又最自然的宇宙模型。

1989年，美国发射了“宇宙背景辐射探测器”，简称COBE卫星，精确地测量出宇宙背景辐射的温度为(2.735±0.016)开，1996年订正的高精度值为(2.728±0.004)开。按波长或频率分布的辐射强度与理论曲线几乎完全一致，令人信服地证明了大爆炸宇宙模型预言的背景辐射确实存在。

COBE卫星

宇宙背景辐射曲线：

温伯格的著名科普书《最初三分钟》，用当代粒子物理学知识描述了标准宇宙模型中宇宙创生的几部进程，大体分为以下几个画面。以下有图可以对应这几个阶段

第一个画面，宇宙创生伊始的1/10000秒，温度高达几十万亿开。第二个画面，时标0.01秒，温度1000亿开，小于强子的阈温，仍大于轻子的阈温。光子产生强子的反应已经停止，轻子仍大量产生。第三个画面，时标13.82 秒，温度30亿开，小于轻子的阈温。轻子也不能由光子碰撞产生出来, 物质被创造的任务已经完成。大量正、反轻子湮灭，轻子时代结束

第四个画面，时标3分46秒，温度9亿开，反粒子全部湮灭，只留存十亿分之一的正物质粒子，光子与物质粒子的比为 10 亿∶1。中子不再衰变，质子与中子的数量比保持为87∶13。这两个比值一直保持到现在。

第五个画面，时标30万～70万年，温度4000～3000开。此画面之前，宇宙尺度虽已膨胀到相当规模，但各种物质粒子大体均匀地分布在空间各处，悬浮於高温的光子之中，没有聚集，没有成团，没有形成复杂的结构。30万岁以后至70万岁，空间扩大，温度条件也允许，开始出现稳定的氢、氦原子，进入复合时代。

第六个画面，时标 4亿～5亿年，温度100开。70万岁以后，宇宙继续膨胀降温，辐射压力越来越小，引力上升为主要作用力，物质粒子开始聚集成团，第一批恒星诞生。此前的一段时期，天文学家称之为“黑暗年代”。当“黑暗年代”结束，恒星和星系成批诞生。星光灿烂的宇宙辉煌时期开始了，宇宙的大尺度结构逐渐形成。在星光的作用下，宇宙中的氢、氦原子再次电离，变成等离子体；在恒星内部，较轻的原子核聚变为较重的原子核。大恒星超爆又造就出更重元素的原子核。因恒星超爆而散落的原子核与太空和星云中的物质再度聚集，形成第二代、第三代恒星，一些恒星周围出现行星、卫星…

第七个画面，时标137亿年，温度2.7开，一颗小小的行星——地球上出现了万物之灵的人类（当然，也许还有别的行星上别的智慧生命）。人类智能的发展，不仅探测到物质宇宙最早的“原初辐射”遗迹－－宇宙背景辐射，而且试图了解宇宙创生的全过程。

以上就是标准宇宙模型所描述的宇宙创生的大致过程。从大爆炸到现在的宇宙进程：