[科普中國]-大爆炸宇宙論

簡介

“大爆炸宇宙論”（The Big Bang Theory）認(rèn)為：宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于137億年前一次大爆炸后膨脹形成的。1927年，比利時(shí)天文學(xué)家和宇宙學(xué)家勒梅特（Georges Lema?tre）首次提出了宇宙大爆炸假說。1929年，美國天文學(xué)家哈勃根據(jù)假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導(dǎo)出星系都在互相遠(yuǎn)離的宇宙膨脹說。

現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說。它的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，如同一次規(guī)模巨大的爆炸。該理論的創(chuàng)始人之一是伽莫夫。1946年美國物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認(rèn)為宇宙由大約140億年前發(fā)生的一次大爆炸形成。上世紀(jì)末，對Ia超新星的觀測顯示，宇宙正在加速膨脹，因?yàn)橛钪婵赡艽蟛糠钟砂的芰拷M成。1

產(chǎn)生原理爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復(fù)合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們?nèi)缃袼吹降挠钪妗?/p>

“宇宙并非永恒存在，而是從虛無創(chuàng)生”的思想在西方文化中可以說是根深蒂固。雖然希臘哲學(xué)家曾經(jīng)考慮過永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直堅(jiān)持認(rèn)為宇宙是上帝在過去某個(gè)特定時(shí)刻創(chuàng)造的。

基本假設(shè)大爆炸理論的建立基于了兩個(gè)基本假設(shè)：物理定律的普適性和宇宙學(xué)原理。宇宙學(xué)原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。

這些觀點(diǎn)起初是作為先驗(yàn)的公理被引入的，現(xiàn)今已有相關(guān)研究工作試圖對它們進(jìn)行驗(yàn)證。例如對第一個(gè)假設(shè)而言，已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)在宇宙誕生以來的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的相對誤差值不會(huì)超過10^（-5）。此外，通過對太陽系和雙星系統(tǒng)的觀測，廣義相對論已經(jīng)得到了非常精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；而在更廣闊的宇宙學(xué)尺度上，大爆炸理論在多個(gè)方面經(jīng)驗(yàn)性取得的成功也是對廣義相對論的有力支持。

假設(shè)從地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙學(xué)原理可以從一個(gè)更簡單的哥白尼原理中導(dǎo)出。哥白尼原理是指不存在一個(gè)受偏好的（或者說特別的）觀測者或觀測位置。根據(jù)對微波背景輻射的觀測，宇宙學(xué)原理已經(jīng)被證實(shí)在10^(-5)的量級上成立，而宇宙在大尺度上觀測到的均勻性則在10%的量級。

研究歷程初始階段許多人不知道的是，與大爆炸理論已經(jīng)成為常識(shí)的今天相比，在該理論剛剛提出之后的很長一段時(shí)間，世界科學(xué)界對其的態(tài)度是“嗤之以鼻”的。

這種奇怪的現(xiàn)象，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科學(xué)界受進(jìn)化論推翻“上帝創(chuàng)造論”的哲學(xué)思潮影響，盲目地反對傳統(tǒng)理論，不承認(rèn)如《圣經(jīng)》所言，宇宙是有一個(gè)起點(diǎn)的。這一時(shí)期的西方科學(xué)界普遍堅(jiān)持宇宙和物質(zhì)是恒定不變、無始無終的。因此對于所有涉及說宇宙和萬物都“有一個(gè)起點(diǎn)”的理論一概不予承認(rèn)。包括像愛因斯坦這樣的大科學(xué)家也受其影響。愛因斯坦在總結(jié)引力場方程，發(fā)現(xiàn)這個(gè)Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式將推導(dǎo)出宇宙其實(shí)是一個(gè)有著從未停止的物質(zhì)變化的動(dòng)態(tài)宇宙，于是在該公式中又強(qiáng)加了一個(gè)“宇宙常數(shù)”，以維持靜態(tài)宇宙的計(jì)算結(jié)果。也就是說，最初的場方程其實(shí)是這樣的：∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv，其中常數(shù)“∧”為宇宙常數(shù)。

驗(yàn)證階段但是自從1922年美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃開始觀測到到“紅移現(xiàn)象”開始，有關(guān)“宇宙膨脹”的觀點(diǎn)開始形成。

1929年，埃德溫·哈勃總結(jié)出了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即：不管你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去，而近處的星系正在向我們靠近。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙處于一個(gè)密度無限的奇點(diǎn)。

聽聞此事的愛因斯坦很快來到哈勃工作的威爾遜天文臺(tái)，在哈勃的帶領(lǐng)下親自進(jìn)行了紅移現(xiàn)象的觀測。訪問結(jié)束后，愛因斯坦公開承認(rèn)了自己主觀意識(shí)影響科學(xué)結(jié)論的錯(cuò)誤，并去掉了場方程中的宇宙常數(shù)，于是就有了我們今天所熟知的愛因斯坦場方程（Einstein Field Equation）。

成熟階段1948年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從一開始就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。"整個(gè)空間"可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或者指的是一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。

根據(jù)大爆炸宇宙論，早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。

爆炸簡史大爆炸開始時(shí)：約150億年前，體積無限小，密度無限大，溫度無限高，時(shí)空曲率無限大的點(diǎn)，稱為奇點(diǎn)。空間和時(shí)間誕生于某種超時(shí)空——部分宇宙學(xué)家稱之為量子真空（假真空），其充滿著與海森堡不確定性原理相符的量子能量擾動(dòng)。2

大爆炸后10-43秒（普朗克時(shí)間）：約1032度，宇宙從量子漲落背景出現(xiàn)，這個(gè)階段稱為普朗克時(shí)間。在此之前，宇宙的密度可能超過每立方厘米1094克，超過質(zhì)子密度1078倍，物理學(xué)上所有的力都是一種。（超對稱）在這個(gè)階段，宇宙已經(jīng)冷卻到引力可以分離出來，開始獨(dú)立存在，存在傳遞引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力（強(qiáng)、弱相互作用和電磁相互作用）仍為一體。2

大爆炸后10-35秒：約1027度，暴漲期（第一推動(dòng)），引力已分離，夸克、玻色子、輕子形成。此階段宇宙已經(jīng)冷卻到強(qiáng)相互作用可以分離出來，而弱相互作用及電磁相互作用仍然統(tǒng)一于所謂電弱相互作用。宇宙也發(fā)生了暴漲，暴漲僅持續(xù)了10-33秒，在此瞬間，宇宙經(jīng)歷了100次加倍（2100），得到的尺度是先前尺度的1030倍（暴漲的是宇宙本身，即空間與時(shí)間本身，并不違反光速藩籬）。暴漲前宇宙還在光子的相互聯(lián)系范圍內(nèi)，可以平滑掉所有粗糙的點(diǎn)，暴漲停止時(shí)，今天所探測的東西已經(jīng)在各自小區(qū)域穩(wěn)定下來，而這被稱為暴漲理論。2

大爆炸后10-12秒：約1015度，粒子期，質(zhì)子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、電子、夸克以及膠子穩(wěn)定下來。宇宙變得足夠冷，電弱相互作用分解為電磁相互作用和弱相互作用。輕子家族（電子、中微子以及相應(yīng)的反粒子）需要等宇宙繼續(xù)冷卻10-4秒才能從與其他粒子的平衡相中分離出來。其中中微子一旦從物質(zhì)中退耦，將自由穿越空間，原則上可以探測到這些原初中微子。2

大爆炸后0.01秒：約1000億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。

大爆炸后0.1秒后：約300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后：約100億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。

大爆炸后10秒后：約30億度，核時(shí)期，氫、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。當(dāng)宇宙冷卻到109開爾文以下（約100秒后），粒子轉(zhuǎn)變不可能發(fā)生了。核合成計(jì)算指出，重子密度僅占拓?fù)淦接钪嫠栉镔|(zhì)的2%~5%，強(qiáng)烈暗示了其他物質(zhì)能量的形式（非重子暗物質(zhì)和暗能量）充滿了宇宙2。

大爆炸后35分鐘后：約3億度，原初核合成過程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后1011秒（104年），溫度約為105開爾文，物質(zhì)期。在宇宙早期歷史中，光主宰著各能量形式。隨著宇宙膨脹，電磁輻射的波長被拉長，相應(yīng)光子能量也跟著減小。輻射能量密度與尺度（R）和體積（4πR3/3）的乘積成反比例減小，即安1/R4減小，而物質(zhì)的能量密度只是簡單地與體積成1/R3反比例減小。一萬年后，物質(zhì)密度追上輻射密度且超越它，從那時(shí)起，宇宙和它的動(dòng)力學(xué)開始為物質(zhì)所主導(dǎo)。2

大爆炸后30萬年后：約3000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。

量子真空在暴漲期達(dá)到全盛，之后便以暗能量的形式彌漫于全宇宙，且隨著物質(zhì)和輻射密度迅速減小，暗能量越來越明顯。暗能量可能占據(jù)宇宙總能量密度的2/31，從而推動(dòng)了宇宙加速膨脹。2

觀測事實(shí)大爆炸理論的科學(xué)性令人不得不信服。最直接的證據(jù)來自對遙遠(yuǎn)星系光線特征的研究。20年代，天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）研究了維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）所作的觀測。他注意到，遠(yuǎn)星系的顏色比近星系的要稍紅些。哈勃仔細(xì)測量了這種紅化，并作了一張圖。他發(fā)現(xiàn)，這種紅化（紅移）是系統(tǒng)性的，星系離我們越遠(yuǎn)，它就顯得越紅。

光的顏色與它的波長有關(guān)。在白光光譜中藍(lán)光位于短波端，紅光位于長波端。遙遠(yuǎn)星系的紅化意味著它們的光波波長已稍微變長了。在仔細(xì)測定許多星系光譜中特征譜線的位置后，哈勃證實(shí)了這個(gè)效應(yīng)。他認(rèn)為，光波變長是由于宇宙正在膨脹的結(jié)果。哈勃的這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)就奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。

膨脹中宇宙的性質(zhì)使許多人困惑不解。從地球的角度來看，好像遙遠(yuǎn)的星系都正飛快地遠(yuǎn)離我們而去。但是，這并不意味著地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨脹圖像都是相同的。可以說每一點(diǎn)都是中心，又沒有一點(diǎn)是中心（解釋得最好的是一幅畫：三維空間的切割）。我們最好把它想象成星系間的空間在伸長或膨脹，而不是星系在空間中運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)與我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降脑从谝稽c(diǎn)的爆炸不同。

空間可以伸長這一事實(shí)看上去似乎離奇古怪，不過這卻是1915年愛因斯坦廣義相對論發(fā)表以來科學(xué)家們早就熟知的概念。廣義相對論認(rèn)為，引力實(shí)際上是空間（嚴(yán)格地說是時(shí)空）彎曲或變形的一種表現(xiàn)。從某種意義上來說空間是有彈性的，可以按某種方式彎曲或伸長，具體情況取決于物質(zhì)的排列。這個(gè)思想已為觀測所充分證實(shí)。

相關(guān)概念膨脹空間膨脹空間的基本概念可通過一項(xiàng)簡單的模擬來加以理解。想象在一條松緊帶上縫有一排紐扣。假定從松緊帶的兩端把它拉長，結(jié)果所有的紐扣都彼此遠(yuǎn)離。不論我們選擇從哪個(gè)紐扣來看，它鄰側(cè)的紐扣似乎都在遠(yuǎn)離，而且這種膨脹是處處相同的，不存在特殊的中心。當(dāng)然，我們在畫這排紐扣時(shí)，它有一個(gè)中心紐扣，但這與系統(tǒng)的膨脹方式毫不相干。只要把這條帶紐扣的松緊帶無限加長，或環(huán)成一個(gè)圓圈，這個(gè)中心便不再存在了。

從任意一個(gè)紐扣來看，離它最近的[url紐扣以某種速度退行，再下一個(gè)紐扣則以兩倍數(shù)度退行，依此類推。在你看來，紐扣離得越遠(yuǎn)，它退行得越快。因此這種膨脹意味著退行速度與距離成正比-這是一個(gè)極為重要的關(guān)系。借助這個(gè)圖像，我們就可想象出光波是，難怪哈勃發(fā)現(xiàn)，紅移量與距離成正比，同這個(gè)簡單的圖像模擬結(jié)果完全一致。

視界大爆炸時(shí)空的一個(gè)重要特點(diǎn)就是視界的存在：由于宇宙具有有限的年齡，并且光具有有限的速度，從而可能存在某些過去的事件無法通過光向我們傳遞信息。從這一分析可知，存在這樣一個(gè)極限或稱為過去視界，只有在這個(gè)極限距離以內(nèi)的事件才有可能被觀測到。另一方面，由于空間在不斷膨脹，并且越遙遠(yuǎn)的物體退行速度越大，從而導(dǎo)致從我們這里發(fā)出的光有可能永遠(yuǎn)也無法到達(dá)那里。從這一分析可知，存在這樣一個(gè)極限或稱為未來視界，只有在這個(gè)極限距離以內(nèi)的事件才有可能被我們所影響。以上兩種視界的存在與否取決于描述我們宇宙的FLRW模型的具體形式：我們現(xiàn)有對極早期宇宙的認(rèn)知意味著宇宙應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)過去視界，不過在實(shí)驗(yàn)中我們的觀測仍然被早期宇宙對電磁波的不透明性所限制，這導(dǎo)致我們在過去視界因空間膨脹而退行的情形下依然無法通過電磁波觀測到更久遠(yuǎn)的事件。另一方面，假如宇宙的膨脹一直加速下去，宇宙也會(huì)存在一個(gè)未來視界。

微波輻射（1978年諾貝爾物理獎(jiǎng)）早在四十年代末，大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫認(rèn)為，我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，其溫度約為6K。正如一個(gè)火爐雖然不再有火了，還可以冒一點(diǎn)熱氣。

1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師－彭齊亞斯和威爾遜，在調(diào)試他們那巨大的喇叭形天線時(shí)，出乎意料地接收到一種無線電干擾噪聲，各個(gè)方向上信號的強(qiáng)度都一樣，而且歷時(shí)數(shù)月而無變化。

難道是儀器本身有毛病嗎？或者是棲息在天線上的鴿子引起的？他們把天線拆開重新組裝，依然接收到那種無法解釋的噪聲。這種噪聲的波長在微波波段，對應(yīng)于有效溫度為3.5K的黑體輻射出的電磁波（它的譜與達(dá)到某種熱平衡態(tài)的熔爐內(nèi)的發(fā)光情況精確相符，這種輻射就是物理學(xué)家說熟知的"黑體輻射"）。他們分析后認(rèn)為，這種噪聲肯定不是來自人造衛(wèi)星，也不可能來自太陽、銀河系或某個(gè)河外星系射電源，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動(dòng)天線時(shí)，噪聲強(qiáng)度始終不變。

后來，經(jīng)過進(jìn)一步測量和計(jì)算。得出輻射溫度是2.7K，一般稱之為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)，使許多從事大爆炸宇宙論研究的科學(xué)家們獲得了極大的鼓舞。因?yàn)榕睚R亞斯和威爾遜等人的觀測竟與理論預(yù)言的溫度如此接近，正是對宇宙大爆炸論的一個(gè)非常有力的支持！這是繼1929年哈勃發(fā)現(xiàn)星系譜線紅移后的又一個(gè)重大的天文發(fā)現(xiàn)。

宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為觀測宇宙開辟了一個(gè)新領(lǐng)域，也為各種宇宙模型提供了一個(gè)新的觀測約束，它因此被列為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一。彭齊亞斯和威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典科學(xué)院在頒獎(jiǎng)決定中指出：這一發(fā)現(xiàn)，使我們能夠獲得很久以前宇宙創(chuàng)生時(shí)期所發(fā)生的宇宙過程的信息。

氦豐度最后還有一個(gè)證實(shí)熾熱高密度宇宙起源理論的證據(jù)。只要知道今天熱輻射的溫度，由熱大爆炸理論很容易計(jì)算出宇宙誕生后約1秒時(shí)各處的溫度約為100億度，這對現(xiàn)有的原子核的合成來說也是太高了。那時(shí)物質(zhì)必定被撕裂成最基本的成分，形成一鍋夸克膠子湯，諸如質(zhì)子、中子和電子。但是，隨著這鍋湯變冷，核反應(yīng)就可能出現(xiàn)了。

采用大爆炸模型可以計(jì)算氦-4、氦-3、氘和鋰-7等輕元素相對普通氫元素在宇宙中所占含量的比例。所有這些輕元素的豐度都取決于一個(gè)參數(shù)，即早期宇宙中光子與重子的比例，而這個(gè)參數(shù)的計(jì)算與微波背景輻射漲落的具體細(xì)節(jié)無關(guān)。大爆炸理論所推測的輕元素比例（這里是元素的總質(zhì)量之比而非數(shù)量之比）大約為：氦-4/氫=0.25，氘/氫=10^-3，氦-3/氫=10^-4，鋰-7/氫=10^-7。

實(shí)際測量到的各種輕元素豐度和從光子重子比例推算出的理論值加以比較，可以發(fā)現(xiàn)它們是粗略符合的。其中理論值和測量值符合最好的是氘元素，氦-4的理論值和測量值接近但仍有差別，鋰-7則是差了兩倍，對于后兩種元素的測算存在著較大的系統(tǒng)隨機(jī)誤差。盡管如此，大爆炸核合成理論所預(yù)言的輕元素豐度與實(shí)際觀測可以認(rèn)為是基本符合，這是對大爆炸理論的強(qiáng)有力支持。到目前為止，還沒有其它理論能夠很好地解釋并給出這些輕元素的相對豐度。同時(shí)，由大爆炸理論所預(yù)言的宇宙，其中可被“調(diào)控”的氦元素含量也不可能超出或低于現(xiàn)有豐度的20%至30%。事實(shí)上，很多觀測結(jié)果現(xiàn)今也只有大爆炸理論可以解釋，例如為什么早期宇宙中氦的豐度要高于氘，而氘的含量又要高于氦-3，而且比例又是常數(shù)等。

主要證據(jù)2014年3月17日美國物理學(xué)家宣布，首次發(fā)現(xiàn)了宇宙原初引力波存在的直接證據(jù)。

原初引力波是愛因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對論中提出的，它是宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時(shí)空波動(dòng)，隨著宇宙的演化而被削弱。科學(xué)家說，原初引力波如同創(chuàng)世紀(jì)大爆炸的“余響”，將可以幫助人們追溯到宇宙創(chuàng)生之初的一段極其短暫的急劇膨脹時(shí)期，即所謂“暴漲”。

然而，廣義相對論提出近百年來，源于它的其他重要預(yù)言如光線的彎曲、水星的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)等都被一一被證實(shí)，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在于其信號極其微弱，技術(shù)上很難測量。
美國哈佛-史密森天體物理學(xué)中心等機(jī)構(gòu)物理學(xué)家利用架設(shè)在南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡，觀測宇宙大爆炸的“余燼”—微波背景輻射。微波背景輻射是由彌漫在宇宙空間中的微波背景光子形成的，計(jì)算表明，原初引力波作用到微波背景光子，會(huì)產(chǎn)生一種叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的擾動(dòng)，都產(chǎn)生不了這種B模式偏振，因此B模式偏振成為原初引力波的“獨(dú)特印記”。觀測到B模式偏振即意味著引力波的存在。
南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點(diǎn)之一。研究人員在這里發(fā)現(xiàn)了比“預(yù)想中強(qiáng)烈得多”的B模式偏振信號，隨后經(jīng)過3年多分析，排除了其他可能的來源，確認(rèn)它就是原初引力波導(dǎo)致的。

2016年年初，美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和歐洲引力波天文臺(tái)（VIRGO）的科學(xué)家聯(lián)合宣布，他們探測到了兩個(gè)約為30倍太陽質(zhì)量的黑洞在13億年前的并合產(chǎn)生的引力波，這一發(fā)現(xiàn)被稱為“世紀(jì)發(fā)現(xiàn)”。

理論獲獎(jiǎng)美國人索爾·珀?duì)栺R特和亞當(dāng)·里斯以及持有美國和澳大利亞雙重國籍的布賴恩·施密特獲得2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評審委員會(huì)4日評價(jià)，這3名獲獎(jiǎng)?wù)摺把芯繋资w處于爆炸狀態(tài)的恒星即‘超新星’，發(fā)現(xiàn)宇宙正在擴(kuò)張過程中，擴(kuò)張速率不斷加速”。在瑞典首都斯德哥爾摩瑞典科學(xué)院內(nèi)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)當(dāng)?shù)貢r(shí)間11時(shí)45分（北京時(shí)間17時(shí)45分）揭曉。

珀?duì)栺R特、里斯和施密特的研究對象，是一些大質(zhì)量恒星在演化后期伴隨星核與星殼分離出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，即超級規(guī)模大爆炸。質(zhì)量相當(dāng)于太陽的8至25倍的恒星以超新星爆發(fā)方式結(jié)束“生命”，而恒星外側(cè)氣體包則高速拋離，所顯現(xiàn)的絕對光度可超過太陽光度100億倍。分析特定類型的超新星爆發(fā)，珀?duì)栺R特、里斯和施密特所屬的研究小組發(fā)現(xiàn)，超過50顆超新星所顯現(xiàn)的光度比先前預(yù)期暗淡。對這一結(jié)果的解釋，是宇宙正在加速擴(kuò)張。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，被瑞典皇家科學(xué)院稱為“震動(dòng)了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)”。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評審委員會(huì)認(rèn)定，3名獲獎(jiǎng)?wù)咚@研究結(jié)果改變了人類對宇宙的認(rèn)識(shí)?！皩⒔粋€(gè)世紀(jì)，一種公認(rèn)看法是，宇宙正在擴(kuò)張，是大約140億年前‘大爆炸’的結(jié)果?！痹u審委員會(huì)說?！安贿^，發(fā)現(xiàn)宇宙擴(kuò)張正在加速，令人驚異?！痹u審委員會(huì)介紹說，“如果擴(kuò)張繼續(xù)加速，宇宙將以冰凍狀態(tài)終結(jié)。”另外，3人的研究，確認(rèn)了最初由科學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出的一種理論，即他稱之為“宇宙學(xué)常數(shù)”的理論。1998年，珀?duì)栺R特主持一個(gè)研究小組，施密特則主持成員包括里斯的另一個(gè)研究小組。兩個(gè)小組各自努力，相互“競爭”，而觀測結(jié)果可謂“不約而同”。評審委員會(huì)宣布，獎(jiǎng)金1000萬瑞典克朗（約合146萬美元），珀?duì)栺R特獲二分之一，施密特和里斯獲另外二分之一。

現(xiàn)存問題對于大爆炸后最初的幾分鐘，相關(guān)的觀測嚴(yán)重缺乏，最早期宇宙物質(zhì)——能量的實(shí)際形式很大程度上仍只是猜測。大一統(tǒng)理論預(yù)測了特定類型的粒子（如難以捉摸的磁單極子），而超弦、超對稱、超引力以及其他多維理論都預(yù)測了各自原初粒子及作用力。

物質(zhì)對反物質(zhì)的絕對優(yōu)勢也是一個(gè)需要透徹說明的經(jīng)驗(yàn)性事實(shí)。

其他主要問題都與暗物質(zhì)和暗能量的產(chǎn)生和本質(zhì)有關(guān)（通常認(rèn)為量子真空是二者的主要提供方）。2

現(xiàn)代爭論美國的的科學(xué)家在2014年9月28日用數(shù)學(xué)的方法證明了“黑洞是不存在的”。3

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，美國北卡羅來納州大學(xué)教堂山分校的理論物理學(xué)家勞拉·梅爾西尼·霍頓在在線物理學(xué)知識(shí)庫ArXiv發(fā)表文章稱，她已經(jīng)用數(shù)學(xué)證明了“黑洞是不存在的”。一旦她的觀點(diǎn)被科學(xué)界論證是正確之后，現(xiàn)代物理學(xué)對于宇宙的起源學(xué)說將可能被全部推翻3。

報(bào)道指出，勞拉的理論使用了數(shù)學(xué)方法，將萬有引力理論和量子力學(xué)理論和諧地融合在了一起：得出的結(jié)論就是人們“黑洞并不存在”。她和霍金都認(rèn)為當(dāng)恒星死亡坍塌時(shí)，會(huì)釋放出霍金提出的輻射。在這個(gè)過程中，星球自身也將流失一大部分的質(zhì)量，最終，死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞。

如果這條理論被證實(shí)是正確的，大爆炸理論可能會(huì)因此而被推翻，甚至于現(xiàn)代物理學(xué)對于宇宙的起源學(xué)說可能將被全部推翻，亦或是融合萬有引力理論和量子力學(xué)理論的新理論中設(shè)定“黑洞不存在”。