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通俗天文学：和大师一起与宇宙对话（全彩四色珍藏版） [:1700937129]
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第三章 膨胀的宇宙
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在关于河外星系的种种可注意的发现之中，可惊的有它们好像离我们远去的速度。这证据是由对它们的光谱的研究、观察其光谱线的移动推演出来的。把我们自己的运动影响除去，河外星系都用极大的速率脱离我们远去，其速率又随距离一同加大。威尔逊山的天文学家宣布大熊座中一暗弱星系离我们远去的速率为每秒1.1万千米。当分光仪能观测更远的星系时，退去的运动无疑要更加迅速。比利时的勒梅特（Lemaitre）展成了一个表示膨胀的宇宙的数学公式。在这样的一个构造中，远处物体一定要很迅速地离我们远去，正像我们观测到的河外星系的情形一样。
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今天许多人都听到过“大爆炸宇宙学”。当人们初次接触这个问题时，不免产生疑惑。宇宙是无限的，时间是永恒流逝的，我们容易理解。宇宙怎么会由一点爆炸出来？怎么知道宇宙是由大爆炸开始的？
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宇宙即指自然界一切物质的总体。宇宙学并非研究某种天体本身，而是借助天体所带的信息研究宇宙的整体行为。宇宙学的研究是要根据我们现在的观测来探讨宇宙的遥远的过去以及长远的未来。它不是哲学，而是一个物理问题。我们根据什么来推断过去、现在和将来呢？我们有两个预先设定好的“宇宙学原理”，它们是：第一，物理定律的普适性。我们发现和应用的物理定律在宇宙其他地方、任何时间都适用。第二，宇宙是均匀、各向同性的。均匀指的是大尺度上的均匀；各向同性，是说所有方向上空间具有相同的性质，宇宙不存在任何中心。首先，从其他天体处进行大尺度观测与地球上观测到的现象是一样的。其次，任何地方观测宇宙的发展与地球上看到的发展相同。我们规定统一的坐标时间，同一时刻观测宇宙，任何地方看到的宇宙是相同的。从星系团空间分布、射电源空间分布、宇宙背景辐射等方面的观测情况来看，宇宙在大尺度上的确是各向同性的。
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历史上出现过各种宇宙模型，例如：
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1.牛顿静态宇宙论：时间均匀流逝，空间空无一物的骨架。欧几里得空间中均匀地分布着无限多的静止不动的天体。这是一个很“直观”的宇宙。但这个宇宙观点存在著名的奥尔伯斯佯谬（Olbers paradox，1826年）：假定空间无限，充满恒星；星有生有灭，但总体上看宇宙中恒星数密度是不变；时间无限。那么得到的结果是：白天和黑夜一样亮；天空各处都一样亮。
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2.等级宇宙论：宇宙中天体及其系统都有聚集成团的倾向。不仅在小尺度上（太阳系、星团、星系、星系团等），在大尺度上也是一样——不承认大尺度上宇宙均匀各向同性的性质，天体分等级与层次，一级比一级高。因不均匀，奥尔伯斯佯谬不再存在。但它很难解释宇宙背景辐射。
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3.稳态宇宙：宇宙不仅均匀、各向同性而且在时间上也是稳定的——宇宙特征在任何时候都一样。红移是多普勒效应，宇宙在膨胀。由于各处不断创造物质，膨胀仍然保持均匀。人们对虚无中产生物质与能量表示不理解。
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4.静态宇宙模型：1917年爱因斯坦提出静态宇宙观点。在广义相对论引力场方程中引入宇宙常数，并求出其解。只求出其静态解（他认为宇宙是静态的）：宇宙是一个封闭的三维“球面”，天体均匀地分布在这个球面上，半径35亿光年。这明显与哈勃定律矛盾。“画蛇添足”的宇宙常数使爱因斯坦认为这是他毕生的最大错误。
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5.膨胀的宇宙学模型：1917年德西特从广义相对论引力场方程得出一个真空静态的宇宙，但只要加入物质，宇宙就会膨胀，于是他偶然得到了一个膨胀的宇宙学模型。弗里得曼（A.Friedman）1922年得到广义相对论的一组不同的解，每一个解描述一个不同类型的宇宙，他把膨胀包含到自己的模型中。1948年伽莫夫（G.Gamow）提出大爆炸宇宙学。1967年发现宇宙微波背景辐射，极大地支持了大爆炸宇宙学模型。而今大爆炸宇宙学模型已被广泛地接受，并且美誉为“标准宇宙学模型”。
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通俗天文学：和大师一起与宇宙对话（全彩四色珍藏版） [:1700937130]
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第四章 大爆炸宇宙学
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1929年哈勃从星系红移与距离的关系得到：v=H0l，其中l为星系到我们的距离，H0是哈勃常数，v为天体的退行速度。哈勃定律表明，天体离开我们愈远。退行速度就愈大；而且从任何方向看天体都在离我们而去。为什么天体的退行速度随距离而增加呢？这种退行各个方向上都一样，那么我们是否处在宇宙中心呢？如果我们不在宇宙的中心，那么如何理解这一确定的观测事实呢？
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把宇宙中星系看作“分子”，星系膨胀中参与两种运动：“分子”具有的膨胀速度，它相对于流体元的无序运动速度（称为星系的本动速度）。这反映于物质分布的局域的不均匀性，典型值为500千米每秒，由哈勃定律，当距离大于20兆秒差距时，膨胀速度便大于本动速度。哈勃定律反映的是宇宙整体膨胀规律，而不是星系个体运动规律。而只有遵循哈勃定律，宇宙才能保持均匀性。
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我们可以这样来理解：当气球膨胀时，站到气球上的每一点上看，其他的点都远离你而去，而且愈远的离开的速度愈大。各点观测到的情况都一样，没有中心。另一个例子，让我们来考察一个含有葡萄干的面包。当面包发起来的时候，每个葡萄干都看到其他葡萄干远离自己而去。而且，愈远的葡萄干离得愈远，即膨胀的速度愈大。每个葡萄干看上去都一样，没有中心。
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上面的类比表示星系退行观测事实，反映真实的宇宙在膨胀——随着时间的推移，宇宙在不断地膨胀。如果逆着时间看，时间愈早，气球愈小。那么膨胀的宇宙是从哪里开始的呢？
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比利时宇宙学家、数学家、天主教神父勒梅特（G.Lemaitre）在1931年提出：开始时，宇宙中所有星系都聚集在一起，称为原始原子，这个原始原子突然爆炸了，把所有星系抛入空间。尽管他没有提出大爆炸宇宙学这个名称，但他关于宇宙学的最重要的思想就是大爆炸。
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1948年俄裔美国人伽莫夫（Gamow G.）将宇宙膨胀与元素形成结合起来，奠定了大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为，大爆炸发生在大约150亿年前。宇宙是有限的，但是宇宙是无界的。
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将时间往前推，当宇宙尺度为今天的百分之一时，宇宙密度将达到今天的100万倍，大于星系的密度，星系不能存在。由此我们推知，宇宙结构在某一时间前是不存在的，宇宙结构只能是演化的产物。
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没有结构前，宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度高，越早温度越高，密度越大。温度高于104K时，粒子热运动能太大，中性的原子不能形成。中性原子只在3000K左右时，才能形成。当温度低于3000K时，电子与原子核结合为中性原子，大量散射光子的电子消失。宇宙失去大量电子，光子不再受到电子的强烈的散射。于是宇宙开始透明，光子与物质失去了耦合。于是宇宙介质作为独立部分留下来，而我们能看到最早的宇宙，就是作为历史遗迹的2.7K背景辐射光子。
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当温度高达1010K时，粒子热碰撞使原子核瓦解。这就是说，原子核也是演化的产物。现在观测到的1/4的氦丰度，就是早期宇宙核合成的结果。
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标准宇宙模型
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标准宇宙的困难
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标准宇宙模型似乎很有说服力，与观测事实也符合得相当好。但是，也还存在着几个根本性的困难。其中最主要的是视界疑难、准平坦性疑难和磁单极疑难。