29: 宇宙大爆炸
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在前面的章节中，我们探索了宇宙的内容——行星、恒星和星系，并了解了这些物体如何随着时间的推移而变化。 但是整个宇宙呢？ 它多大了？ 一开始是什么样子？ 从那以后情况发生了怎样的变化？ 它的命运会怎样？
宇宙学是对整个宇宙的研究，也是本章的主题。 观测宇宙学的故事实际上始于1929年，当时埃德温·哈勃发表了对少量星系样本的红移和距离的观测结果，并展示了当时革命性的结果，即我们生活在一个不断扩大的宇宙中，这个宇宙过去更密集、更热、更平滑。 从这一早期发现中，天文学家对宇宙的起源和演变做出了许多预测，然后用观测结果检验了这些预测。 在本章中，我们将描述我们对动态宇宙历史的了解，并重点介绍一些仍然存在的奥秘。
- 29.1: 宇宙时代
- 宇宙学是对宇宙组织和演化的研究。 宇宙正在膨胀，这是现代宇宙学理论的关键观测起点之一。 现代观测表明，在整个宇宙生命周期中，膨胀速度并不是恒定的。 最初，当星系靠近时，重力的影响比暗能量的影响强，膨胀速度逐渐减慢。
- 29.2: 宇宙模型
- 各向同性且同构的模型（到处都相同）可以很好地近似现实。 宇宙正在膨胀，这意味着宇宙的规模会随着时间的推移而发生变化；在给定时间，任何地方的空间延伸和距离都以相同的因子变大。 观测结果表明，宇宙的质量密度小于临界密度。 换句话说，宇宙中没有足够的物质来阻止扩张。
- 29.3: 宇宙的起源
- 宇宙随着它的膨胀而降温。 光子的能量由其温度决定，计算表明，在炎热的早期宇宙中，光子具有如此多的能量，以至于当它们相互碰撞时，它们可以产生物质粒子。 随着宇宙的膨胀和冷却，质子和中子首先形成，然后是电子和正电子。 接下来，聚变反应产生了氘核、氦核和锂核。
- 29.4: 宇宙微波背景
- 当宇宙变得足够凉爽以形成中性氢原子时，宇宙对辐射变得透明。 科学家们在炎热的早期宇宙中发现了这段时间的宇宙微波背景（CMB）辐射。 COBE 卫星的测量结果表明，招商银行的作用就像一个温度为 2.73 K 的黑体。招商银行的微小波动向我们展示了宇宙中大规模结构的种子。
- 29.5: 宇宙到底是由什么构成的？
- 宇宙临界密度的百分之二十七由暗物质组成。 为了解释这么多暗物质，一些物理学理论预测应该存在其他类型的粒子。 一种类型被命名为 WIMP（微弱相互作用的巨大粒子），科学家们现在正在进行实验，试图在实验室中探测它们。 暗物质在星系的形成中起着至关重要的作用。
- 29.6: 通货膨胀世界
- Big Bang 模型没有解释为什么招商银行在各个方向的温度都相同。 它也不能解释为什么宇宙的密度如此接近临界密度。 如果宇宙在宇宙大爆炸之后经历了一段快速扩张时期，科学家称之为通货膨胀，则可以解释这些观测结果。 正在开发新的大统一理论（GUT），以描述通货膨胀发生之前和之时的宇宙物理过程。
- 29.7: 人类学原理
- 最近，许多宇宙学家指出，人类的存在取决于这样一个事实，即宇宙的许多特性——早期宇宙中密度波动的大小、重力的强度、原子的结构——都恰到好处。 物理定律必须保持原样，否则我们就无法在这里测量物理定律的想法被称为人类学原理。 一些科学家推测，可能存在多元宇宙，而我们的宇宙只是其中之一。
缩略图：这幅画显示了詹姆斯·韦伯太空望远镜，该望远镜目前计划于2018年发射。 银色遮阳罩遮住主镜和科学仪器。 主镜直径为 6.5 米（21 英尺）。 在发射之前和发射期间，镜子将被折叠起来。 望远镜进入轨道后，地面控制器将命令它展开镜花瓣。 为了观察光线已转移到长波长的遥远星系，望远镜将携带几台用于拍摄红外图像和光谱的仪器。 （来源：美国宇航局对作品的修改）。