宇宙膨胀与大爆炸

Expanding Universe & Big Bang

宇宙像气球表面的点一样，空间本身在拉伸、膨胀。越远的星系退行越快，这就是哈勃定律 v = H₀d，远去星系的光波长变长而出现红移。约138亿年前从超高温、超高密度状态开始的大爆炸，由宇宙膨胀、宇宙背景辐射(约2.7 K)以及氢氦比等观测所支持。在这个页面，调大尺度因子滑块，直接看星系如何远离观察者。

宇宙正在膨胀

🎈 气球类比

①在气球表面画点后充气 — 所有点彼此远离

②从任意一点看,其他点都在远去

③这就是宇宙膨胀!空间本身在拉伸

宇宙膨胀可视化

尺度因子1

💡 关键观察

①增大尺度因子使所有星系远离观察者

②距离越远的星系退行越快(箭头更长)

③这是哈勃定律的核心:退行速度与距离成正比

哈勃定律

v = H₀d

退行速度(v)= 哈勃常数(H₀)× 距离(d) — 越远退行越快

红移

z = Δλ / λ₀ = v / c

远去星系的光 → 波长拉长(红移)→ 测得退行速度

🔴 用红移测距离

①迎面而来救护车警笛:高音 → 低音(多普勒效应)

②远去星系的光也类似 — 波长拉长偏红

③红移越大、退行越快 → 越远的星系

大爆炸宇宙论

大爆炸宇宙论核心

约138亿年前·超高温·超高密度的一点发生大爆炸 → 持续膨胀

大爆炸后宇宙膨胀冷却 → 当前宇宙

大爆炸三大证据

①哈勃定律(宇宙膨胀) ②宇宙微波背景辐射(2.7K) ③氢:氦 = 3:1

只有大爆炸理论能解释这三种观测结果

📡 宇宙微波背景辐射(CMB)

①大爆炸后约38万年 — 宇宙冷却到光可直行

②此时的光经宇宙膨胀变成微波,在各方向被观测到

③温度:约2.7K — 1965年彭齐亚斯与威尔逊偶然发现

例题与真题检验

例题 1

哈勃常数为H₀ = 70 km/s/Mpc时，距离100 Mpc的星系的退行速度是多少?

使用哈勃定律 v = H₀d。

v = 70 km/s/Mpc × 100 Mpc = 7,000 km/s。

▸ 7,000 km/s

星系越远，退行速度按距离成正比越大。

例题 2

请列举支持大爆炸宇宙论的三项代表性观测证据。

由远去星系的红移所证实的宇宙膨胀(哈勃定律)是第一项证据。

大爆炸后约38万年的光，即宇宙背景辐射(约2.7 K)，以及轻元素比(氢 : 氦 ≈ 3 : 1)也支持它。

▸ 宇宙膨胀(哈勃定律)、宇宙背景辐射(约2.7 K)、氢 : 氦质量比 ≈ 3 : 1

这三项证据都只能用大爆炸理论一致地解释。

高考类型题

关于宇宙膨胀与大爆炸宇宙论的说法，正确的是?

①红移在星系靠近时出现

②按哈勃定律，越远的星系退行越快

③宇宙背景辐射的温度约为270 K

④宇宙的年龄约为46亿年

⑤宇宙背景辐射只能从某一个方向观测到

▸ ② 按哈勃定律，越远的星系退行越快

哈勃定律 v = H₀d 中退行速度与距离成正比，故越远的星系退行越快。

红移在远去时出现(①)，背景辐射约2.7 K(③)，宇宙年龄约138亿年(④)，背景辐射在各个方向均匀观测到(⑤)。

总结

宇宙膨胀与大爆炸要点

v = H₀d(哈勃定律)/ 大爆炸 → 膨胀 → 当前宇宙

红移测退行速度,与距离成正比 → 宇宙膨胀的证据

🎯 考试要点

①哈勃定律:v = H₀d — 退行速度与距离成正比

②红移:远去星系 → 波长增加(向红端移)

③大爆炸三大证据:宇宙膨胀、CMB(2.7K)、氢:氦 ≈ 3:1

④CMB:大爆炸后38万年的光、各方向均匀

⑤宇宙年龄:约138亿年(由哈勃常数估算)