2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙大爆炸理論的發(fā)展考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項(xiàng)的字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.提出宇宙起源于一個(gè)極端致密熾熱狀態(tài)的最初想法的科學(xué)家是？A.埃德溫·哈勃B.亞瑟·愛丁頓C.喬治·勒梅特D.沃爾特·巴德2.以下哪一項(xiàng)不是支持宇宙大爆炸理論的主要觀測證據(jù)？A.宇宙膨脹（哈勃-勒梅特定律）B.宇宙微波背景輻射C.大爆炸核合成預(yù)測的輕元素豐度與觀測值吻合D.宇宙的平坦幾何形狀（本身是理論推論，而非直接觀測證據(jù)）3.霍伊爾等人提出的穩(wěn)恒態(tài)理論主張宇宙的總體性質(zhì)在時(shí)間上保持不變，其核心思想是？A.宇宙從一個(gè)奇點(diǎn)開始爆炸并隨時(shí)間膨脹B.宇宙在膨脹，但新的物質(zhì)不斷在空間中產(chǎn)生，以維持宇宙的平均密度不變C.宇宙是靜態(tài)的，不膨脹也不收縮D.宇宙的膨脹速度越來越快4.宇宙微波背景輻射被廣泛認(rèn)為是宇宙大爆炸的什么？A.最終遺跡B.直接觀測證據(jù)C.能量來源D.引力效應(yīng)5.哈勃常數(shù)（H?）的物理意義是？A.宇宙年齡的倒數(shù)B.宇宙膨脹的速率C.宇宙中物質(zhì)的平均密度D.宇宙微波背景輻射的溫度6.在標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型（ΛCDM）中，構(gòu)成宇宙總質(zhì)能約27%的、尚未被直接探測到且不與普通物質(zhì)發(fā)生電磁相互作用的是？A.暗物質(zhì)B.暗能量C.輕元素D.普通物質(zhì)（重子物質(zhì)）7.導(dǎo)致宇宙加速膨脹的神秘力量，在標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中通常用宇宙學(xué)常數(shù)（Λ）或一種動(dòng)態(tài)的暗能量來解釋，這種現(xiàn)象最早是由什么觀測發(fā)現(xiàn)的？A.宇宙微波背景輻射的溫度漲落B.觀測到最遙遠(yuǎn)超新星的光度低于預(yù)期C.大爆炸核合成過程中氦豐度的精確測量D.對哈勃常數(shù)不同測量值的系統(tǒng)差異分析8.宇宙大爆炸核合成（BBN）主要發(fā)生在宇宙誕生后的？A.最初幾分鐘到幾十分鐘B.幾千年前C.幾十億年前D.宇宙的現(xiàn)時(shí)階段9.根據(jù)勒梅特的描述，宇宙大爆炸理論中的“膨脹”指的是？A.宇宙中星系間的相互遠(yuǎn)離B.空間本身的膨脹，導(dǎo)致星系間距離增大C.星系自身在旋轉(zhuǎn)D.星系內(nèi)部的氣體膨脹10.如果宇宙的總能量（或質(zhì)能）是負(fù)的，根據(jù)廣義相對論，宇宙可能會(huì)呈現(xiàn)什么性質(zhì)？A.開放型，會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去，但最終趨于空寂B.封閉型，膨脹到一定程度后會(huì)停止并開始收縮，最終坍縮成奇點(diǎn)C.平坦型，目前觀測到的宇宙，其膨脹將永遠(yuǎn)持續(xù)下去D.穩(wěn)恒型，宇宙處于動(dòng)態(tài)平衡，性質(zhì)不隨時(shí)間改變二、填空題1.勒梅特將“宇宙即源于一聲‘創(chuàng)世之光’”的思想首次用現(xiàn)代科學(xué)語言表達(dá)出來，其提出的理論被稱為______。2.哈勃通過觀測遙遠(yuǎn)星系的光譜______現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了宇宙普遍存在紅移，并推斷出宇宙在膨脹。3.宇宙微波背景輻射的溫度約為______開爾文，這與大爆炸理論預(yù)言的早期熾熱宇宙冷卻后的余溫高度吻合。4.大爆炸核合成主要產(chǎn)生了氫、氦和少量的______元素。5.在標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中，暗物質(zhì)主要通過其______與普通物質(zhì)相互作用，并通過引力效應(yīng)被探測到。6.宇宙的幾何性質(zhì)取決于總質(zhì)能密度，如果總質(zhì)能密度等于臨界密度，宇宙是______的；如果大于臨界密度，宇宙是______的。7.除了標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型，歷史上曾有一種試圖解釋宇宙均勻性和平坦性的理論，即______理論，但它無法解釋宇宙的演化。三、簡答題1.簡述哈勃-勒梅特定律的主要內(nèi)容及其對宇宙大爆炸理論的重大意義。2.簡要說明宇宙微波背景輻射的三個(gè)主要特征（起源、性質(zhì)、意義），并簡述其如何支持宇宙大爆炸理論。3.比較大爆炸核合成理論與觀測結(jié)果之間在輕元素豐度方面的吻合程度，并簡述其主要限制因素。4.什么是暗物質(zhì)？請列舉兩種主要的暗物質(zhì)間接探測證據(jù)。5.簡述暗能量的概念及其在解釋宇宙加速膨脹中的作用。為什么暗能量的本質(zhì)是當(dāng)前宇宙學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一？四、論述題1.詳細(xì)闡述穩(wěn)恒態(tài)理論與標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論在基本假設(shè)、主要論點(diǎn)和觀測依據(jù)上的核心分歧，并說明為什么現(xiàn)代觀測證據(jù)更傾向于支持大爆炸理論。2.結(jié)合宇宙膨脹、宇宙微波背景輻射和宇宙的年齡估算，論述標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型是如何被建立和鞏固起來的。該模型目前面臨哪些主要的挑戰(zhàn)和未解之謎？---試卷答案一、選擇題1.C2.D3.B4.A5.B6.A7.B8.A9.B10.A二、填空題1.宇宙大爆炸理論2.伸縮（或多普勒）3.2.74.氦5.引力（或引力相互作用）6.平坦；封閉7.穩(wěn)恒態(tài)三、簡答題1.答案：哈勃-勒梅特定律指出，星系的視星等（或光度）與其紅移量（或退行速度）成正比（v=H?d）。其主要意義在于，它提供了宇宙膨脹的直接觀測證據(jù)，表明宇宙不是靜態(tài)的，而是在不斷膨脹。根據(jù)這個(gè)定律，可以反推宇宙的年齡（約138億年）。此外，它也暗示了宇宙起源于一個(gè)密度和溫度遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的狀態(tài)，為大爆炸理論提供了關(guān)鍵支持。解析思路：考察對哈勃定律核心內(nèi)容（v與d成正比，比例常數(shù)為H?）及其科學(xué)意義的理解。需要回答定律的內(nèi)容，更重要的是要闡述它為何是宇宙膨脹證據(jù)，以及它對宇宙起源和大尺度結(jié)構(gòu)的推論意義。2.答案：宇宙微波背景輻射（CMB）的三個(gè)主要特征是：1）起源：它是宇宙大爆炸發(fā)生約38萬年時(shí)，早期熾熱、稠密的宇宙冷卻到幾千開爾文時(shí)發(fā)出的電磁輻射，由于宇宙膨脹而被拉伸到微波波段。2）性質(zhì)：它具有接近完美黑體譜（溫度約2.7K）的輻射，且在空間中具有微小的溫度漲落（約十萬分之一）。3）意義：黑體譜直接支持了宇宙早期熾熱的演化歷史；溫度漲落是早期宇宙中微小的密度擾動(dòng)遺留下來的imprint，這些擾動(dòng)是形成后來星系和星系團(tuán)的原動(dòng)力，是引力作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形成的種子。CMB是宇宙大爆炸理論的“余暉”，提供了早期宇宙的直接圖像，并驗(yàn)證了該理論的預(yù)言。解析思路：考察對CMB知識(shí)的掌握程度。需要準(zhǔn)確回答其來源、關(guān)鍵物理性質(zhì)（黑體譜、溫度漲落）以及這些性質(zhì)對大爆炸理論的支持作用。特別是要解釋清楚溫度漲落的物理意義及其與結(jié)構(gòu)形成的關(guān)系。3.答案：大爆炸核合成（BBN）理論與觀測結(jié)果在輕元素（氫、氦、鋰）豐度方面具有非常好的吻合度。理論預(yù)測的元素豐度主要取決于宇宙的初始溫度、重子物質(zhì)密度以及核反應(yīng)速率。觀測通過分析最古老、最pristine（原始）的恒星和星云中的元素比例，測得的氦豐度（約23-24%）、氘豐度（非常低，約100ppm）和鋰豐度（特別是Li-7）與BBN理論預(yù)測值（約24%、約90ppm、約3ppm）非常接近，誤差在允許范圍內(nèi)。然而，BBN的主要限制因素是它只能發(fā)生在宇宙誕生后幾分鐘到十幾分鐘，此時(shí)宇宙必須是熱力學(xué)平衡的。因此，BBN的預(yù)測結(jié)果對早期宇宙的密度參數(shù)（Ω_b）和宇宙年齡有很強(qiáng)的依賴性。如果早期宇宙的溫度或膨脹速率與標(biāo)準(zhǔn)模型不符，BBN預(yù)測的豐度就會(huì)與觀測產(chǎn)生矛盾。此外，對于比鋰更輕的元素（如硼），觀測與理論也存在一些差異。解析思路：考察對BBN理論及其與觀測比較的理解。需要說明理論與觀測在哪些元素和豐度上吻合，并指出理論的關(guān)鍵假設(shè)和主要限制（如時(shí)間窗口、平衡條件）以及由此帶來的對宇宙參數(shù)的約束，同時(shí)提及存在的細(xì)微差異。4.答案：暗物質(zhì)是一種假設(shè)存在的、不與電磁力發(fā)生相互作用或作用極弱、因此難以直接觀測到的物質(zhì)形式。它的存在主要通過引力效應(yīng)被間接探測到。主要的間接探測證據(jù)包括：1）星系旋轉(zhuǎn)曲線：觀測發(fā)現(xiàn)，星系外圍恒星的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)高于根據(jù)可見物質(zhì)分布預(yù)測的速度，需要引入大量暗物質(zhì)提供額外的引力來束縛這些恒星。2）引力透鏡效應(yīng)：來自遙遠(yuǎn)天體的光線經(jīng)過大質(zhì)量天體（如星系團(tuán)）附近時(shí)，會(huì)受到引力作用而發(fā)生彎曲，其光路如同透鏡。觀測到的引力透鏡現(xiàn)象的強(qiáng)度遠(yuǎn)超可見物質(zhì)所能產(chǎn)生的效應(yīng)，表明存在大量暗物質(zhì)。3）宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成：計(jì)算機(jī)模擬表明，只有存在大量的暗物質(zhì)提供引力“骨架”，宇宙中的星系和星系團(tuán)才能在引力作用下有效地聚集形成今天觀測到的龐大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4）（可選）暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)的線索：雖然尚未獲得確鑿證據(jù)，但一些地下實(shí)驗(yàn)室的間接探測實(shí)驗(yàn)報(bào)告了可能探測到暗物質(zhì)粒子（如WIMPs）碰撞產(chǎn)生的信號(hào)。解析思路：考察對暗物質(zhì)概念及其探測方法的掌握。需要清晰定義暗物質(zhì)，并列舉至少兩種（推薦更多）可靠的間接探測證據(jù)，并簡要說明這些證據(jù)是如何指向暗物質(zhì)存在的。5.答案：暗能量是一種假設(shè)存在的、具有負(fù)能量密度（或負(fù)壓強(qiáng)）的神秘物質(zhì)/能量形式，廣泛分布在宇宙空間中，并導(dǎo)致宇宙的加速膨脹。它的概念源于對宇宙加速膨脹的觀測（超新星觀測）。根據(jù)廣義相對論，負(fù)壓強(qiáng)可以產(chǎn)生排斥性的引力效應(yīng)，即推動(dòng)空間膨脹加速。暗能量被認(rèn)為是解釋加速膨脹現(xiàn)象的唯一已知機(jī)制。暗能量的本質(zhì)是當(dāng)前宇宙學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一，因?yàn)椋?）它與宇宙學(xué)常數(shù)（Λ，一種純粹的理論修正項(xiàng)）在效果上非常相似，但暗能量似乎不是常數(shù)，而是隨宇宙演化變化的（quintessence）。2）我們對暗能量的性質(zhì)一無所知，它不參與電磁相互作用，使得直接探測極其困難。3）暗能量占宇宙總質(zhì)能密度的約68%，其主導(dǎo)地位使得理解它的性質(zhì)成為解釋宇宙命運(yùn)的關(guān)鍵。解析思路：考察對暗能量概念、作用以及其作為前沿挑戰(zhàn)的理解。需要解釋暗能量的定義（負(fù)壓強(qiáng)、導(dǎo)致加速膨脹），說明其在加速膨脹解釋中的角色，并重點(diǎn)闡述其作為“最大挑戰(zhàn)”的原因（性質(zhì)未知、占比高、探測困難、影響宇宙命運(yùn)）。四、論述題1.答案：穩(wěn)恒態(tài)理論與標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論的核心分歧在于宇宙的基本行為和演化。穩(wěn)恒態(tài)理論假設(shè)宇宙的總體性質(zhì)（如平均密度、空間分布）在時(shí)間上保持不變，即宇宙在永恒膨脹，但新物質(zhì)不斷在空間中產(chǎn)生，填補(bǔ)膨脹產(chǎn)生的空隙，從而維持宇宙的均勻性和平坦性。其基本觀點(diǎn)是：宇宙沒有起源，也沒有最終命運(yùn)，它永遠(yuǎn)處于“現(xiàn)在”的狀態(tài)。支持該理論的主要論點(diǎn)在于其邏輯上的簡單性（無奇點(diǎn)、無演化）和對觀測結(jié)果的某種“解釋”（如哈勃常數(shù)隨時(shí)間變化似乎可以解釋）。反對該理論的主要論點(diǎn)在于它與一系列關(guān)鍵觀測證據(jù)相矛盾：1）宇宙微波背景輻射的存在及其黑體譜特征是早期冷卻宇宙的明確證據(jù)，穩(wěn)恒態(tài)理論難以解釋其起源和均勻性。2）大爆炸核合成理論精確預(yù)測了早期宇宙輕元素豐度，這與穩(wěn)恒態(tài)理論所暗示的靜態(tài)宇宙不符。3）觀測到的大尺度結(jié)構(gòu)的形成需要早期宇宙存在微小的密度擾動(dòng)，而穩(wěn)恒態(tài)理論無法提供這種擾動(dòng)的起源。標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論則主張宇宙從一個(gè)極高密度和溫度的狀態(tài)開始膨脹，并且在此過程中不斷冷卻和演化。其核心論點(diǎn)基于三大主要觀測證據(jù)：哈勃定律（宇宙膨脹）、宇宙微波背景輻射（早期熾熱宇宙的余暉）和大爆炸核合成（早期核反應(yīng)的產(chǎn)物）。該理論預(yù)言了宇宙的演化歷史和結(jié)構(gòu)形成過程?，F(xiàn)代觀測，特別是超新星視星等測量、宇宙微波背景輻射的詳細(xì)譜和各向異性分析、大尺度結(jié)構(gòu)的測量等，都強(qiáng)烈支持宇宙在加速膨脹，并且總質(zhì)能密度非常接近臨界值，這更符合標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型（特別是包含暗能量和暗物質(zhì)的ΛCDM模型）的預(yù)言。因此，盡管穩(wěn)恒態(tài)理論在歷史上有過一定影響，但目前的觀測證據(jù)已使其基本被放棄，而大爆炸理論成為現(xiàn)代宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)框架。解析思路：考察對兩種對立宇宙學(xué)理論的全面理解、比較能力以及對關(guān)鍵觀測證據(jù)的掌握。需要清晰界定兩種理論的核心假設(shè)、主要論點(diǎn)，并分別列舉支持與反對每種理論的論據(jù)和證據(jù)。重點(diǎn)在于闡述為什么現(xiàn)代觀測更傾向于大爆炸理論，需要突出CMB、BBN、大尺度結(jié)構(gòu)以及加速膨脹等關(guān)鍵證據(jù)。2.答案：標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型的建立和鞏固是一個(gè)基于觀測、理論和計(jì)算相互印證的過程。宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)是起點(diǎn)。埃德溫·哈勃在20世紀(jì)初觀測到遙遠(yuǎn)星系存在系統(tǒng)性的紅移，并發(fā)現(xiàn)紅移量與距離成正比（哈勃-勒梅特定律）。這表明星系在相互遠(yuǎn)離，宇宙正在膨脹。這一發(fā)現(xiàn)為宇宙有一個(gè)有限年齡的演化歷史提供了初步證據(jù)。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)是第二個(gè)關(guān)鍵支柱。阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1964年意外探測到宇宙空間中彌漫的、幾乎均勻的微波背景輻射。羅杰·彭羅斯等人從大爆炸理論出發(fā)，預(yù)言了這種早期宇宙冷卻后的余暉應(yīng)該存在。CMB的黑體譜特征（溫度約3K）與理論預(yù)測高度吻合，其微小的溫度漲落則被解釋為早期宇宙密度擾動(dòng)的遺存，這些擾動(dòng)是后來形成所有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。CMB為早期宇宙提供了直接、精確的“照片”，極大地鞏固了大爆炸理論。大爆炸核合成（BBN）的成功是第三個(gè)關(guān)鍵支柱。理論計(jì)算表明，在宇宙誕生后最初幾分鐘，高溫高密環(huán)境下發(fā)生了核反應(yīng)，合成了比氫和氦更輕的元素（主要是氘、氦-3、氦-4和鋰-7）。通過觀測最古老、未受污染的恒星和星云中的這些輕元素豐度，發(fā)現(xiàn)其比例與BBN理論基于早期宇宙溫度和密度的預(yù)測驚人地一致。這為宇宙早期歷史和演化提供了強(qiáng)有力的支持。綜合這些觀測證據(jù)，大爆炸模型能夠統(tǒng)一地解釋宇宙的膨脹、年齡、元素豐度以及早期狀態(tài)。雖然模型后來被擴(kuò)展為包含暗物質(zhì)和暗能量的ΛCDM模型，以解釋更多觀測現(xiàn)象（如大尺度結(jié)構(gòu)的形成和宇宙加速膨脹），但其核心框架——一個(gè)從早期高溫高密狀態(tài)演化而