| 单词 | 论文之神秘宇宙的起源 |
| 释义 | 论文之神秘宇宙的起源 摘要:在宇宙大爆炸发生前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,一个体积无限小的点爆炸了,时空从这一刻开始,人类在这一刻孕育,千百年来,人们对宇宙的探索从未止步,牛顿、爱因斯坦等一系列伟人为我们揭开了宇宙神秘的面纱,而哈勃发现了宇宙正在膨胀,可是最后宇宙是否能逃脱收缩的命运呢?本文——这么一个神秘的宇宙。 关键词:宇宙大爆炸、膨胀、收缩 千百年来,在中华民族流传着盘古开天地的神话。 我国东汉时代的科学家张衡发明的浑天仪反应了当时人们的天地观:大地如鸡蛋黄,天空如蛋壳,日月星辰在天穹上运动。这种浑天说实际上是一种“地心说"。在欧洲中古世纪,由天文学家托勒密在《天文学大成》中总结并发展了前人的学说,他建立了宇宙地心体系,这种体系认为地球静止地居于宇宙中心,又称“地心说"。① 直到15世纪,随着天文观测的发展进步,波兰天文学家哥白尼提出了“日心说":不是太阳绕着地球旋转,而是地球绕着太阳旋转。1609年底,意大利物理学家伽利略,用一台放大率三十二倍的望远镜开始观测天体,他发现在木星周围有四个暗弱的星体在围绕着它运转,这彻底宣告了托勒密地心体系的终结,因为人类第一次发现了有天体围绕不是地球的行星在运行。 既然日心说已被证实,但有一个问题还没解决:究竟是什么原因维持着这些天体的运动?开普勒曾经猜想也许是磁力,这个时候,牛顿出场了,这就是我们高中物理都学过的“万有引力";一个大质量的物体,才可以把一个较小的物体吸引到自身上来,所以苹果会从树上落下来。“万有引力"让宇宙中所有的行星保持运动,宇宙也因此而永恒不变。② 那宇宙究竟是什么?“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇"③,用现代科学术语来说,宇宙,即时、空也。 宇宙既然是时空,看不到也摸不着,那怎么研究呢?但自爱因斯坦广义相对论问世后,宇宙学成了既有数理基础,又有观测事实的科学。 在牛顿那里,万有引力被认为是在两个物体相隔的任何距离上瞬间起作用的一种力。而爱因斯坦则提出,引力是在局部起作用的场的度规结构对处于场中的物体发生的作用。爱因斯坦这一全新思想方式的核心有两个观念:第一,他把引力现象解释为是由一种场的特性引起的。为了描述这个场,爱因斯坦使用了“时-空"这一基本性的理论概念。时间和空间在称为“时-空"的数学上的思维统一体中被结合起来,而不是互相分离和各自独立的(就像牛顿物理学中所认为的那样);第二,引力场的具体性质是以度规时-空结构来表示的。引力现象被理解为时-空固有曲率——一种几何特征——一起作用的结果。正是把引力仅仅视作一种几何学问题的这一惊人主张,使爱因斯坦的理论在当时成了革命性的论点。 无论就宇宙范围而言还是立足于较有限的区域,时-空的几何学性质都是由物质与能量的疏密程度和分布情况所决定的,当我们运用这一原理来解决宇宙作为一个整体的时-空几何学和物理学结构问题时,就诞生了相对论宇宙论这门学科。经典的爱因斯坦广义相对论本质上是一种关于引力场的理论。④ 爱因斯坦于1917首先提出一个稳态的宇宙模型。所谓稳态,就是承认宇宙在运动;但却无变化,直到哈勃发现宇宙在膨胀时,爱因斯坦对自己的宇宙模型追悔莫及。 尽管稳态宇宙模型有错误,但其中不乏可取之处,天文界给予他的评价是:通向现代宇宙学的里程碑。 一、宇宙大爆炸 宇宙是一直存在于这个星球的吗?显然不是,它的凭空出世又为这个神秘的宇宙增添了另一份奇迹。 20世纪40年代末,前苏联专家加莫夫在膨胀宇宙模型的基础上,提出了宇宙起源于超热、超密的一个奇点,认为150亿年前,突然发生了大爆炸,物质和能力就此源源汹涌,并不断膨胀,形成宇宙,故名曰“大爆炸宇宙论",后来,哈勃发现的红移有力地支持了大爆炸论。 关于大爆炸之前,宇宙起源,有一个可以简称为““有产生于无""的理论。大意如下:大爆炸发生之前,没有物质,空间为零,没有时间,根据量子力学中的不确定量原理,在10的﹣43秒时,出现了10的16次方尔格的能量……于是大爆炸发生了。 从那时起,宇宙经历或完成了各种进化于演化过程,从原子核开始,历经原子、分子、星系、恒星、行星以及生物各个阶段,直到出现人类文明。 而至于宇宙的年龄有多大,我们现在对于宇宙年龄了解得相当精确,天文学家估算今天的宇宙是137亿岁,误差不超过2%,科学的飞速进步,让神秘的宇宙不再神秘,也激起了我们对这拥有137亿岁高龄的宇宙产生了浓厚的兴趣。⑤ 蕴藏着无穷奥秘的宇宙无论在时间上还是在空间上都远远地大于我们人类所能亲历的范围。也是这份奥秘指引着人类进行不懈的探索。 二、我们的宇宙在膨胀 20世纪天文学最重大的成就之一就是发现了宇宙正在膨胀。更准确地说,是发现了许多星系都在远离我们而去。 天边有多远? 对我们常人来说浩瀚无垠的宇宙几乎是不可度量的,而对天文学家来说,精确地测绘宇宙天体不仅是必要的,也是可能的(这个问题所谈论的是可见的宇宙) 天文学家采用的计量单位是“光年"即光在一年里所走的距离 光的前进速度约为每秒18.63万英里。一光年大约是6万亿英里。银河系的直径约为10万光年。而在银河系之外还有别的星系,距离我们有数十亿光年,最新发现的类星体位于我们目前所能观测到的宇宙边缘,与地球相隔约100亿到200亿光年,是至今所知最遥远的天体。 如此遥远的距离简直难以想象。而天文学家的任务就是准确地计算、测量出宇宙的大小和范围,天文学家采用了古希腊人发明的视差计算法和另一种亮度测定法。 80多年前,大多数天文学家都认为银河系就是整个宇宙,可是当精度更高的天文望远镜诞生以后,这种看法被证明是错误的。过去观测所见的那些暗淡模糊的斑点,其实是其他的星系,有的与银河系不相上下,有的则更庞大。我们不禁发问茫茫宇宙有无边际? 20世纪20年代,美国天文学家埃德温-哈勃在加利福尼亚州的威尔逊山用当时世界上最大的反射式望远镜研究银河系外星系,他分析了这些星系的光谱,发现各种谱线的波长都移向长波(红色)一端,这种现象叫做红移。说明那些星系正在向远处飞离。波长的改变是多普勒效应的作用,与疾驶而去的汽车喇叭声调的变化具同样道理。由于宇宙在不断膨胀,星系距我们越远,红移越大。哈勃据此提出了“哈勃定律"如果根据多普勒效应和红移计算出相应星系的速度,则在其速度V远小于光速C的前提条件下, V/C<1 星系速度V与它到地球的距离R之间有正比关系 V=HR 其中,比例常量H就叫做哈勃常量,是诸多天文学家多年工作的许多观测事实的一个总结,这个观测事实揭示了宇宙的一个重要性质:它正在膨胀着! 这是一个极为重要的天文观测事实,或者说得确切一些,关系式即哈勃定律。 关于宇宙膨胀的速率,天文学家们的看法并不一致,最保守的估计是,距离增加百万光年,每秒钟增加10英里。有些天文学家估计的速率比这个数字还要大一倍。 三、我们的宇宙会收缩 难道宇宙会一直膨胀下去吗?这个问题留在了天文学家的心里。 天文学家定量地根据背景辐射的温度、宇宙物质密度和宇宙半径三个天文观测数据,计算了宇宙的总能量,结果发现,宇宙的动能小于它的引力势能的绝对值。因此,当宇宙膨胀到它的动能减少为零时,它的势能仍不会等于零。之后,它就会收缩! 现在,宇宙开始收缩,最初速度很慢难以察觉,然后逐渐加快,按这个速度,在足足1200亿年后,宇宙可能就会收缩成为一个点?科学界对此保持缄默:随着宇宙临近最后时刻——就像在最初时刻一样。更加要命的是这些问题:后面的世界是什么——虚无吗?下一个宇宙?人类呢?毁灭吗? 不过专家证明了宇宙是不会收缩成一个点的,收缩成一个点的说法违反两点常识:一是空间无限小;二是能量无限大, 那是什么因素阻止了宇宙的收缩呢? 这里的关键因素是——光子平衡态必然膨胀。 所以,当宇宙一直收缩到光子平衡态生成,一旦光子平衡态生成,它就要膨胀。这是他的基本性质,于是,收缩终止,新的一轮膨胀开始了! 宇宙从无到有,如此浩瀚的宇宙竟然还在膨胀!如此庞然大物竟然还会收缩!它总是有一层神秘的光环吸引我们在认识它和探索它的道路上追寻。通过学习《新世纪宇宙学》让我们无比讶异于宇宙的神秘!也让我们初识了宇宙,让我们不得不赞叹天文学家的探索能力,让我们不得不为自己站在巨人的肩膀上认识宇宙感到荣幸。而宇宙的神秘之处远远不止这些,对于宇宙的探秘也永远没有止境,宇宙由爆炸到膨胀最后收缩,然后又是新一轮的膨胀,在这个无尽的时间里,只能由天文学家去慢慢探索宇宙无穷尽的神秘,而未来期待更多天文学家带我们一起破解神秘的宇宙! 参考文献:①吴大江《新 ,世纪宇宙学》第6页 ②A.Einstein《TheMeaningofrelativity相对论的含义》2003第132页 ③顾炎武《淮南子•原道训》 ④曾景春《物理学史简编》吉林省出版局第82页 ⑤吴大江《新世纪宇宙学》第1页 |
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