4宇宙的未来

4* 宇宙的未来

一、背景

对宇宙的认识，自古以来，发现发明不断。

中国是最早进行天文观测的国家之一， 在殷商甲骨文里，就有许多天文观测记录。汉语“宇宙”一词出现较早。战国时期的尸佼在他的著作《尸子》中就说：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”东汉的高诱在《淮南子·原道川》注中也说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”

中国古代的宇宙学说，有浑天说、盖天说、宣夜说等。浑天说认为，“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”(《张衡浑仪注》)盖天说认为，“天似盖笠，地法覆盘”(《晋书·天文志》)，天地都是穹形的，如同一个同心的球穹，相距八万里。宣夜说认为，“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也。”(《晋书·天文志》)就是说“天”不是一个固体的“天穹”，不过充满了无边无际的气体，日月星辰都在这气体中浮动。

在西方，古希腊人也有多种宇宙学说。公元前600年左右，住在米利都的古希腊哲学家泰利斯认为地球是一个圆盘，漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德认为天空是包围地球的一个球层，恒星在内层，太阳和月亮在外层。毕达哥拉斯认为，地球、月亮、太阳、行星和恒星都在一个同心球上围绕中央火旋转。托勒密总结了古希腊的天文学成就，著《天文学大成》，认为地为球形，静止不动，处于宇宙的中心，其他天体围绕地球运行，创立了“地心说”，统治西方天文学界一千四百多年，直到波兰天文学家哥白尼在16世纪发表《天体运行论》，创立日心说。17世纪，意大利物理学家和天文学家伽利略亲手制造天文望远镜，开拓了人们的天文视野。德国天文学家开普勒提出了行星运动的三大定律，英国物理学家牛顿用力学的引力原理解释开普勒的行星运动定律，创立了天体力学。

现代宇宙学最有影响的学说是大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为，宇宙早期温度极高(在100亿度以上)，物质密度极大，在那里，物质被压缩成一个奇点，时间和空间都毫无意义。大约200亿年前，发生“爆炸”，温度逐渐冷却，形成各种各样的恒星体系，也就是我们今天所能观测到的宇宙。

宇宙大爆炸学说是逐渐形成的。20世纪初，爱因斯坦的相对论改变了科学家研究宇宙的方法。1927年，比利时天文学家勒梅特第一个提出了动态宇宙模型，认为宇宙是从一种“原始原子”不断分裂、膨胀形成的。他推测：如果宇宙中物质的质量小于某个临界值，宇宙就会继续膨胀下去，成为“开放的宇宙”

；反之，就会坍缩，成为“闭合的宇宙。”1948年，出生在俄国的美籍物理学家伽莫夫发展了这一理论，提出了“大爆炸”学说。

大爆炸学说得到了以下天文观测的支持：①河外星系有系统地谱线红移(课文中涉及到)。1917年，美国天文学家斯里弗发现河外星系谱线有系统地向红端移动，表明这些遥远的天体正在离我们远去。1929年，美国天文学家哈勃发现，几乎所有的星系都有红移现象。星系距离越远，红移越大。这种红移与距离之间的线性关系，称为哈勃定律。②在各种不同的天体上，氦的丰度相近，大都是30%。根据大爆炸理论，早期宇宙温度很高，所以产生氦的效率也很高。③测定各种天体的年龄，均小于200亿年。④宇宙微波背景辐射的发现。(课文中涉及到)

二、要点概括

(一)膨胀说

理论：1.宇宙平均密度低于临界值，宇宙将继续膨胀。2.人择原理。

事实：依据观察证据估算出来的宇宙平均密度加上暗物质的量大大低于临界值。

结论：宇宙将继续膨胀下去。

(二)坍缩说

理论：1.宇宙平均密度达到或超过临界值，宇宙将坍缩。2.暴涨理论。

假设：1.宇宙有许多观测不到的暗物质影响了宇宙的初始密度和膨胀率。2.初始状态的微小变化导致暴涨，使宇宙的密度达到临界值。

结论：宇宙将坍缩。

(三)作者的预言

宇宙密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度，所以未来的宇宙可能坍缩，也可能继续永远膨胀下去。

三、问题

1.作者认为宇宙中存在着“暗物质”。什么是暗物质？暗物质存在的证据和理由是什么？

明确：暗物质是宇宙中人们不能直接观测到的东西。一个证据来自螺旋星系，另一个证据来自星系团。如果没有暗物质，螺旋星系的旋转速率就会把其中的恒星和气体甩开；如果星系团中没有额外的暗物质，没有引力把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去。

2.什么是人择原理？

明确：存在即合理。宇宙只有那些接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质，否则就不会有人类。因此也不会有人观测它。或者说，人类的存在证明宇宙密度接近于临界密度。

3.什么是暴涨理论？

明确：宇宙的尺度曾经不断地加倍过；在一个微小的暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加，会使宇宙非常接近于临界密度。

4.作者认为宇宙将继续膨胀下去的根据是什么？

明确：人择原理是其理论依据。事实依据是，依据观察证据算出来的宇宙的平均密度，再加上具有确定证据相当可靠地估算出来的星系和星系团中暗物质的量，只达到要使宇宙重新坍缩的临界值的百分之十左右。宇宙的密度小于临界值

，它将不会坍缩，而会继续永远膨胀下去。

5.作者认为宇宙会坍缩的根据是什么？

明确：暴涨理论是其理论根据。宇宙中可能还有位于星系或星系团之外因而未被探测到的其他种类的暗物质，会使宇宙的密度达到或超过临界值。这些暗物质决定了宇宙的初始密度和膨胀率。宇宙如果包含足够的暗物质，使得宇宙的密度因暴涨而达到临界值，这意味着宇宙最终可能会坍缩。