宇宙的奥妙

宇宙的奥妙

工程技术学院 生物技术系 杨意意 1118010133

引言

宇宙的起源,宇宙的演变,宇宙的生命.这是从人类诞生之前就存在的,伴随着人类整个进化历程,但这也是人类最难以理解的谜题.宇宙到底有多大?到底存在了多长时间?如何起源?如何演变?宇宙有没有尽头.自古以来,人们都在探索着.随着科学的发展,人类已经渐渐深入了解宇宙,从而更深刻体会宇宙的奇妙.正如爱因斯坦所说:宇宙中最不可理解的是,是宇宙居然是可以理解的.往往真相会带来更多的谜题.

【关键词】：宇宙大爆炸 起源 观点 日心说 宇宙膨胀 奇点

人类对宇宙的探索 古今中外,人类从未停止过对宇宙的探索,很久以前,对于当时的人类来说,宇宙是难以理解的,宇宙被赋予了许多神话背景.中国的盘古开天辟地,女娲补天,.国外的大象龟神,中心火焰说.虽然说法都与现在的差别很大,甚至可以说是幼稚.但是,这也是人类对宇宙的探索.从古代开始,中国就有专门的官员观测天文,记录星象.中国西周时期，

人们提出盖天说。公元7世纪，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕，而其中央则是高山。古埃及人则认为天地是个盒子，盒中是尼罗河。古埃及人最早意识到大地是圆的，而在葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ，地球是球形的观念才最终被证实。公元2世纪，C.托勒密提出了地心说，这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动，月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星都在以不同速度绕着地球旋转。地心说在欧洲流传了1000多年。1543年，哥白尼提出日心说，认为太阳位于宇宙中心，而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星。直到16世纪人们才普遍认识到：地球是绕太阳公转的行星之一，而包括地球在内的八大行星则构成了一个围绕太阳旋转的行星系── 太阳系。1609年, .开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转，发展了哥白尼的日心说，伽利略•伽利雷则率先用望远镜观测天空，用大量观测事实证实了日心说的正确性。1687年,牛顿提出了万有引力定律，揭示了行星绕太阳运动的原因，更加证实了日心说的准确性。此后，人们逐渐树立了太阳系的科学观念。随时间发展，科学进步，人们又证实了银河系，及其他多种星系的存在，逐步的认识宇宙的概念。从地球到太阳系到太阳的邻居到本银河系再到本星系群再到宇宙的海棉结构。而这些远小于己知宇宙的大小，所以只是区域结构。如今，我们的视野已拓展到远达200亿光年的宇宙深处，更加体会到宇宙的庞大，遥远，和深邃。宇宙又从何而来,向何处去？宇宙的起点是什么？终点呢？„„有无数的疑问在人类的脑子里徘徊，于是我们不断研究不断发现不断进

步，试图找出我们的和我们的世界的起源，以及归宿。而对于宇宙不是如何起源的，现在最具影响力的说法是宇宙大爆炸。现在已经创立了宇宙大爆炸学说。

宇宙大爆炸

宇宙大爆炸是指大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。此学说认为宇宙是从一个极小的但温度极高，质量极大的奇点诞生的，从那里诞生了时间和空间、质量和能量，从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。那么人们是怎样能推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢？这依赖于天文学的观测和研究，从观测中我们发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，离我们越远的星系，飞奔的速度越快，因而形成了膨胀的宇宙，那么如果把这些向四面八方远离中的星系运动倒过来看，它们很可能当初是从同一源头发射出去的，是不是在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？后来又观测到了充满宇宙的微波背景辐射，就是说大约在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波虽然是微弱的但确实存在。这一发现对宇宙大爆炸是个有力的支持。然而当这个理论一被提出的时候，宇宙大爆炸学便成为了众多科学家争论的焦点，随着学科知识的不过发展，宇宙大爆炸学说到了现在已被越来越完善的被定义。在爆炸发生之前，宇宙内的所存

物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从冷到热，从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。为了具体的研究大爆炸，科学家制作了相应的模型并统一说明了以下的几个观测事实。这些事实无疑为宇宙大爆炸学说奠定了强有力的权威支持和理论基础。更物质更具体而清晰的揭示了宇宙大爆炸学说。

1、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任

何天体的年龄都应比自温度至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

2、观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。

3、在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。

4、根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为3K。这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。 但是，宇宙大爆炸也只是学者们的一种猜想，这个观点是否正确，也有部分学者提出质疑。所谓大爆炸奇点指两个无限大，一是密度无限大，二是温度无限大。大爆炸理论的核心是说宇宙来源于这两个无限大，这也是大部分人质疑的原因。我们很难想像，处于奇异点时期的宇宙到底是什么样。今天流行的宇宙超级结构理论认为，大爆炸后形成的微型黑洞遍及整个宇宙。这些黑洞的体积还没有一个原子核大，但其质量却相当于一个小行星。不久前还有信息称，美国宇航局计划于2007年发射一个高功率X射线望远镜GLAST。按照天文物理学家们的计算，该望远镜的敏感度足以发现微型黑洞的波动。宇宙超级

结构理论将最终得到实验证实。而最大的疑问是大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样，或者说发生这次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程，从大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。 这些事实都说明，宇宙大爆炸理论还缺乏一些直接有力的证据。然而现在还没有一个参与竞争的宇宙学理论能像大爆炸宇宙学一样有着在数学和物理上能被充分理解的清晰表述。这与那些用来解释地球为什么会出现不同季节的许多“理论”的遭遇完全一样。最终，在详尽和彻底的研究之后，只会有一个理论胜出。现在，与一个版本的大爆炸宇宙学比起来，最大的动作要算暴涨宇宙学的出现和宇宙学常数的加入。如果统计所有大爆炸宇宙学的变体，你会发现有十几个，其中每一个都预言了不同的星系演化和宇宙结构，或者是宇宙的归宿是否是坍缩。这些理论也还都是大爆炸宇宙学，只是选择了不同的且只能由观测确定的自由参数。在过去的70年间，有许多被认真研究过的宇宙学理论，它们描述了宇宙的大尺度特性，甚至是宇宙自身的起源。那么宇宙究竟如何起源，依然需要现在以及未来人类的探索研究。

其他的宇宙起源理论

德西特宇宙学（约1917年），其中宇宙物质密度为零。

爱因斯坦静态宇宙学（约1917年）无法解释现代观测现象，因为宇

宙随着时间在膨胀。

勒梅特宇宙学（1924年）、稳恒态宇宙学（1950年）和冷大爆炸宇宙学（1965年），都无法解释宇宙微波背景辐射和宇宙中氦和氘的丰度。 振荡大爆炸宇宙学（约1930年）认为宇宙中没有足够的物质使得宇宙成为一个在未来会坍缩的“闭合”宇宙。

Brans-Dicke大爆炸宇宙学（约1965年）会导致太阳和地-月系统出现极为不同的演化。

Hagedorn大爆炸宇宙学（约1968年）由于发现夸克而被排除。 阿尔文宇宙学（约1960年）同样无法满足许多观测证据。它认为不会观测到由于质子和电子湮灭所造成的大尺度背景辐射。

计时宇宙学（约1970年），其理论预言的宇宙膨胀率与观测不符。 等离子体宇宙学（约1970年）无法解释宇宙背景辐射的起源，各向异性和温度，以及氦和氘的丰度。

早期暴涨大爆炸宇宙学（约1980年）没有考虑到宇宙微波背景辐射并非是理论预言的多块状。

冷和热暗物质宇宙学（约1980年），其中暗物质明显不足，以此来解释宇宙的加速膨胀。

增加了中微子种类的大爆炸宇宙学（约1980年）由于没有实验证据表明存在超过三种类型的中微子而搁浅。

维数小于5维的膜宇宙学（约1999年）由于对引力定律的限制证明了我们宇宙的额外维数不能低于5维而被排除。

改进的牛顿宇宙动力学（约1990年）并不是基于广义相对论，而且

无法为宇宙背景辐射或者宇宙膨胀率提供解释。

这些宇宙理论无法像大爆炸宇宙学那样满足所有的观测证据。宇宙学家认为没有必要在前进的过程中大步的后退，去为那些在绝大多数情况下可能是已经被遗忘或者是失去兴趣的抑或本身就被现有的观测证据所排斥的理论开创新的领域。

总的来说，现在的宇宙起源学说有以下几大类：

1.无中生有说：上实际80年代，出生于苏联的美国教授维兰金提出，宇宙在一个时间、空间、物质或能量皆为零的状态中突然诞生。颇受科学界重视。

2. 宇宙衡态说：膨胀理论确定后，仍有一批科学家提出了宇宙衡态论，即认为宇宙膨胀之后，随时有物质加入，如氧气等，以填补宇宙因膨胀产生的空间，使宇宙的密度不变。他们仍解释宇宙没有一个开始。

3. 循环论假说：有些科学家接受宇宙膨胀理论，但假设宇宙膨胀到一个限度时，因万有引力的关系，宇宙又开始收缩，使密度温度升高到原始火球形态，又产生大爆炸，如此不断地重复。因此他们假说宇宙仍是没有开始的。

4.仍有一群科学家说人类不得不承认有神的存在，并称颂神的作为使宇宙一切都这么有次序地运行着。

宇宙的奥妙就在于吸引人们不断探索，提出理论，产生辩证。宇宙的话题将是人类永恒的课题。

英文翻译：

Big Bang, theory of expanding universe, The heliocentric theory