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永恒运动中的宇宙
时间:2020年06月27日信息来源:本站原创点击: 加入收藏 】【 字体:

永恒运动中的宇宙

  古往今来,无数人面对苍茫的大地,面对灿烂的星空,面对浩瀚的宇宙,陷入对世界的沉思:谁创造了这一切?

  我国民间流传的是盘古开天辟地的故事:天地浑沌如鸡子,盘古生其中。万八千岁,天地开辟,阳清为天,阴浊为地。

永恒运动中的宇宙

  西方社会流传的是《圣经》中的故事:起初,神创造天地。地是空虚混沌,渊面黑暗;神的灵运行在水面上。神第一天创造了白天和黑夜,第二天创造了天空,第三天创造了大地、海洋和各种植物,第四天创造了太阳和月亮,第五天创造了动物,第六天创造了人类,第七天安息了。

永恒运动中的宇宙

  这些不同版本的故事,反映了人们对天地宇宙起源的思考与想象。

  宇宙有没有起源和终结,它是永恒的还是演化的?其实这也是从古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索与探索的问题。直到20世纪,宇宙学已经不再是依靠想像的故事传说,也不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学,以众多观测事实为依据的宇宙起源和演化理论才正式宣告诞生。

  爱因斯坦揭开了现代宇宙学研究的序幕。1916年,爱因斯坦提出广义相对论。这一理论主张,时间和空间并不像人们一贯认为的那样,只是一个让物体在其中运动而本身却不受影响的容器,而更像是一个形状依赖于其上所载小球的弹性薄膜,它描述的是弯曲的时空。1917年,爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究,得到一个有限无界的静态宇宙模型。尽管后来发现它不可能保持稳定而被放弃,但毕竟是一次开创性的尝试。

永恒运动中的宇宙

  1924年,苏联科学家亚历山大·弗里德曼在广义相对论的框架下,从理论上论证了宇宙要么膨胀,要么收缩,决不会保持静止状态。1929年,美国天文学家哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现,除个别例外,绝大多数星系的光谱都表现出红移,而且红移量大致同星系的距离成正比,说明恒星在远离地球而去,那么,直接的推论就是:字宙中所有的星系都在彼此远离,即宇宙处于普遍的膨胀之中!哈勃的这一发现为弗里德曼宇宙模型提供了直接的观测依据,动摇了宇宙整体静止的传统观念,为进步研究字宙的起源和演化扫清了道路,是本世纪天文学最重要的成就之一。这一研究结果也改变了爱因斯坦对宇宙的看法,他把坚持静态宇宙模型的失误称为自己“一生中最大的错事”。

永恒运动中的宇宙

  宇宙大爆炸是现代宇宙学中最有影响的一种学说。根据40年代由伽莫夫等人开创的对于宇宙早期高密状态的研究,在大爆炸发生以前,宇宙中的温度高于100亿K。那时不仅不可能存在星系、恒星、地球,甚至除氢核外也没有其他到化学元素,只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子K等基本粒子混合而成的“宇宙汤”。不仅温度极高,物质密度也相当大。宇宙起源于一个单独的无维度的点,即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。至少是在120~150亿年以前,宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。在温度下降的过程中,宇宙中的各种基本粒子,比如中子、质子、电子、光子和中微子等等,这些基本粒子发生各种核反应,产生各种化学元素。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。

  对大爆炸理论形成有力证据的观测事实主要有:

  一是哈勃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。

  二是各种天体年龄的测量。借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法,人们测量了地球上最古老的岩石、“阿波罗号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本,发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可以从它们的发光功率和拥有的燃料储备来估计。根据热核反应提供恒星能源的理论,人们估计出银河系中最老恒星的年龄为100-150亿年。用这两种完全不同的方法得到的天体年龄竟与“宇宙龄”协调一致,这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。

  三是轻元素丰度的测量。天文观测表明,无论在宇宙中哪个角落,无论在恒星、星际物质中,氦与氢的比例均大体与此相符。同-时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素,尽管数量小得多,但它们的丰度(即与氢的比例)也具有类似的普适性。这对热大爆炸模型无疑又是一个有力的支持。

  四是微波背景辐射的发现。按照宇宙大爆炸理论,随着宇宙的膨胀,辐射温度不断下降,但始终保持黑体谱形和总体均匀性。按伽莫夫等人的计算,作为大爆炸过程的遗迹,目前的宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。由于这种辐射的峰值波长在1毫米附近,处于微波波段,故又称微波背景辐射。这一重要预言在提出后并未引起人们的认真关注。直到1964年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时,他们起初也并不清楚自已发现的意义。后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息,才认识到这正是他们试图寻找的宇宙背景辐射。为了最后“验明正身”,20多年来,全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模调查,形势逐渐明朗。1989年,美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星,第一批测量数据表明:在从0.5毫米到5毫米的整个波段上,该辐射的谱分布与温度与理论完全相合。这就无容置疑地证明了微波背景辐射。它是热大爆炸模型最令人信服的证据,这发现在现代宇学史上的地位只有字宙膨胀的发现可以相比。如果说,哈勃的发现是打开了宇宙整体动力学演化研究的大门的话,那么,彭齐亚斯和威尔逊的发现就是打开了宇宙整体物理演化研究的大门。

永恒运动中的宇宙

  到21世纪,现代宇宙学又有了新的探索与发现,“大反弹”理论成为“大爆炸”理论的新发展。

  2014年3月,当科学家们使用设在南极的Bicep2 探测器发现支持宇宙大爆炸的证据的时候,消息震动了整个物理学界。“大反弹”理论认为宇宙并非一定要从一个所谓的“奇点”诞生,而是从上一个宇宙的崩塌中反弹而生。这是统一量子力学与广义相对论的一项尝试,而它本身便是引力对宇宙产生作用的表现形式。其基本内涵是认为宇宙可被视作是许多缠绕的圈环,从而赋予空间本身一种类似原子的结构,使其成为类似物质的东西。引力可以随着宇宙密度的上升而成为一种反弹力,就像弹簧被压缩到一定的程度之后就会变得更难继续进一步压缩。因此,如果宇宙的确曾经塌缩,那么当它达到某一临界尺度,它最终还将会再次反弹。这一扩张过程就是所谓“爆炸”。

  这一新的理论将解决一些棘手的问题,比如:宇宙大爆炸之前是什么?因为这样一来这个问题的答案就会很简单:一个正在收缩中,尚未抵达其最小尺度的宇宙。随后,宇宙便再次膨胀。

  科学研究永无止境,随着科学技术的进一步发展,未来我们还将需要借助Bicep2和其他望远镜设备的观测结果,对宇宙的形成将会有新的认识。但有一个基本的理论是:宇宙是在永恒的运动与发展中!


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