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宇宙起源及宇宙大爆炸(图)

独木帆 2017-09-24 00:40:20 阅读:

宇宙起源及宇宙大爆炸(图)

宇宙的创生

爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。

暴涨模型允许宇宙的物质和能量从无中产生。大统一理论认为,重子数允许不守恒,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零,因此宇宙从无中演化是可能的。

“无”并非是绝对的虚无,真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式。如果进一步说真空能起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。从现代物理学的观点看,真空也可视为物质。

宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史。暴涨模型认为宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,把“无”作为一种未知的物质和能量形式,在认识论和方法论上有一定意义。

现代宇宙学不是晦涩无用的哲学思辩,而是建立在天文观测、数学模型、物理实验基础上的现代科学,完全有能力认知宇宙的奥秘。天文学家们指出,大爆炸必然会发生,原因是“虚空”本质上是不稳定的,可以从量子力学和广义相对论中推导出来。在量子力学的尺度,空间将不稳定,不再显示平滑和连续,空间和时间失去稳定性,混杂形成时空的泡沫,微小的时空泡可以自发形成。量子化的时空产生涨落,宇宙产生于“虚空”。

宇宙起源及宇宙大爆炸(图)

不断膨胀

暗能量占据宇宙全部物质的74%,它是宇宙加速膨胀的推手。宇宙的膨胀进程处于两种相克的力量平衡之中,如同阴阳相克。其中的一种力量是引力,它们的作用使膨胀减速,而另一种强大的反制力量则是暗能量,它使宇宙加速膨胀。而现在看来,暗能量胜出了。 宇宙中可见物质远远不足以把宇宙连成一片,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系早就分崩离析。科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。暗物质是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。 天文观测表明我们的宇宙在做加速膨胀运动。

理论上存在某种临界密度。如果平均密度小于临界密度,宇宙就会一直膨胀下去,称为“开宇宙”;要是平均密度大于临界密度,膨胀过程迟早会停下来并收缩,称为“闭宇宙”。

目前来看,开宇宙的可能性大一些。

加速膨胀

诺贝尔奖获得者布莱恩·施密特指出:“物质与物质之间的空间正在加大。“

2011年,布莱恩·施密特和他的同事因利用“超新星”作为“宇宙探测器”发现宇宙的加速膨胀而获得了当年的诺贝尔物理学奖,在研究之初,他们的想法是测量宇宙的膨胀速度如何因为万有引力的作用而减缓,而最终的发现却出乎人们的意料,事实证明,宇宙的膨胀速度越来越快。他解释道:“我们观察物体远离我们的速度,就像多普勒雷达采用多普勒频移来定位、测量一样。我们测量距离以及这些动作划分的距离,从而计算出宇宙的膨胀速度。我们的测量方法就是观察遥远的物体,在不同的时间做同样的测量,通过比较得出结论。从这个角度来说,这是一个很简单的实验。通过比较过去与现在测量的不同距离,我们得知现在宇宙的膨胀速度比以往快很多。“

研究人员计算出目前的宇宙膨胀速度,即所谓哈勃常数,约为73.2公里/(秒·百万秒差距)。每百万秒差距相当于326万光年,因此一个星系与地球的距离每增加百万秒差距,其远离地球的速度每秒就增加73.2公里。这意味着,在98亿年内,宇宙天体间的距离将扩大一倍。

宇宙起源及宇宙大爆炸(图)

宇宙的结局

热力学定律不会让宇宙获得永生,新的恒星无法继续形成时,宇宙抵达热寂平衡点,宇宙的状态如同诞生之初的那一碗汤状时空。热寂是热力学上的终点,整个宇宙任何一处的温度都仅仅比绝对零度高一些,这意味着没有东西会幸存下来。 少部分科学家认为,宇宙结局如果是大坍缩,所有的物质最终都会变成原子状态,再经过一次偶然的量子涨落,新一轮的大爆炸又形成了,下一个宇宙诞生。

宇宙学家认为,如果宇宙能量密度等于或者小于临界密度,膨胀会逐渐减速,但永远不会停止。恒星形成会因各个星系中的星际气体都被逐渐消耗而最终停止;恒星演化最终导致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相当缓慢地,这些致密星体彼此的碰撞会导致质量聚集而陆续产生更大的黑洞。宇宙的平均温度会渐近地趋于绝对零度,从而达到所谓大冻结。此外,倘若质子真像标准模型预言的那样是不稳定的,重子物质最终也会全部消失,宇宙中只留下辐射和黑洞,而最终黑洞也会因霍金辐射而全部蒸发。宇宙的熵会增加到极点,以致于再也不会有自组织的能量形式产生,最终宇宙达到热寂状态。在ΛCDM模型中,暗能量以宇宙学常数的形式存在,这个理论认为只有诸如星系等引力束缚系统的物质会聚集,并随着宇宙的膨胀和冷却它们也会到达热寂。对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论则认为最终星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物质都会在一直持续下去的膨胀中被撕开,即所谓大撕裂。

宇宙起源及宇宙大爆炸(图)

宇宙大爆炸模型

理论简介

大爆炸这一模型的框架基于爱因斯坦的广义相对论,又在场方程的求解上作出了一定的简化。1932年勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论,1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论。[105] 大爆炸宇宙模型认为,宇宙起源于100多亿年前的一个原始火球。 暴胀模型解决了宇宙学三大疑难:视界疑难、平坦性疑难、磁单极子疑难。[107] 大爆炸依据宇宙学原理,即奇点在所有空间爆发。

大爆炸理论最早也最直接的观测证据包括从星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度,而今大尺度结构和星系演化也成为了新的支持证据。这四种观测证据有时被称作“大爆炸理论的四大支柱”。

大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:

(a)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下降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。

(b)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。但2012年认为这是宇宙学红移,而非多普勒红移。在宇宙学红移中,光波的波长是在传播过程中随空间的膨胀而发生变化的。光谱线的红移就是宇宙膨胀的反映。

(c)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有如此多的氦。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。

(d)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。

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,便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。

理论依据

大爆炸理论证据如下

(a)红位移

从地球的任何方向看去,遥远的星系都在离开我们而去,故可以推出宇宙在膨胀,且离我们越远的星系,远离的速度越快。

(b)哈勃定律

哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。

V=H×D

其中,V(Km/sec)是远离速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常数,为50;D(Mpc)是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。

(c)氢与氦的丰存度

由模型预测出氢占25%,氦占75%,已由试验证实。

(d)微量元素的丰存度

对这些微量元素,在模型中所推测的丰存度与实测的相同。

(e)3K的宇宙背景辐射

根据大爆炸学说,宇宙因膨胀而冷却,现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬,1965年,3K的背景辐射被测得。

(f)背景辐射的微量不均匀

证明宇宙最初的状态并不均匀。

(g)宇宙大爆炸理论的新证据

在2000年12月份的英国《自然》杂志上,科学家们称他们又发现了新的证据,可以用来证实宇宙大爆炸理论。

二次膨胀理论

美国能源部布鲁克海文国家实验室等机构一些科学家认为,宇宙早期可能还有一个较为短暂的二次膨胀时期,这种假设或许能解释宇宙中现有暗物质数量过多的问题。

该实验室高能理论小组负责人霍曼·戴伍迪亚索说,在这些重要事件之间,可能还有一次膨胀,它不像第一次爆炸那么剧烈,却可以“稀释”暗物质,使宇宙中的暗物质密度最终成为今天这样。

物理上均等划一

大爆炸理论的建立基于两个基本假设:物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。 宇宙的所有地方(同质性)和所有方向(同向性)看起来都相同,是大爆炸理论的重要依据。该理论认为整个宇宙,我们所见的一切,都起源于一个炽热、致密而统一的状态,在那里,各处的定律和初始条件都是相同的。 宇宙学最基本的原理即平庸原理。它认为,地球上的各种规律在其他地方都适用。

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