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宇宙是如何起源的,宇宙为什么是黑色的

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发表于 2016-4-3 01:19:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
宇宙诞生于何时?宇宙是如何起源的?宇宙为什么是黑色的?这个神秘难解的题目,多少年来一直困扰着人们。浩翰的宇宙蕴藏了无穷的奥秘,历来是人们想象力纵横驰骋的原野,它吸引了无数的科学志士为之上下求索。千万年来,地球上的人类一直在问:宇宙有多大?我们所生存的宇宙空间到底是什么模样?宇宙是从哪里来的?它是如何起始的?又是如何演变到今天的?它会不会有终结?如果有,它又将如何告终呢?我们无法回到时间的源头,也看不到宇宙的尽头,但是人们由天文观测结果和积累的科学知识可以追根求源,也可以预测宇宙的未来,宇宙的神秘面纱正被逐渐揭开。



混沌初分:宇宙起源之谜


当我们仰望浩瀚的夜空,一个很自然的想法便出现了:我们这个宇宙究竟有无起点,如果有,究竟又是如何诞生的呢?千载以来,无数哲人智者为此苦思冥想,都没有找到合理的答案。直到1948年,美国《物理评论》杂志上发表了一篇重要的论文,题为《化学元素的起源》。这篇文章认为,宇宙起源于一次大爆炸,地球上和宇宙中发现的原子都是大爆炸的产物。大爆炸宇宙假说后来被认为是宇宙学研究中最重要的假说,并成为20世纪的一个热门话题。


奥尔伯斯的奇思妙想:宇宙为什么是黑色的


每当太阳西沉,夜幕降临之时,大地便沉浸在一片黑暗之中,天空中只有点点星光与朦胧的月色。所以,人们自古以来就一直认为黑夜本是一个简单的自然现象,但是也有一些人对这一现象进行了长期深入的思考和研究,从而发现了宇宙的奥秘。最早对这一现象提出疑问的人是19世纪德国不来梅的奥尔伯斯医生。奥尔伯斯终生是一位天文爱好者,他发现了智神星、灶神星,这是太阳系里的两颗小行星。


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但是人们公认他最伟大的成就是提出了一个看起来很简单的问题:夜晚为什么是黑的?在一般人看来简直该把他送入精神病院去,天空的颜色是黑色的,这已经是天经地义的事了。但奥尔伯斯却是振振有词,他设想:宇宙是个中空的球体,里面布满了无数星体,地球在其中心。无数星光向地球洒来,尽管星光在传播过程中逐渐减弱,但是,由于星体数量增加和距离增加的比例成几何级数,就如同体积增加和半径增加的比率一样。按照这种设想,无论每一颗星的光线多么微弱,但是如果星球数量足够多,经过了足够长的时间后,地球也会被照得炽热发光。结果,地球连同人类和一切生物都将化为灰烬!也就是说,夜不应该是黑的,而是应该和白天一样明亮,而且还应比现在亮不知多少倍!看到这里,你虽然会惊愕不已,但不会感到丝毫害怕。因为事实并非如此,我们还舒舒服服地生活在地球上,安然无恙。

为什么奥尔伯斯的结论与事实大相径庭呢?对此奥尔伯斯提出了如下解释:可以假定宇宙空间存在着一些星云和尘埃,它们把远处恒星发出的光吸收了。但是,这个解释同样有问题。因为,如果星云和尘埃吸收了光也就是吸收了能量,那么它们的温度就会不断升高,并且也发出光和其他辐射。这样一来,到达地球上的光还是无限的。这到底是怎么回事呢?



古人对宇宙的认识


在中国西周时期,人们提出的早期“盖天说”认为,天穹像一口锅,倒扣在平坦的大地上;后来又发展为后期“盖天说”,认为大地的形状也是拱形的。公元前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。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上,而象则站在巨大的龟背上,公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘,上面笼罩着拱形的天穹。


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宇宙的膨胀暗示着什么


你听过救护车或是火车驶过身边时的笛声吗?如果你注意的话,就会发现当车辆向我们驶来的时候,笛声是高亢而尖锐的,而在驶离我们的时候,笛声就变得低沉了。


这就是物理学上的多普勒效应,当物体以一定的速度向我们运动时,它发出的声波的频率会变高,听起来声音就很尖锐,而物体离开我们运动时,它的声波频率会降低,声音就变得低沉了。因此,我们可以根据声音频率的变化来测定物体的运动速度。实际上,多普勒效应不但对声波有效,对光波或者无线电波都是有效的,像高速公路上的雷达测速就是利用无线电波的多普勒效应来测量汽车的速度的。


天文学家是如何测量天体的运动速度呢?

你会想,当然是直接测量啦。例如,月亮30天绕地球一周,也就是每天在天空上走过的角度是12度,我们又知道月亮离地球的距离是38万千米,这样月亮绕地球的速度是约每秒1千米。可惜,直接测量的方法只是对距离很近的天体才有效。对那些遥远的天体,则主要要用光波的多普勒效应来测量速度。天文学家拍摄天体的光谱,光谱中通常存在着暗黑的线条或是明亮的线条,叫做“谱线”。当天体向我们运动时,谱线会向蓝端移动,也就是向高频移动,称为“蓝移”;当天体离开我们而去时,谱线会向红端移动,称之“红移”。1924年美国天文学家哈勃发现来自遥远星体的光线和来自河外星系的光线有红移现象。他指出,这些星体和这些星系一定是以极大的速度离开我们向外移去。他进一步发现,离我们越远的星体发出的光红移就放大。于是哈勃提出整个宇宙在膨胀,宇宙里的一切都相距越来越远。这就是“宇宙膨胀学说”。

宇宙膨胀学说使奥尔伯斯佯谬最终得到解决,黑夜的奥秘在于宇宙膨胀。河外星系正以极大的速度离开我们向远处移去,极大地减弱了我们地球从它们那里得到的辐射。这样我们生活的地球在夜晚才一片黑暗,也使得我们人类和一切生命免于在炽热的星光中气化。





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光谱和谱线

我们知道,白光是由七色光组成的,这红橙黄绿青蓝紫七种颜色的光的排列就是“光谱”。像雨后出现的彩虹就是太阳的光谱。不同颜色的光具有不同的波长和频率,红光的波长最长、频率最低,而紫光的波长最短、频率最高。光的波长和频率的乘积等于光速。在天文学中使用“光谱仪”来拍摄天体的光谱,一般在天体的光谱中会出现暗黑的线或是明亮的线,分别被称为“吸收线”和“发射线”,统称为“谱线”。谱线是由各种化学元素产生的,只要天体是静止的,谱线的位置就是固定的。


宇宙是上帝的一颗爆米花


取一粒小小的玉米放入爆米花锅内,并封好顶盖,再把爆米花锅放在火炉上加热,随着顶盖的打开,只听“嘭”的一声,蓬松的爆米花出现了。其实,从某种意义上来讲,宇宙的诞生就像爆米花。

既然宇宙是在不断膨胀的,那么以前的宇宙应该比现在更小,物质也更密集。在宇宙的早期,可能是一种非常密集的状态,那时的物质密度非常之高,完全不同于人们如今看到的星空世界。沿着这条线索思考下去,必然要涉及到宇宙的开端问题。

1931年,比利时牧师兼物理学家勒梅特从宇宙膨胀理论出发,提出了宇宙起源于一个“原始原子”爆炸的假说。由于缺乏足够的物理证明,勒梅特的这个假说没有引起重视,然而,宇宙膨胀起源于“原始原子”爆炸的设想却成为伽莫夫大爆炸宇宙论的思想渊源。
1948年前后,伽莫夫和他的同事连续发表了《膨胀宇宙和元素的起源》、《化学元素的起源》、《元素的起源和星系分离》等文章,在以上研究的基础之上构造出了大爆炸宇宙论的较完整的框架。大爆炸宇宙论认为宇宙起源于一个高温、高密度的“原始火球”,并有过一段由密到稀、由热到冷的演化史。这个演化过程伴随着宇宙的膨胀,开始时十分迅猛,如同一次规模巨大的爆炸一样,所以被称为大爆炸宇宙模型。伽莫夫的观点虽说新颖而大胆,但确实太令人不可思议了!我们怎么能想象:如此无边无际的宇宙,竟然出生自一枚小小的“玉米”——宇宙蛋!伽莫夫是当时世界著名的物理学家之一,他年轻时曾在丹麦哥本哈根玻尔主持的理论物理研究所工作过,以善于开玩笑和写打油诗而闻名,是不是他关于宇宙诞生的这个“玩笑”开得过分了?



小宇宙

在膨胀理论基础上,一些人又提出,宇宙由许多相互分裂的部分组成,它们具有不同的膨胀速度,这样每一部分因膨胀都会产生出小宇宙,这些小宇宙都在不断缓慢扩大。即使在今天这些小宇宙也像冒泡一样不断分离产生新的小宇宙,并且新生小宇宙又按着自己的速度膨胀着。总而言之,宇宙作为大小不等的小宇宙的总和,其中不断有新的小宇宙出现。


来自宇宙的神秘噪声


1964年5月的一天早上,一个蓬头垢面的年轻人出现在美国贝尔实验室刚建成的大型射电望远镜基座旁。他望着天空巨大的喇叭形天线发了半天呆,然后回到控制室里,对一位神色疲惫、双眼都是血丝的小伙子说:“威尔逊,那该死的噪音到底是怎么回事?”威尔逊是一位身形瘦高的小伙子,正埋头在记录着什么,他站起来茫然地摇摇头。也无怪两个年轻人如此焦急,他们刚来实验室不久,主任就把最新研制成功的天线交给他们,也算是青眼有加了。他们正准备大干一番的时候,却意外地发现在7厘米附近的波段处总是有大约5K左右的躁声。这令他们迷惑不解。难道是仪器本身有毛病吗?他们把天线拆开重新组装,还是能接收到那种无法解释的噪声。突然彭齐亚斯望着天边飞翔的鸽子,灵机一动,莫不是这些家伙在捣鬼?他二活没说就搬起梯子爬上天线,果不出所料,这些可恶的鸽子在上面做了窝,除了一些鸽粪之外,居然还有几只毛茸茸的幼雏,他将天线打扫干净,回去一看,噪音倒是减小到3.5K,但这3.5K是无论如何也摆不脱了。更奇怪的是这种噪音无论春夏秋冬都是不变,倒似亘古以来就一直存在一般。这究竟是什么?彭齐亚斯和威尔逊想不明白,而普林斯顿大学的一批天文学家却立即判断出,这正是他们想要寻找的来自外太空的宇宙背景辐射——大爆炸宇宙模型的观测证据。

原来据推算,150—200亿年前宇宙大爆炸后,我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在,已经变得很冷了,而大爆炸后的残余辐射量很小,相应的温度大约是6K。彭齐亚斯和威尔逊的观测结果竟与理论预言的温度非常接近,这正是对大爆炸宇宙论的一个非常有力的支持!就这样,两位年轻人在这台天线上完全出乎意料地完成了震惊世界的重大天文发现:找到了伽莫夫等人所预言的宇宙背景辐射,温度约为3K。这一重大的天文发现使彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。

哈勃

哈勃是美国天文学家。由于哈勃在现代天文学,特别是星系天文学方面的杰出贡献,他被后人称为“星系天文学之父”。现代天文学的许多用语和名称与哈勃的名字连在一起。除了哈勃定律、哈勃常数、哈勃隐带等专业性比较强的词汇外,最为公众熟悉是“哈勃望远镜”,因为各类媒体经常会报道它的消息。它是美国在1990年发射到太空的,其实就是一座太空天文台。


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神秘的宇宙大爆炸


前面我们提到,宇宙的产生就像爆米花,是在爆炸中形成的。那么,这个大“爆米花”的诞生过程是怎样的?又经过了多长时间才有了我们周围的物质世界,有了千千万万个你我?根据“大爆炸宇宙模型”,科学家给我们描绘了宇宙起源的图景:我们的宇宙约起源于150亿年前的一次大爆炸事件,在此之前,宇宙既没有时间也没有空间。大爆炸后,时间和空间开始产生;10万分之一秒(10-6秒)后,构成物质的基本粒子,如夸克、胶子和电子等开始形成;万分之一秒后,温度仍高达几十亿K,光子激烈碰撞而产生出正反基本粒子,正反粒子又相互湮灭而恢复为光子。光子和粒子并存,数量各占一半。千分之一秒(10-4秒)后,质子和中子开始出现;至13.82秒时,空间温度因膨胀而降低到30亿K以下。温度下降以后,光子碰撞不够激烈,基本粒子的创生过程就结束了。已经产生出来的反粒子全部与正粒子相互湮灭,只剩下多产生出来的10亿分之一的正粒子,成为组成字宙物质的全部基本材料。当宇宙年龄达到3分46秒时,温度降至9亿K以下,中子与质子结合成一个氦等低质量原子核。中子躲进原子核中才不再衰变,被稳定地保存下来。

现实宇宙中占物质总量26%的氦就是那时形成的。幸亏有原子核这种形式保存中子,否则,中子统统衰变,宇宙中就只有氢(只有氢原子核不含中子,单由一个质子组成),而不会有其他任何化学元素了。


霍金的时空观念


在早期阶段,霍金的研究主要关注空间、时间的奇异爆炸概念——这是经典物理学从未涉足的领域,把时间和三维空间合成的概念称作时空。我们最熟悉的奇异概念的例子是黑洞——瓦解的恒星所具有的最后形式。大部分科学家认为时空来自相对论。而霍金在20世纪60年代晚期证明,如果广义相对论是正确的,那么奇异必然来自一次大爆炸。而大爆炸标志着宇宙的诞生和时空的开始。当宇宙达到40万岁时,原子核与电子结合形成中性原子;

那时,宇宙中光子与稠密的物质粒子胶合在一起,不可能像现在那样通行无阻。辐射既不能自由穿行,宇宙便呈现一片漆黑状态。70万岁的宇宙终于度过黑暗时代,迎来了黎明的曙光,光子可以自由穿行。光明骤降,宇宙从以辐射为主的时期转变为以物质为主的时期,物质粒子开始聚集成团。10亿岁时,星系和恒星开始形成;宇宙到100亿岁时,银河系、太阳和地球开始形成了。120亿年后,生命出现。


大爆炸宇宙理论虽然获得了学术界广泛的认同,但是还有一些谜团人类目前尚无法解释:宇宙当初为什么会突然膨胀?那极高的温度、极高的密度,那些能量、那些光子是从哪里来的?为什么正物质粒子比反物质粒子,每10亿个多一个?……科学不掩盖谜团,而是在执著的追求中不断提高人类揭开谜团的能力。


宇宙大爆炸


大爆炸理论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。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。


吉凶难料的宇宙

未来广袤无垠的星空、一望无际的银河,在我们的头顶上有一个尽一切可能也望不到边缘的天体,这就是宇宙。一切生物都是有生命的,生生不息,周而复始。可是作为一切生物生存之地的宇宙有没有生命呢?它会不会终结呢?它的归宿何在?有一种理论预言:宇宙中占73%的暗能量使宇宙加速膨胀,最终导致物质之间的距离越来越大,时空就被撕裂了。那个时候抬头看天空(前提是地球还存在,还有人抬头看天空),天空是漆黑一片,因为没有星光到达观测者的眼中了。

因为空间膨胀的速度使光都来不及传送信号,宇宙就是一片死寂了。目前科学家认为宇宙的未来有三种可能性。一种是开放式的,第二种是闭合式的,第三种是平直的。如果宇宙是开放式的,那么它最终的结局是一个绝对的死寂。因为,随着宇宙不断地膨胀,恒星们不断地消耗着能量,最终将成为白矮星、中子星和黑洞。白矮星最后将以一个寂静的黑矮星为终结。随着恒星的死亡和黑洞蒸发的结束,空间的能量完全没有了来源,一切的物理过程全部结束。这一状态出现时,时间已经没有意义,也就是说时间也到了尽头。这一状态,叫作热寂。如果宇宙有第二种命运,那么这是更加奇特的。在未来的某一时刻,膨胀停止,转而成为普遍收缩,这样,空间的收缩带动了恒星,使它们互相靠近。这看起来是大爆炸事件的一个逆转过程。最后,宇宙聚缩为一个数学点式的微小区域。一切有形的东西统统毁灭,包括空间和时间本身。

从虚无中诞生的宇宙,曾经灿烂辉煌地存在过无数亿年,最后又回到虚无中去,什么也没有留下。如果宇宙的命运是平直的,那么宇宙会在膨胀与收缩两种极端情形之间摇摆。也就是说,当引力场足够大时,将使宇宙的膨胀在持续相当长时间之后停下来,并转为收缩。收缩过程会逐渐加速,直到回复到无限密集的状态。接着又可能发生大爆炸,字宙再一次膨胀……宇宙就这样在膨胀、收缩、再膨胀、再收缩间周而复始地动作着。由于各种因素和现在掌握的数据都不确定,因此我们的宇宙未来命运是怎样的,至今尚无定论。





宇宙的颜色之谜


随着灰暗的冬天让位给明媚的春天,一幅五彩缤纷的绚丽画卷就会向我们展现开来。对我们大多数人来说,这是我们在地球上既熟悉又亲切的生活的一部分。但是你可能想知道,颜色在我们这个小行星之外是怎样起作用的?夜空只是黑和白的学问吗?或者,假如我们能不受大气畸变的影响而看到夜空中的物体,那么宇宙是否会像一副生动的油画,就像我们从无数杂志和教科书上那些激动人心的彩色照片上看到的那样?事实上宇宙的颜色常常不同于太多数人所想象的那样。例如在一月份你抬头可看到形成猎户座腰带的三颗星,借着这三颗星你还可以看到猎户座肩头上灿烂的叁宿四和在腰带下方相同距离上更加耀眼的参宿七。

参宿四红得像一块火炭,而参宿七则闪耀着蓝白色的光辉。同样,行星也在色彩上迷惑了我们。海王星和天王星呈蓝绿色。它们富含氢和甲烷的大气层吸收了大多数其他颜色。我们看到火星常联想到战争,那大概起源于迷信的巴比伦人把火星红色的闪光同血与火联系在一起。其实根据在火星着陆的海盗号宇宙飞船拍摄的照片,火星的表面呈赭黄色。由于火星大气层中漂浮的尘埃,使它透过望远镜而呈现出红色。木星表面著名的红色斑点确实是红色的,虽然由于汹涌的木星大气中扰动气流的变化常使它的颜色发生很大的改变。然而行星的其他可能有的颜色则更值得怀疑。通常在教科节及期刊杂志中经过计算机美化的木星照片,都没有提到其中的鲜蓝色、红色和黄色都是为了增加反差而被夸大了的。事实上人们已经把修饰过的图像当成了真实,而至少有十年没有看到过真实的木星图像了。

发表于 2016-4-3 21:57:39 | 显示全部楼层
爆炸释放能量,收缩吸收能量。既然宇宙在膨胀,能量已在失去(黑色的天空),宇宙要收缩时,去哪里获得能量?!
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