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宇宙的起源与演化 宇宙命运归宿

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发表于 2015-10-1 01:15:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
数千年前,我们的诗人屈原就问了一大堆问题:宇宙的起源是什么,宇宙的起源与演化是谁为背后推手?宇宙命运的归宿又在哪里?
我们所在的世界从何而来?这也许是人类最古老的问题。无论是宗教、哲学还是科学,都试图回答这个问题。在知识蒙昧的时代,人们把世界的创生归结为神的创造。而今天,科学已成为主流文化,人们摆脱了超自然的思维方式,转而以科学的方法探索宇宙起源的问题。正如爱因斯坦在《物理学的进化》一书中所做的比喻一样,用科学的方法探索宇宙的起源,就如同进行推理探案,这是一个惊险而新奇的过程。

对于宇宙,我们可以测量它,分析它,甚至开发它;但我们不知道宇宙到底是什么,它是如何开始的,他开始的动因是什么,它的最终结局又会是怎样的。这些开天辟地的问题一直伴随着人类。

首先要明确宇宙的定义。“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。”而根据《辞海》解释,所谓宇为空间的总称,所谓宙为时间的总称。也就是说宇宙是指空间和时间,并没有指存在于空间和时间中的其他物质。空间和时间都是看不见摸不着嗅不出的虚无东西,但它们确确实实存在着。宇宙有多大?年龄有多大?这些问题都是因地球人类长期生活在一个局限的空间和时间下形成的一种意识。如果我们想一想世界上有谁能说出一个最大的数或最小的数,我们就能从这个“固步自封”的思想中获得解放。作为虚存在的宇宙,就像世界上没有一个最大的数一样,它的空间是无限大,年龄也是无限大。因此,宇宙也就不存在什么宇宙之外,宇宙也没有过去和未来,宇宙也根本不存在起源和结束:虚存在的宇宙是永恒的,包括过去、现在和未来。


宇宙的起源



  宇宙大爆炸

宇宙的起源与演化 宇宙命运归宿64 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20393,59525

  
  现在科学界所公认的宇宙起源理论,当然是“大爆炸理论”。这个理论本身就是科学推理的一个结果。由于这个理论得到了许多天文学观测结果的支持,因而现在成为宇宙起源的主流思想。那么,这个理论到底说的是什么呢?

  所谓大爆炸理论,就是认为宇宙起源于一次“大爆炸”。这只是一个形象的说法,并不同于我们通常意义上理解的爆炸。宇宙大爆炸理论有一个基本的出发点,那就是相信宇宙在不断地演化,而且具有一个起点。那么,这个起点是什么样子的呢?

  在宇宙的起点,也可以说是宇宙的零点,此时的宇宙没有时间,没有空间,没有任何现在能看到的天体,只是一种温度和密度都无限高的真空状态。这就是宇宙的起点。那么有人会问,在这之前,宇宙是什么状态呢?我们现在只能说,因为没有时间,所以不存在“之前”的概念,因而不存在这个问题。那么,时间是怎么产生的呢?时间是随着宇宙爆炸而产生的。宇宙从这个起点开始,一瞬间就发生了急剧的暴涨。就是这个暴涨产生了时间、空间和物质。从这个暴涨开始,宇宙才逐渐演化,成其为今天人们看到的宇宙的样子。


  对于初次接触大爆炸理论的人来说,有人也许会觉得荒诞不经。人类千万年以来,都生活在生机盎然的地球上,白天有辉煌的太阳,夜晚有璀璨的星辰,怎么能想到,这个看似妙趣横生的世界,其诞生之初竟然是这么机械,这么了无趣味。科学所提供的这个宇宙诞生的图像就是这样。相对于“开天辟地”和“上帝创世”的神话传说,宇宙大爆炸的过程显得非常单调和乏味。那么,为什么这一理论成为科学界所公认的理论呢。正如前文所说,因为它得到了科学观测的支持。
  
  科学证据何在?
   宇宙的起源与演化 宇宙命运归宿32 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20393,59525

  1929年,美国天文学家哈勃提出了哈勃定律。根据长期的天文观测,他发现,星系的红移量与星系间的距离成正比。这就是哈勃定律。根据这一定律,人们可以推导出,所有的星系都在互相远离;而且,距离地球越远的星系运动速度越快。这一发现在当时就引起了轰动。也就是说,如果逆着时间把星系现在的运动向前追溯,那么,在一百亿和二百亿年前之间的某一时刻,所有的星系似乎都应该聚合在一起,而形成一个点,这就是宇宙的起点。

  1962年,通过大量的观测,科学家们发现在天空的各个方向上,都能够均匀地探测到X射线。随后,在1965年,人们又发现了来自太空的微波辐射,同样是在天空各个方向上均匀分布的,而且不论在哪个方向上,其均匀程度都令人称奇。这就是所谓的宇宙微波背景辐射。微波背景辐射无处不在。在生活中,我们都有这样的经验:如果没有电视信号,就会在电视屏幕上看到雪花般闪烁的图像。造成这种图像的部分原因就是无处不在的微波背景辐射。

  微波背景辐射是20世纪天文学最重大的发现之一。而更令人称奇的是,早在之前的20世纪40年代,宇宙微波背景辐射居然已经被俄裔美籍物理学家伽莫夫所预言,因为宇宙微波背景的存在是宇宙大爆炸理论的一个直接推论。这样一来,由物理学家伽莫夫等人提出的宇宙大爆炸学说,就立刻成为科学界最关注的宇宙起源理论。
  
  疑点重重
  

宇宙的起源与演化 宇宙命运归宿27 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20393,59525

  其实,早在1927年,比利时数学家勒梅特就提出类似的观点。他认为,最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,经过一次开天辟地般的大爆炸,宇宙中的物质分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。这一原始的想法经过不断修正,形成了今天的大爆炸理论。而伽莫夫的贡献在于,他描画了宇宙爆炸之后的整个演化过程,即宇宙后来形成各种星球和星系的整个过程。
  在宇宙起源问题上,爱因斯坦也作出了很大的贡献。他根据自己的理论提出了宇宙方程式。这个方程式表述了这样一幅宇宙演化的图像:宇宙是从由微观粒子构成的高温高密度均匀气体演化而来的,现在的宇宙当中的物质形态和天体结构都是演化的产物。爱因斯坦用物理学推进了普通大众对宇宙的认识。但是有一点不能不提,在这个宇宙大爆炸的那个时刻,由于宇宙所处的特殊状态,人们现在所掌握的所有物理定律在这种条件下都失效了。那是一个什么状态呢,现在还没有答案。
  关于宇宙大爆炸,人们所能知道的就是:宇宙在急速膨胀的同时,温度在不断降低,由于温度降低,宇宙的状态发生了变化,从诞生最初的第1秒到100秒的时间内,宇宙产生了基本的原子核,即氢核与氦核,然后再继续进行轻核的合成。当然,这些都只是科学的推断。事实上,大爆炸理论从产生之初,就一直接受各种质疑,至今未休。宇宙大爆炸理论面临的难题还有,如果宇宙无限膨胀下去,最后的结局如何呢?这个问题和宇宙起源的问题一样,也是科学的终极难题。


宇宙的起源与演化 宇宙命运归宿3 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20393,59525

宇宙的起源与演化





英国著名物理学家霍金一生贡献于理论物理学的研究,却在客观上试图解答关乎人类的哲学问题,这使他获得了远超越于一名科学家所能得到的关注。6月19日上午,他在人民大会堂作了题为《宇宙的起源》的演讲。演讲追述了霍金视野中人类关于“宇宙起源”的争论和研究历程,希望正如霍金所说――“我们正接近回答这古老的问题:我们为何在此?我们从何而来?”
  
  根据中非Boshongo人的传说,世界太初只有黑暗,水和伟大的Bumba上帝。一天,Bumba胃痛发作,呕吐出太阳。太阳灼干了一些水,留下土地。他仍然胃痛不止,又吐出了月亮和星辰,然后吐出一些动物,豹、鳄鱼、乌龟、最后是人。
  这个创世纪的神话,和其他许多神话一样,试图回答我们大家都想诘问的问题:为何我们在此?我们从何而来?一般的答案是,人类的起源是发生在比较近期的事。人类正在知识上和技术上不断地取得进步。这样,它不可能存在那么久,否则的话,它应该取得更大的进步。这一点甚至在更早的时候就应该很清楚了。
  例如,按照Usher主教的说法,《创世纪》把世界的创生定于公元前4004年10月23日上午9时。另一方面,诸如山岳和河流的自然环境,在人的生命周期里改变甚微。所以人们通常把它们当作不变的背景。要么作为空洞的风景已经存在了无限久,要么是和人类在相同的时刻被创生出来。
  
  很多人从最开始就不喜欢宇宙有个开端的思想
  他们相信,时间是绝对的,独立于宇宙

  
  但是并非所有人都喜欢宇宙有个开端的思想。例如,希腊最著名的哲学家亚里士多德,相信宇宙已经存在了无限久的时间。某种永恒的东西比某种创生的东西更完美。他提出我们之所以看到发展处于这个情形,那是因为洪水或者其他自然灾害,不断重复地让文明回复到萌芽阶段。信仰永恒宇宙的动机是想避免求助于神意的干涉,以创生宇宙并启始运行。相反地,那些相信宇宙具有开端的人,将开端当作上帝存在的论据,把上帝当作宇宙的第一原因或者原动力。
  如果人们相信宇宙有一个开端,那么很明显的问题是,在开端之前发生了什么?上帝在创造宇宙之前,他在做什么?他是在为那些诘问这类问题的人准备地狱吗?德国哲学家伊曼努尔・康德十分关心宇宙有无开端的问题。他觉得,不管宇宙有无开端,都会引起逻辑矛盾或者二律背反。如果宇宙有一个开端,为何在它起始之前要等待无限久。他将此称为正题。另一方面,如果宇宙已经存在无限久,为什么它要花费无限长的时间才达到现在这个阶段。他把此称为反题。无论正题还是反题,都是基于康德的假设,几乎所有人也是这么办的,那就是,时间是绝对的,也就是说,时间从无限的过去向无限的将来流逝。时间独立于宇宙,在这个背景中,宇宙可以存在,也可以不存在。
  
  爱因斯坦提出广义相对论
  时间和空间只有在宇宙之中才能够定义
   宇宙的起源与演化 宇宙命运归宿50 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20393,59525

  直至今天,在许多科学家的心中,仍然保持这样的图景。然而,1915年爱因斯坦提出他的革命性的广义相对论。在该理论中,空间和时间不再是绝对的,不再是事件的固定背景。相反地,它们是动力量,宇宙中的物质和能量确定其形状。它们只有在宇宙之中才能够定义。这样谈论宇宙开端之前的时间是毫无意义的。这有点儿像去寻找比南极还南的一点没有意义一样。它是没有定义的。
  如果宇宙随时间本质上不变,正如20世纪20年代之前一般认为的那样,就没有理由阻止在过去任意早的时刻定义时间。人们总可以将历史往更早的时刻延展,在这个意义上,任何所谓的宇宙开端都是人为的。于是,情形可以是这样,这个宇宙是去年创生的,但是所有记忆和物理证据都显得它要古老得多。这就产生了有关存在意义的高深哲学问题。我将采用所谓的实证主义方法来对付这些问题。在这个方法中,其思想是,我们按照我们构造世界的模型来解释自己感官的输入。人们不能询问这个模型是否代表实在,只能问它能否行得通。首先,如果按照一个简单而优雅的模型可以解释大量的观测;其次,如果这个模型作出可能被观察检验,也可能被证伪的明确预言,这个模型即是一个好模型。
  根据实证主义方法,人们可以比较宇宙的两个模型。第一个模型,宇宙是去年创生的,而另一个是宇宙已经存在了远为长久的时间。一对孪生子在比一年前更早的时刻诞生,已经存在了久于一年的宇宙的模型能够解释像孪生子这样的事物。
  另一方面,宇宙去年创生的模型不能解释这类事件,因此第二个模型更好。人们不能诘问宇宙是否在一年前确实存在过,或者仅仅显得是那样。在实证主义的方法中,它们没有区别。
  
  哈勃发现星系正飞离我们而去
  说明宇宙在膨胀

  
  在一个不变的宇宙中,不存在一个自然的起始之点。然而,20世纪20年代当埃德温・哈勃在在威尔逊山上开始利用100英寸的望远镜进行观测时,情形发生了根本的改变。
  哈勃发现,恒星并非均匀地分布于整个空间,而是大量地聚集在称为星系的集团之中。
  哈勃测量来自星系的光,进而能够确定它们的速度。他预料向我们飞来的星系和离我们飞去的星系一样多。这是在一个随时间不变的宇宙中应有的。但是令哈勃惊讶的是,他发现几乎所有的星系都飞离我们而去。此外,星系离开我们越远,则飞离得越快。宇宙不随时间不变,不像原先所有人以为的那样。它正在膨胀。星系之间的距离随时间而增大。
  宇宙膨胀是20世纪或者任何世纪最重要的智力发现之一。它转变了宇宙是否有一个开端的争论。如果星系现在正分开运动,那么,它们在过去一定更加靠近。如果它们过去的速度一直不变,则大约在150亿年之前,所有星系应该一个摞在另一个上。这个时刻是宇宙的开端吗?
  
  稳恒态理论与观测冲突
  宇宙反弹理论并不成立

  
  许多科学家仍然不喜欢宇宙具有开端。因为这似乎意味着物理学崩溃了。人们就不得不去求助于外界的作用,为方便起见,可以把它称作上帝,去确定宇宙如何起始。因此他们提出一些理论。在这些理论中,宇宙此刻正在膨胀,但是没有开端。其中之一便是邦迪、高尔德和霍伊尔于1948年提出的稳恒态理论。
  在稳恒态理论中,其思想是,随着星系离开,由假设中的在整个空间连续创生的物质形成新的星系。宇宙会永远存在,而且在所有时间中都显得一样。这最后的性质从实证主义的观点来看,作为一个可以用观测来检验的明确预言,具有巨大的优点。在马丁・赖尔领导下的剑桥射电观测天文小组在20世纪60年代早期对弱射电源进行了调查。这些源在天空分布得相当均匀,表明大部分源位于银河系之外。平均而言,较弱的源离得较远。
  稳恒态理论预言了源的数目对应于源强度的圆的形状。但是观测表明,微弱的源比预言的更多,这表明在过去源的密度较高。这就和稳恒态理论的任何东西在时间中都是不变的基本假设相冲突。由于这个,也由于其他原因,稳恒态理论被抛弃了。
  还有另一种避免宇宙有一开端的企图是,建议存在一个早先的收缩相,但是由于旋转和局部的无规性,物质不会落到同一点。相反,物质的不同部分会相互错开,宇宙会重新膨胀,这时密度保持有限。两位俄国人利弗席兹和哈拉尼科夫实际上声称,他们证明了,没有严格对称的一般收缩总会引起反弹,而密度保持有限。这个结果对于马克思主义列宁主义的唯物辩证法十分便利,因为它避免了有关宇宙创生的难以应付的问题。因此,这对于苏联科学家而言成为一篇信仰的文章。
  利弗席兹和哈拉尼科夫发表其断言时,我是一名21岁的研究生,为了完成博士论文,我正在寻找一个问题。我不相信他们所谓的证明,于是就着手和罗杰・彭罗斯一起发展新的数学方法去研究这个问题。我们证明了宇宙不能反弹。如果爱因斯坦的广义相对论是正确的,就存在一个奇点,这是具有无限密度和无限时空曲率的点,时间在那里有一个开端。


  
  奇性定理预言宇宙有其开端
  微波背景的发现证明了这一点

  
  在我得到第一个奇点结果数月之后,即1965年10月,人们得到了确认宇宙有一个非常密集开端的思想的观察证据,那是发现了贯穿整个空间的微弱的微波背景。这些微波和你使用的微波炉的微波是一样的,但是比它微弱多了。它们只能将匹萨加热到摄氏负270.4度,甚至无法将匹萨化冻,更不用说烤熟它。实际上你自己就可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道去在屏幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景。早期非常热和密集状态遗留下的辐射是对这个背景的仅有的合理解释。随着宇宙膨胀,辐射一直冷却下来,直至我们今天观察到它的微弱的残余。
  虽然彭罗斯和我自己的奇性定理预言,宇宙有一个开端,这些定理并没有告诉宇宙如何起始。广义相对论方程在奇点处崩溃了。这样,爱因斯坦理论不能预言宇宙如何起始,它只能预言一旦起始后如何演化。人们对彭罗斯和我的结果可有两种态度。一种是上帝由于我们不能理解的原因,选择宇宙的启始方式。这是约翰・保罗教皇的观点。在梵蒂冈的一次宇宙论会议上,这位教皇告诉代表们,在宇宙起始之后,研究它是可以的。但是他们不应该探究起始的本身,因为这是创生的时刻,这是上帝的事体。我暗自庆幸,他没有意识到,我在会议上发表了一篇论文,刚好提出宇宙如何起始。我可不想像伽利略那样被递交给宗教裁判厅。
  
  广义相对论崩溃了必须考虑量子理论
  
  对我们结果的另外解释,这也是得到大多数科学家赞同的解释。这个结果显示,在早期宇宙中的非常强大的引力场中,广义相对论崩溃了,必须用一个更完备的理论来取代它。因为广义相对论没有注意到物质小尺度结构,而后者是由量子理论制约的,所以人们预料总要进行这种取代。在通常情况下,因为宇宙的尺度和量子理论的微观尺度相比较极为巨大,所以是否取代无所谓。但是当宇宙处于普朗克尺度,也就是1千亿亿亿亿分之一米时,这两个尺度变成相同,必须考虑量子理论。
  为了理解宇宙的起源,我们必须把广义相对论和量子理论相结合。里查德・费恩曼对历史求和的思想似乎是实现这个目标的最佳方法。里查德・费恩曼是一位多姿多彩的人物。他在帕沙迪那的脱衣舞酒吧里敲小鼓,又是加州理工学院卓越的物理学家。他提议一个系统从状态A到状态B经过所有可能的路径或历史。
  每个路径或者历史都有一定的振幅和强度。而系统从A到B的概率是将每个路径的振幅加起来。存在一个由蓝干酪制成月亮的历史。但是其振幅很低。这对于老鼠来说不是一个好消息。
  
  时间开端的问题得到解决
  南极的南边没有任何东西,宇宙的开端由科学定律来制约

  
  宇宙现在状态的概率可将结局为这个状态的所有历史迭加得到。但是这些历史如何起始的呢?这是一个改头换面的起源问题。是否需要一个造物主下达命令,宇宙如此这般起始呢?还是由科学定律来确定宇宙的初始条件呢?
  事实上,即便宇宙的历史回到无限的过去,这个问题仍然存在。但是如果宇宙只在150亿年前起始,这个问题就更加急切。询问在时间的开端会发生什么,有点像当人们认为世界是平坦的,询问在世界的边缘会发生什么一样。世界是一块平板吗?海洋从它边缘上倾泻下去吗?我已经用实验对此验证过。我环球旅行过,我并没有掉下去。
  正如大家知道的,当人们意识到世界不是一块平板,而是一个弯曲的面时,在宇宙的边缘发生什么的问题就被解决了。然而,时间似乎不同。它显得和空间相分离。像是一个铁轨模型。如果它有一个开端,就必须有人去启动火车运行。
  爱因斯坦的广义相对论将时间和空间统一成时空。但是时间仍然和空间不同,它正像一个通道,要么有开端和终结,要么无限地伸展出去。然而,詹姆・哈特尔和我意识到,当广义相对论和量子论相结合时,在极端情形下,时间可以像空间中另一方向那样行为。这意味着,和我们摆脱世界边缘的方法类似,可以摆脱时间具有开端的问题。
  假定宇宙的开端正如地球的南极,其纬度取时间的角色。宇宙就在南极作为一个起始点。随着往北运动,代表宇宙尺度的常纬度的圆就膨胀。诘问在宇宙开端之前发生了什么是没有意义的问题。因为在南极的南边没有任何东西。
  时间,用纬度来测量,在南极处有一个开端。但是南极和其他的点非常相像。至少我听别人这么讲的。我去过南极洲,没有去过南极。
  同样的自然定律正如在其他地方一样,在南极成立。长期以来,人们说宇宙的开端是正常定律失效之处,所以宇宙不应该有开端。而现在,宇宙的开端由科学定律来制约,所以反对宇宙有开端的论证不再成立。


  宇宙自发创生的图景
  像是泡泡在沸水中形成

  
  詹姆・哈特尔和我发展宇宙自发创生的图景有一点像泡泡在沸腾的水中形成。
  其思想是,宇宙最可能的历史像是泡泡的表面。许多小泡泡出现,然后再消失。这些对应于微小的宇宙,它们膨胀,但在仍然处于微观尺度时再次坍缩。它们是另外可能的宇宙,由于不能维持足够长的时间,来不及发展星系和恒星,更不用说智慧生命了,所以我们对它们没有多大兴趣。然而,这些小泡泡中的一些会膨胀到一定的尺度,到那时可以安全地逃避坍缩。它们会继续以不断增大的速率膨胀,形成我们看到的泡泡。它们对应于开始以不断增加的速率膨胀的宇宙。这就是所谓的暴胀,正如每年的价格上涨一样。
  通货膨胀的世界纪录应归一战以后的德国。在18个月期间价格增大了一千万倍。但是,它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道。宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了十的30次方倍。和通货膨胀不同,早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大的均匀的宇宙,正如我们观察到的。然而,它不是完全均匀的。在对历史求和中,稍微具有无规性的历史和完全均匀和规则历史的概率几乎相同。因此,理论预言早期宇宙很可能是稍微不均匀的。这些无规性在从不同方向来的微波背景强度上引起小的变化。利用MAP(微波各向异性)卫星已经观察到微波背景,发现了和预言完全一致的变化。这样,我们知道自己正在正确的道路上前进。
  
  “上帝的确在掷骰子”
  我们是极早期宇宙量子起伏的产物

  
  早期宇宙中的无规性,意味着在有些区域的密度,比其他地方的稍高。这些额外密度的引力吸引使这个区域的膨胀减缓,而且最终能够使这些区域坍缩形成星系和恒星。请仔细看这张微波天图。它是宇宙中一切结构的蓝图。我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。上帝的确在掷骰子。
  在过去的百年间,我们在宇宙学中取得了惊人的进步。广义相对论和宇宙膨胀的发现,粉碎了永远存在并将永远继续存在的宇宙的古老图像。取而代之,广义相对论预言,宇宙和时间本身都在大爆炸处起始。它还预言时间在黑洞里终结。宇宙微波背景的发现,以及黑洞的观测,支持这些结论。这是我们的宇宙图像和实在本身的一个深刻的改变。
  虽然广义相对论预言了,宇宙来自于过去一个高曲率的时期,但它不能预言宇宙如何从大爆炸形成。这样,广义相对论自身不能回答宇宙学的核心问题,为何宇宙如此这般。然而,如果广义相对论和量子论相合并,就可能预言宇宙是如何起始的。它开始以不断增大的速率膨胀。这两个理论的结合预言,在这个称作暴胀的时期,微小的起伏会发展,导致星系、恒星以及宇宙中所有其他结构的形成。对宇宙微波背景中的小的非均匀性的观测,完全证实了预言的性质。这样,我们似乎正朝着理解宇宙起源的正确方向前进,尽管还有许多工作要做。当我们通过精密测量空间航空器之间距离,进而能够检测到引力波,就会打开极早期宇宙的新窗口。引力波从最早的时刻自由地向我们传播,所有介入的物质都无法阻碍它。与此相比较,自由电子多次地散射光。这种散射一直进行到30万年后电子被凝结之前。
  
  我们正接近回答这古老的问题:我们为何在此?我们从何而来?
  
  尽管我们已经取得了一些伟大成功,并非一切都已解决。我们观察到,宇宙的膨胀在长期的变缓之后,再次加速。对此理论还不能理解清楚。缺乏这种理解,对宇宙的未来还无法确定。它会继续地无限地膨胀下去吗?暴胀是一个自然定律吗?或者宇宙最终会再次坍缩吗?新的观测结果,理论的进步正迅速涌来。宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近回答这古老的问题:我们为何在此?我们从何而来?


人类对宇宙起源的认识过程


在远古,我们的祖先就对世界充满了好奇,他们那时也许就在思考:我们从哪里来,将到哪里去?我们的家园――地球是从何而来,它有着怎样的奥秘?至今这一问题仍是困扰科学家乃至哲学家的重要问题.


  确实是这样.从有文字记载的时期起,人类就已经对这一问题表现出了浓厚的兴趣,而且,对这一问题的探求欲望变得越来越强烈了.
  三国时期徐整所著的《三五历记》中的一则神话故事《盘古开天地》有这样的描述:未有天地时,混沌状如鸡子.盘古生其中一万八千岁,天地开辟.阳清为天,阴浊为地.天每日升高一丈,地每日下沉一丈,盘古在中间每日长一丈.这样过了一万八千年,变得天高地深,天地间九万里.
  故事把宇宙说成是源自于一次奇妙的大爆炸.果真如此吗?让我们从人类认识宇宙的过程谈起.


  日心说和地心说之争


  公元前5世纪,爱琴海中的萨默斯岛上诞生了一位数学天才毕达哥拉斯,他从球形是最完美的几何形体的角度出发,认为大地是球形的,且所有天体亦是如此.他又由此推断,地球的外面是空气和云,再往外是太阳、月亮和行星,它们都在圆形轨道上绕地球做匀速圆周运动,最外层是永不熄灭的天火.
  公元140年,埃及的希腊裔天文学家托勒密,据此提出了完整的地心说.在这个体系中,将人们能清晰地看到的七个天体:太阳、月亮、金星、木星、土星、水星、火星,按照不同的轨道半径排列,且都是从东方升起,从西方落下.对一些和这个体系相悖的现象,也都经特别的处理,使其能得到合理的解释.
  人们对这种天体运行现象的起因百思不得其解,从而认为是上帝的“原始推动力”造成的.
  16世纪时,波兰天文学家哥白尼,在经过大量的观察和缜密思考、研究的基础上,认为宇宙是简单、和谐的,提出了日心说理论,即太阳是宇宙的中心,包括地球在内的行星都是围绕太阳旋转的.这一理论模型很好地解释了地心说所不能解释的现象.科学家开普勒还在前人观测、整理的资料的基础上,提出了天体沿椭圆轨道运行的观点,打破了天体只能沿圆周轨道运行的传统说法.

  1609年,望远镜刚问世.大科学家伽利略用自制的望远镜第一次观察天体便有了重大发现:原来太阳上有黑子;月球上有环形山和峡谷;水星、火星、木星都有卫星……
  但这些发现,都和宗教的说法产生了很大的分歧,而被教廷称为“邪说”,很多拥护日心说的科学家受到了迫害:伽利略被终身软禁,布鲁诺被活活烧死……
  但科学是压不垮的.大科学家牛顿发明了用反射镜制作望远镜的方法,从而为建造大型望远镜进行天体观测铺平了道路.他提出的万有引力定律,更是能为维系天体绕日运行作出了合理的解释.天文学家哈雷用几何方法推算出了测地球和太阳间距离的方法,与此同时,他还借助万有引力理论准确预测了一颗彗星(后被称为哈雷彗星)光临地球的时间.
  随着这些研究手段、方法的进步和科学证明,地心说逐渐被世人所摒弃.日心说虽然有着很大的局限性,但和地心说相比,却使人类对宇宙的认识向前跨了一大步.
  

对恒星的研究

  科学家经过长期不懈的研究,发现我们看到的天上的银河,是由数以十亿计的恒星组成的,我们的太阳系只是处于银河系的一个不起眼的小角落中.其他的恒星有很多比太阳大很多倍,只是因为过于遥远,所以我们看起来亮度不大.
  1923年,科学家哈勃用大型天文望远镜观测到了银河系外由无数恒星组成的星云,使人们的视野拓展开来,也使人们知道,在银河系之外,宇宙中还存在着大量的星系和由星系组成的星团,有的星系比银河系不知大多少倍!
  通过对恒星发出的光谱的研究,人们还发现:太阳与天穹上的无数恒星是一样的,主要由氢和氦等元素构成.它们发出的能量是由原子核聚合时发生的聚变反应产生的(其原理和氢弹爆炸一样).

  人们原以为恒星在天上的位置是恒定不变的(所以命名为恒星),但1718年哈雷的科学观测表明,恒星也是在运动着的.后来科学家发现它们除了在横向上有小的偏移,在视向(即沿我们视线方向)上也有较大的运动迹象,且是在离我们远去.离我们远去的证据是它们发出的光发生了“红移”.
  我们会听到一辆鸣笛驶来的汽车发出的音调变高,而驶离我们时音调又会变低.物理学家多普勒注意到了这一现象的规律并进行了深入研究,人们称这一现象为多普勒频移现象.
  同理,恒星只有在离我们远去时,所发出光的频率会变低,光的颜色在光谱中向红光靠近,故称为红移.
  红移现象表明了遥远的恒星或星系在离我们远去.科学家通过观测和计算,还证明了它们离我们远去的速度越来越快.
  

大爆炸理论的形成

  红移现象表明:宇宙在膨胀之中.
  人们不禁要问,如果将这一结论向回反推,即时间向后回溯,宇宙是从什么状态开始膨胀的?按这种推论,最初应该是一个点!果真如此吗?人们对此一直莫衷一是.
  有意思的是,这一结果和本文开头提及的神话故事《盘古开天地》类似:“鸡子”大小的点演变出了广袤无垠的宇宙.
  以沙伊尔、哈勃、霍金为代表的科学家认为,宇宙最初只是聚在一个点(奇点),它曾经是如此的炽热、微小和致密.因为突然发生了大爆炸,继而产生了宇宙中的天体、再形成了地球上的万物.由这一观点构成的理论体系,称为“大爆炸”理论.

  根据“大爆炸”理论,爆炸飞出的物质在空间相遇,有很多物质颗粒因引力作用相互吸引而聚到一起形成巨大的星体,其中的物质也因引力的作用而受到极大的压力,产生极高的温度,使内部引发聚变反应,放出巨大的能量.也有大量的物质因此被抛射出去,有的又聚合成新的恒星,有的则构成了行星.地球就是这样的一颗行星.构成地球上万物的物质都是这样来自于不同的恒星,并由它们孕育了生命.如此说来,我们的身体竟然是由来自不同恒星的物质构成的!
  大爆炸理论刚一问世,即受到很多科学家的质疑甚至强烈反对,并在科学界形成了著名的“大辩论”.科学理论要被人们心悦诚服地接受,必须要有证据.那么,证据在哪里呢?如果真的存在大爆炸的话,应该有其残留的痕迹甚至残余物.

  上世纪50年代,美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在调试一组巨大而灵敏的无线电天线时,无论他们采取什么措施,总不能消除其中的噪声,且这些噪声在各个方向上基本相同.科学家由此敏锐地发现,这就是大爆炸的残余物――宇宙微波背景辐射!他们两人也因此获得了诺贝尔物理学奖.
  当我们打开电视机后,在没有电视信号时,屏幕上常会出现大量“雪花”,其大部分原因是接收到了这种宇宙微波背景辐射所导致的.
  又经过大量的天文观测和研究,新的证据不断出现,以爱因斯坦相对论为基础奠定的时空理论,使新出现的很多问题得到合理解释,大爆炸理论也已被科学界所广泛接受,也有一些科学家因这方面的研究而获得诺贝尔奖.特别有意思的是,罗马教廷一反历史上对日心说封杀的态度,宣布支持大爆炸理论.1975年,教皇还接见了霍金.由此,大爆炸理论得到了宗教界和科学界的双重承认!


  但对这一问题的研究远没有停止.一些问题仍然在困扰着科学家.科学家发现宇宙膨胀的速度越来越快,而并非如经典理论认为的那样,会因引力的作用而减速.于是,科学家又推算出宇宙中充斥着看不到的暗物质和暗能量的假说:宇宙中只有30%是物质,且其中大部分是暗物质;宇宙中70%是暗能量.当然,这也需要证据.包括华裔著名物理学家丁肇中在内的众多科学家多年来一直在孜孜不倦地探索着……

  关于宇宙起源的探索方兴未艾,远没到尽头.科学家还在探究更好的研究方法,创建更新的理论体系,建造更大更完美的天文望远镜.
  国际天文学联合会和联合国教科文组织,为纪念伽利略首次用望远镜进行天文观测400年,将2009年定为“国际天文年”,主题是“探索我们的宇宙”.希望通过普及宇宙科学知识,帮助人们重新认识我们在宇宙中的位置,从而激发个人的探索发现精神.
  探索宇宙的起源,可为我们每位少年插上智慧的翅膀,让我们的理想在广阔的宇宙中飞翔吧!


宇宙的命运归宿




不久前,以美国普林斯顿大学的斯坦哈特教授为首的一批天文学家,推出了“宇宙无始无终”的新理论。他们认为,宇宙既没有诞生之日,也没有终结之时,而是在一次又一次的大爆炸中进行运动,循环往复,以至无穷。

  其实,在数年前,就有两位俄罗斯科学家提出了“电磁宇宙”理论,其中就包含这方面的总结。2006年7月26日,俄罗斯《独立报》这样报道:“当今全球大多数科学家都认为宇宙是大爆炸的产物。然而,俄罗斯动力工程研究所所长、技术科学博士维塔利・瓦西里耶维奇・布舒耶夫教授和莫斯科动力工程研究所所长、技术科学博士、苏联国家科学技术奖获得者伊戈尔・彼得罗维奇・科普洛夫教授则认为,宇宙从未发生过大爆炸。根据大爆炸理论,星系连同其他所有的恒星和行星都产生于一个所谓的奇异点。这个奇异点中积聚了宇宙中所有最原始的物质。然而,大爆炸理论还存在一个巨大的缺陷,那就是它无法回答大爆炸之前这一奇异点来源于何方。”有人甚至认为,大爆炸理论的发展将把人们对宇宙诞生和灭亡的认识引向神创说。教皇约安・帕维尔二世曾在其书信中称当代的宇宙论与《圣经》中的论述不谋而合。

  两位俄罗斯科学家称,电磁宇宙的设想可以回答诸多宇宙诞生的疑问。电磁宇宙理论的基本观点体现在三个方面:第一,宇宙将永远存在;第二,宇宙中的所有物质在各种频率范围内都发生能量交换;第三,宇宙间的一切活动都是循环发生的,并遵循着守恒定律。

  电磁宇宙理论的基本观点认为,宇宙是一个超环面系统,其中的众多星系都由宇宙磁场连接在一起,螺旋形的超环面宇宙磁场控制着所有的星系流。各个星系群由黑洞带隔开,而黑洞带就是孕育和产生星系之处。根据电磁宇宙理论,黑洞造就了两种星系类型,一种是由负电子和质子构成的物质世界,另一种则是由正电子和反质子构成的所谓反物质世界。正是这两个世界之间存在的巨大物质和电荷差异形成了给予宇宙生命与发展的能量。

  星系就是在宇宙磁场存在的条件下诞生的,恒星系统和星系物质的运动则形成了宇宙的强大电流。正如地球大气中雷雨天的放电现象,黑洞中也有放电现象,并且这些持续数十亿年的放电现象成就了众多星系的诞生和死亡。

  电磁宇宙理论认为,宇宙中的大爆炸其实就是星系的诞生过程。由于宇宙间存在着无数的星系,所以宇宙间的大爆炸每时每刻都在发生,也就是说,宇宙间星系的诞生和灭亡每秒都在发生。
  两位俄罗斯科学家认为,电磁宇宙理论的问世将使大爆炸理论随着时间的推移而被人们淡忘。因为物质和能量永远处于相互转换中,时间只不过是记录从一个事件到另一个事件的工具。事实上时间也是永恒的,生命的循环既没有始,也没有终。



发表于 2016-1-18 22:15:17 来自手机 | 显示全部楼层
最后都逃不过毁灭,宇宙最后的归宿
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