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為什么宇宙會(huì)大爆炸?

來(lái)源:來(lái)自網(wǎng)絡(luò) 2009-06-22 12:06:28

說(shuō)兩句

  宇宙大爆炸僅僅是一種學(xué)說(shuō),是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想。

  大約在50億年前,宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn),有著極高的溫度,因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后,物質(zhì)開(kāi)始向外大膨脹,就形成了今天我們看到的宇宙。大爆炸的整個(gè)過(guò)程是復(fù)雜的,現(xiàn)在只能從理論研究的基礎(chǔ)上描繪過(guò)去遠(yuǎn)古的宇宙發(fā)展史。在這150億年中先后誕生了星系團(tuán)、星系、我們的銀河系、恒星、太陽(yáng)系、行星、衛(wèi)星等,F(xiàn)在我們看見(jiàn)的和看不見(jiàn)的一切天體和宇宙物質(zhì),形成了當(dāng)今的宇宙形態(tài),人類(lèi)就是在這一宇宙演變中誕生的。

  人們是怎樣能推測(cè)出曾經(jīng)可能有過(guò)宇宙大爆炸呢?這就要依賴(lài)天文學(xué)的觀測(cè)和研究。我們的太陽(yáng)只是銀河系中的一兩千億個(gè)恒星中的一個(gè)。像我們銀河系同類(lèi)的恒星系——河外星系還有千千萬(wàn)萬(wàn)。從觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了那些遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們而去,離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系,飛奔的速度越快,因而形成了膨脹的宇宙。

  對(duì)此,人們開(kāi)始反思,如果把這些向四面八方遠(yuǎn)離中的星系運(yùn)動(dòng)倒過(guò)來(lái)看,它們可能當(dāng)初是從同一源頭發(fā)射出去的,是不是在宇宙之初發(fā)生過(guò)一次難以想像的宇宙大爆炸呢?后來(lái)又觀測(cè)到了充滿(mǎn)宇宙的微波背景輻射,就是說(shuō)大約在150億年前宇宙大爆炸所產(chǎn)生的余波雖然是微弱的但確實(shí)存在。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)宇宙大爆炸是個(gè)有力的支持。

  宇宙大爆炸的觀點(diǎn):

  1932年勒梅特首次提出了現(xiàn)代宇宙大爆炸理論:整個(gè)宇宙最初聚集在一個(gè)“原始原子”中,后來(lái)發(fā)生了大爆炸,碎片向四面八方散開(kāi),形成了我們的宇宙。美籍俄國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫第一次將廣義相對(duì)論融入到宇宙理論中,提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型:宇宙開(kāi)始于高溫、高密度的原始物質(zhì),最初的溫度超過(guò)幾十億度,隨著溫度的繼續(xù)下降,宇宙開(kāi)始膨脹。

  1965年,彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射,后來(lái)他們證實(shí)宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時(shí)留下的遺跡,從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據(jù)。他們也因此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

  20世紀(jì)科學(xué)的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現(xiàn)。他對(duì)于宇宙起源后10-43秒以來(lái)的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋.

  宇宙的起源:最初是比原子還要小的奇點(diǎn),然后是大爆炸,通過(guò)大爆炸的能量形成了一些基本粒子,這些粒子在能量的作用下,逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì)。至此,大爆炸宇宙模型成為最有說(shuō)服力的宇宙圖景理論。然而,至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實(shí)驗(yàn)的支持,而且我們尚不知曉宇宙開(kāi)始爆炸和爆炸前的圖景。

  宇宙大爆炸理論:大爆炸理論

  大爆炸理論是關(guān)于宇宙形成的最有影響的一種學(xué)說(shuō),英文說(shuō)法為BigBang,也稱(chēng)為大爆炸宇宙論。大爆炸理論誕生于20世紀(jì)20年代,在40年代得到補(bǔ)充和發(fā)展,但一直寂寂無(wú)聞。直到50年代,人們才開(kāi)始廣泛注意這個(gè)理論。

  大爆炸理論的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里,宇宙體系并不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過(guò)程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點(diǎn),大爆炸的整個(gè)過(guò)程是:在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大,整個(gè)宇宙體系達(dá)到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。但是因?yàn)檎麄(gè)體系在不斷膨脹,結(jié)果溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時(shí),中子開(kāi)始失去自由存在的條件,它要么發(fā)生衰變,要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素;化學(xué)元素就是從這一時(shí)期開(kāi)始形成的。溫度進(jìn)一步下降到100萬(wàn)度后,早期形成化學(xué)元素的過(guò)程結(jié)束(見(jiàn)元素合成理論)。宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度降到幾千度時(shí),輻射減退,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),氣體逐漸凝聚成氣云,再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天看到的宇宙。

  大爆炸模型能統(tǒng)一地說(shuō)明以下幾個(gè)觀測(cè)事實(shí):

  a)理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的,因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時(shí)間為短,即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測(cè)量證明了這一點(diǎn)。

  b)觀測(cè)到河外天體有系統(tǒng)性的譜線(xiàn)紅移,而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋?zhuān)敲醇t移就是宇宙膨脹的反映。

  c)在各種不同天體上,氦豐度相當(dāng)大,而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機(jī)制不足以說(shuō)明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論,早期溫度很高,產(chǎn)生氦的效率也很高,則可以說(shuō)明這一事實(shí)。

  d)根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等,可以具體計(jì)算宇宙每一歷史時(shí)期的溫度。

  按照大爆炸理論,宇宙是150億年前從一個(gè)極小的點(diǎn)誕生的,從那里誕生了時(shí)間和空間、質(zhì)量和能量,從而由物質(zhì)小微粒聚集成大團(tuán)的物質(zhì),最終形成星系、恒星和行星等。在大爆炸發(fā)生前,宇宙中沒(méi)有物質(zhì),沒(méi)有能量,甚至沒(méi)有生命。

  但是,大爆炸理論無(wú)法回答現(xiàn)在的宇宙在大爆炸發(fā)生之前到底是什么樣,或者說(shuō)發(fā)生這次大爆炸的原因是什么?按照大爆炸理論,宇宙沒(méi)有開(kāi)端。它只是一個(gè)循環(huán)不斷的過(guò)程,從大爆炸到黑洞的周而復(fù)始,便是宇宙創(chuàng)生與毀滅并再創(chuàng)生的過(guò)程。

  這只是一個(gè)設(shè)想,并不是一個(gè)完美的理論。

  大爆炸理論雖然并不成熟,但是仍然是主流的宇宙形成理論的關(guān)鍵就在于目前有一些證據(jù)支持大爆炸理論,比較傳統(tǒng)的證據(jù)如下所示:

  a)紅位移

  從地球的任何方向看去,遙遠(yuǎn)的星系都在離開(kāi)我們而去,故可以推出宇宙在膨脹,且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系,遠(yuǎn)離的速度越快。

  b)哈勃定律

  哈勃定律就是一個(gè)關(guān)于星系之間相互遠(yuǎn)離速度和距離的確定的關(guān)系式。仍然是說(shuō)明宇宙的運(yùn)動(dòng)和膨脹。

  V=H×D

  其中,V(Km/sec)是遠(yuǎn)離速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常數(shù),為50;D(Mpc)是星系距離。1Mpc=3.26百萬(wàn)光年。

  c)氫與氦的豐存度

  由模型預(yù)測(cè)出氫占25%,氦占75%,已經(jīng)由試驗(yàn)證實(shí)。

  d)微量元素的豐存度

  對(duì)這些微量元素,在模型中所推測(cè)的豐存度與實(shí)測(cè)的相同。

  e)3K的宇宙背景輻射

  根據(jù)大爆炸學(xué)說(shuō),宇宙因膨脹而冷卻,現(xiàn)今的宇宙中仍然應(yīng)該存在當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的輻射余燼,1965年,3K的背景輻射被測(cè)得。

  f)背景輻射的微量不均勻

  證明宇宙最初的狀態(tài)并不均勻,所以才有現(xiàn)在的宇宙和現(xiàn)在星系和星團(tuán)的產(chǎn)生。

  g)宇宙大爆炸理論的新證據(jù)

  在2000年12月份的英國(guó)《自然》雜志上,科學(xué)家們稱(chēng)他們又發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù),可以用來(lái)證實(shí)宇宙大爆炸理論。

  長(zhǎng)期以來(lái),一直有一種理論認(rèn)為宇宙最初是一個(gè)質(zhì)量極大,體積極小,溫度極高的點(diǎn),然后這個(gè)點(diǎn)發(fā)生了爆炸,隨著體積的膨脹,溫度不斷降低。至今,宇宙中還有大爆炸初期殘留的稱(chēng)為“宇宙背景輻射”的宇宙射線(xiàn)。

  科學(xué)家們?cè)诜治隽擞钪嬷幸粋(gè)遙遠(yuǎn)的氣體云在數(shù)十億年前從一個(gè)類(lèi)星體中吸收的光線(xiàn)后發(fā)現(xiàn),其溫度確實(shí)比現(xiàn)在的宇宙溫度要高。他們發(fā)現(xiàn),背景溫度約為-263.89攝氏度,比現(xiàn)在測(cè)量的-273.33的宇宙溫度要高。

  雖然已有上述證據(jù)存在,但是宇宙是否起源于大爆炸學(xué)說(shuō),仍然缺乏足夠多的令人信服的證據(jù)。

  宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)主要流派,它能較滿(mǎn)意地解釋宇宙學(xué)的一些根本問(wèn)題。宇宙大爆炸理論雖然在20世紀(jì)40年代才提出,但20年代以來(lái)就有了萌芽。20年代時(shí),若干天文學(xué)者均觀測(cè)到,許多河外星系的光譜線(xiàn)與地球上同種元素的譜線(xiàn)相比,都有波長(zhǎng)變化,即紅移現(xiàn)象。

  到了1929年,美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)出星系譜線(xiàn)紅移星與星系同地球之間的距離成正比的規(guī)律。他在理論中指出:如果認(rèn)為譜線(xiàn)紅移是多普勒效果的結(jié)果,則意味著河外星系都在離開(kāi)我們向遠(yuǎn)方退行,而且距離越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越快。這正是一幅宇宙膨脹的圖像。

  40年代美國(guó)天體物理學(xué)家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理論。該理論認(rèn)為,宇宙在遙遠(yuǎn)的過(guò)去曾處于一種極度高溫和極大密度的狀態(tài),這種狀態(tài)被形象地稱(chēng)為“原始火球”。以后,火球爆炸,宇宙就開(kāi)始膨脹,物質(zhì)密度逐漸變稀,溫度也逐漸降低,直到今天的狀態(tài)。這個(gè)理論能自然地說(shuō)明河外天體的譜線(xiàn)紅移現(xiàn)象,也能圓滿(mǎn)地解釋許多天體物理學(xué)問(wèn)題。1964年美國(guó)人彭齊亞斯和威爾遜又發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸理論的新的有力證據(jù)。

  該理論作為一門(mén)發(fā)展中的理論,雖然得到了絕大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)同,但仍有一些解釋不了的問(wèn)題,需要進(jìn)一步完善其理論體系。

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