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宇宙学杂谈 创世大爆炸或是反物质和物质之间的快速转换假设某一时刻宇宙停止了膨胀，开始收缩，最终变成一个超级黑洞，黑洞的超级质量产生了强大的引力场。透过所谓的Schwinger机制，引力场将周围量子 真空中的“虚粒子/虚反粒子对”转换成“实粒子/实反粒子对”。如果黑洞是由物质/反物质构成，那么在不到一秒钟时间内，无数反粒子/粒子会被喷射到太空 中，整个过程类似创世大爆炸(Big Bang)。 CERN的一位物理学家Dragan Slavkov Hajdukovic在《天体物理学与空间科学》期刊上发表论文，描述了循环宇宙的物质和反物质转换机制(中文)。在他的理论中，当物质所主宰的宇宙收缩时，一个由反物质所主宰的宇宙将会浮现，而这种循环将无限延续下去。 via:solidot.org 2010十大天体物理学发现：时间将50亿年后停止
美国印第安纳大学的物理学家尼克丹姆·鲍勃拉姆斯基(Nikodem Poplawski)近日提出了一个有关落入黑洞的物质所作旋转运动的崭新数学模型。根据他的方程，黑洞可能是不同宇宙间的时空通道，或者说，一种虫洞。被黑洞吞噬的物质并未如之前理论预言的那样塌缩成一个奇点，而是从黑洞的另一端以“白洞”的形式喷发出来。 根据爱因斯坦的广义相对论，当一个区域的物质密度达到极大时会产生奇点，通常这一现象会出现在黑洞的中心。这种奇点密度无限大，温度无限高，因而显得怪异。而如果鲍勃拉姆斯基的理论正确，那么这种奇异的现象或许根本就不存在。 2.时间将在50亿年后停止 物理学家在2010年10月表示，永久膨胀理论称我们的宇宙只是众多宇宙中的一个，该理论还预测时间将在50亿年后停止。 一般认为，我们生活的宇宙已经存在了超过140亿年，并且将继续存在数十亿年。但根据一份最新发表的论文，时间本身可能将于50亿年后终止。巧合的是，这一时间恰逢太阳耗尽燃料熄灭的那一刻。 这一研究依据的是一种“永恒膨胀”的理论。该理论认为我们生活的宇宙其实是一系列宇宙中的一个。这一巨大的结构是由无穷多个宇宙组成的，其中每一个宇宙都可以产生无穷多个“子宇宙”。 这一理论的主要问题在于：在多重宇宙理论框架下，任何发生的事件都将发生无穷多次。这样就会使概率论的计算——如估算地球大小行星普遍存在的可能性，变得几乎不可能。 3.宇宙外潜伏未知“结构”新证据 据科学家2010年3月公布的一项研究结果，“暗流”并非偶然，这强化了宇宙外潜伏着前所未知、前所未见“结构”的例证。 2008年，科学家报告发现大量星系群正沿相同方向以360万公里的时速运行。这一诡异的现象无法以现有的宇宙质量分布模型解释。于是科研人员被迫作出了一个引起争议的猜测：这些星系群是受到了来自我们已知宇宙范围之外的引力作用。 而这一小组此次的发现证实这种宇宙“暗流”的延伸范围甚至超越了之前的想象，距离地球至少25亿光年。这项研究支持这样一个假设，即存在来自宇宙之外的引力，从而支持多重宇宙理论。 4.爱因斯坦“重力论”适用于宇宙层面 爱因斯坦“重力论”适用于宇宙层面 据科学家2010年3月公布的一项研究结果，爱因斯坦近一百年前提出的重力论不仅适用于对太阳周围行星运动的解释，同样适用于解释星系间的相互运动。 一项新的研究显示，神秘的暗物质和更加扑朔迷离的暗能量，并非物理学家们的妄想症产物。数百年来，牛顿的万有引力理论能很好的解释地球上的各种重力现象，但当将其运用到天体运行研究时，科学家们注意到了其中不一致的地方。 1916年，爱因斯坦发表了广义相对论。他指出引力的本质是物质的存在造成了时空的扭曲。这一理论很快被应用于天文学，并成功解决了一些神秘的问题，如水星轨道的轻微偏差。 当将爱因斯坦的相对论应用于遥远的星系，科学家们发现它们的引力作用要大于它们本身的质量，由此科学家们推测有一种探测不到的神秘“暗物质”存在。但时至今日，在星系研究层面对广义相对论的验证一直没有进行。 在这项新的研究中，来自普林斯顿大学的天体物理学家们分析了超过70000个明亮的椭圆星系的分布和运动情况，发现它们精确地遵循广义相对论。 5.“大爆炸”造出“液态”宇宙
根据大型强子对撞机项目科学家在2010年12月公布的最新数据，在大爆炸发生后瞬间，宇宙就像非常稠密、超热液体一样活动。 最近，科学家们利用位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞击成功重现了大爆炸发生后瞬间的情形。实验人员将两束铅离子以接近光速的速度相撞。相撞产生了一种名为“夸克-胶子等离子体”的原始态物质。科学家们认为这种物质态仅仅短暂存在于早期宇宙。 顾名思义，这种“原始汤”由亚原子粒子夸克和胶子组成。夸克是带正电荷的质子和电荷中性的中子的主要组成成分。这两种粒子共同组成了原子核。而胶子则使用“强作用力”将夸克“胶合”在一起。 常规情形下，这两种亚原子粒子紧密结合。但是先前的实验证明，在极端高温下，强作用力会变弱，因此这两种粒子可能会分开。人们从而认为，在宇宙早期的超高温度环境下，夸克和胶子应当相互远离，因此其性质应当很像气体。但是大型强子对撞机的实验否定了这一观点：撞击产生了大约10万亿摄氏度的极端高温。虽然只持续了一瞬间，但是足以满足科研人员的需求。他们发现在这一极端高温下，强作用力比想象中的要强。夸克和胶子间的作用力仍较为显著，因此可以说早期宇宙性质更类似“液体”而非气体。 6.新物质或可解释宇宙存在
大约在137亿年前，大爆炸产生了大量物质，这些物质最终形成生命、宇宙及万物。科学家在2010年8月表示，他们发现了一种新的物质，或能帮助他们揭开宇宙存在之谜。 这一新材料的设计初衷旨在用于探测电子的一种新“属性”。电子存在于原子之中，围绕原子核运行。科研人员表示，如果这一“未知属性”被证实，那么将有望帮助科学家们解答物质和反物质“不对称”的谜题。 现有理论认为，宇宙大爆炸将产生同样数量的物质和反物质，也就是说任何事物都是“对称”的。物质和反物质拥有相反的电性和磁场特性。当两者相遇便会发生“湮灭”，仅剩下“纯粹”的能量。 假如果真如此，那么宇宙中就不应该存在任何物质。但是物质的存在，甚至我们本身的存在就说明正常物质的行为必定和反物质有些许不同，而并非完全“对称”。 此次的新理论预言电子存在一种名为“电偶极矩”（electric dipole moment）的属性，这类似于一块侧铁存在南北极一样。电子表现出负电性，说明其电荷的分布不均。偶极矩就是电荷量和正负电荷中心之间的距离的乘积，在这一特定条件下可视为负电荷的空间分布不对称。这种不对称将打破物质和反物质之间的对称性，这种不对称使得物质和反物质粒子同时开始衰变，但是速率不同。从而允许物质的存在。 为了寻找电子的“电偶极矩”，科学家们制成了一种名为“铕钛酸钡”（europium barium titanate）的新型陶瓷材料。这种材料具备独特的磁场和电场性质，从而帮助科研人员探究这一难题。 7.宇宙弦引发伽马射线爆发
科学家在2010年8月公布的一项研究中宣称，遥远宇宙中稍纵即逝但强度很大的“火球”可能是由看不见的宇宙弦——时空中的超密度瑕疵——拉拽产生的。 伽马射线是最高能形式的光线。伽马射线暴则是宇宙中最明亮的事件之一。它大约每天在宇宙的某处发生一次。以便距离极其遥远——有些远达130亿光年，但仍然能被地球附近的观测设备探测到。 伽马射线暴持续可见的时间从数秒到数分钟不等。科学家们认为这些长时间的射线暴是由大质量恒星核的塌缩并爆发造成的。但另外一些伽马射线暴则持续很短时间，远短于一秒，科学家对此的成因不了解。 但在2008年和2009年间，美国宇航局的“雨燕”（Swift）伽马射线卫星探测到两次持续很短的伽马射线暴，但引人注意的是其能量相当高，远高于同类。香港大学郑广生教授等人的研究认为这很可能是由超导电性的宇宙弦震动造成的。 8.银河系中心发现神秘气泡状结构
天文学家在2010年11月表示，两个前所未见的释放伽马射线的大气泡状结构正在银河系中心不断膨胀。 这是两个之前不为人所知的巨大结构，由美国宇航局费米伽马射线探测器发现。这两个气泡结构沿银河系平面上下方向延伸超过25000光年。 普林斯顿大学物理学家大卫·斯伯格（David Spergel）在一场新闻发布会上说：“我们”一直认为自己对银河系已经非常了解，但是很显然这一发现说明在银河系的中心存在一种巨大的高能事件。 伽马射线是具有最高能级的光线形式。在宇宙中它们通常源自高能事件或天体，如超新星爆发、黑洞或中子星。目前科学家们对于这一巨大的泡状结构成因和能量来源尚不了解。 9.爱因斯坦相对论影响地球生物衰老速度
根据科学家在2010年9月公布的一项研究，我们站在楼梯上时的年衰老速度，要比站在平地上稍快一些。爱因斯坦相对论的玄妙之处就是其对时间的作用，而最新发现与这种作用联系起来，首次向世人展示了相对论如何影响实现世界的距离和时间构架。 根据爱因斯坦的相对论，时间并非均匀流逝，而是会由于加速度的存在而变化。由于这一机制的作用，对于同一观测者而言，一台高速运动中的钟要比一台静止状态下的钟走得慢。这一原理是著名的“双生子佯谬”的基础。这一佯谬的内容是：如果一堆双胞胎中的一个被送入高速飞行的飞船内，当然返回地面时会发现自己的兄弟比自己老了许多。 广义相对论同时也指出：重力加速度也会轻微地减慢时间。这就意味着：如果你所在的地方重力更大（更接近地心），你所经历的时间更慢，你的衰老速度变慢了。 10.巴克球之谜揭开
天文学家在2010年7月宣布，他们在一颗死亡恒星的残骸中发现了巴克球(Buckyball)，这是科学家首次在太空中发现这种神秘物质。巴克球是由60个碳原子组成的一种天然分子，形成稳定、空心的球体。 尽管巴克球的直径还不到一米的数十亿分之一，但这仍然是迄今在太空发现的最大分子。巴克球是富勒烯的一种，最早在1970年，人们首次预言它的存在。1985年，科学家在实验室中模拟富碳的老年恒星环境时首次意外证实它的存在。这一球体分子之所以被称为“巴克球”是为了纪念建筑师巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller），他设计的测地线拱顶和这个分子的样子看上去很像。发现巴克球的化学家还因此获得了诺贝尔奖。 之后，人们在陨星、地球岩石，以及蜡烛煤灰中都检测出了巴克球。而纳米技术的发展已经使得科学家有能力将这些巴克球制成高强度的碳纳米管材料，用以制造自行车架以及网球球拍。现在它又开始应用于超导技术领域。 但多年来天文学家在宇宙空间寻找巴克球的努力一直没有结果。这项发现的第一作者，加拿大西安大略大学的简·卡米（Jan Cami）说：“我们坚信巴克球存在于宇宙之中，因为它是我们在地球上发现的最稳定物质之一。但直到现在我们才第一次真正找到它。”(孝文 晨风) 宇宙无限说引出的佯谬人类将眼光延伸到银河系以外的广阔宇宙时，曾经一度认为宇宙是无限的。宇宙究竟是有限的还是无限的？如果是有限的，那么它的起源是什么？边界又在哪里？如果宇宙是无限的，它那无限多的星星为什么没有将我们地球的黑夜照亮？其实这两个问题是统一的，都能在宇宙大爆炸学说中得到合理的解释。假如我们现在还不知道宇宙大爆炸学说，我们同样会发现宇宙无限的说法会遇到麻烦，因为我们根据“无限的宇宙”居然推出了一些似是而非、不合实际的推论。在物理学中，对于这类貌似合理又不着边际的推论有一个称呼——佯谬。下面陈述的几个佯谬，反过来似乎支持了宇宙是有限的说法。 (1)．光度佯谬 如果宇宙是无限的，恒星大致均匀分布其间，那么它们的发光总效果应该使天空的光度无限大。考虑到天体之间互有遮蔽，天空的光度就应该是一个不变的常数，也就是说，白天、黑夜一样明亮。德国人奥伯斯（1758—1840）对这个问题做了系统的讨论，所以后人又称之为“奥伯斯佯谬”。而现实中的昼夜分明，只能说明“无限宇宙”的说法是有问题的，昼夜分明这一世人皆知的事实在宇宙大爆炸的理论框架下才有了像样的解释。 (2)．引力佯谬 德国人西利格尔（1849—1924）指出，如果宇宙是无限的，那么它必然分布着无数的恒星，根据万有引力定律，所有天体之间都具有这种无处不在的引力作用，那么对于任何一个天体，在任何方向上都会受到无限大的引力，其总的效果将使每个天体直到宇宙中的一切，都将被撕得粉碎。可是，现实中的宇宙天体并非如此结局，这就从反面证实了“无限宇宙”是谬误的。 (3)．死寂佯谬 奥地利物理学家克劳修斯（1822—1888）认为，宇宙的能量应该是守恒的，宇宙的能量总是朝着一个越来越无序的热力学方向转移，这个过程不可逆转。因此，宇宙越是发展，其变化能力就越小，整体就越接近无序状态。一旦达到某种程度，一切变化将会停止，便出现了“永恒的死寂”。这个容易引起世人恐怖的“死寂说”，只有在现代宇宙理论中才能得以澄清。
宇宙有尽头吗？宇宙以外是什么？ 宇宙有尽头吗？这个问题一直是科学界的焦点，也一直困扰着人类。自古各国科学家就在争相讨论这个问题，在物理学的研究领域中，这也是最大的一个问题，即宇宙学。 在伽利略与牛顿之前，传统的宇宙结构认为它是一个有限边的世界。在哥白尼的太阳中心说中仍保持着有限有边的结构图式，而到了牛顿时代，有关科学家开始普遍采用无限无边的观点，即认为宇宙的体积是无限的，也没有空间边界。虽然爱因斯坦的广义相对论提出了宇宙是个有限无边的体系，而牛顿力学的无限无边体系和亚里士多德的有限有边体系又有力地反驳了这一观点，目前这些观点并没有得到科学家的一致认同，甚至有人认为宇宙空间会随着岁月的变迁而不断膨胀，因为空间是无边无际的，时间是无始无终的。而到底宇宙是否有尽头，这一直是个难以解释的谜，所以这有待与我们去进一步发现…… 应该问我们生活的宇宙是否有尽头 N种可能：1、宇宙外是另一个宇宙 推出 我们生活的宇宙有尽头 2、宇宙外是一个非宇宙 推出 我们生活的宇宙没有尽头 3、宇宙外是多个平行宇宙 推出 我们生活的宇宙有尽头 4、宇宙外是多个平行非宇宙 推出 我们生活的宇宙没有尽头 5、宇宙外是多个相交宇宙 推出 我们生活的宇宙有尽头 6、宇宙外是多个相交非宇宙 推出 我们生活的宇宙没有尽头 7、宇宙没有外部空间 推出 我们生活的宇宙没有尽头 。。。。。。 目前科学家只研究出这么多 多维宇宙假说尚在研究讨论中。 宇宙的尽头在哪里 宇宙是否有尽头? 宇宙有尽头么？宇宙以外是什么样子？？ 有限、无限及宇宙的边界 1917年，爱因斯坦发表了著名的“广义相对论”，为我们研究大尺度、大质量的宇宙提供了比牛顿“万有引力定律”更先进的武器。应用后，科学家解决了恒星一生的演化问题。而宇宙是否是静止的呢?对这一问题，连爱因斯坦也犯了一个大错误。他认为宇宙是静止的，然而1929年美国天文学家哈勃以不可辩驳的实验，证明了宇宙不是静止的，而是向外膨胀的。正像我们吹一只大气球一样，恒星都在离我们远去。离我们越远的恒星，远离我们的速度也就越快。可以推想：如果存在这样的恒星，它离我们足够远以至于它离开我们的速度达到光速的时候，它发出的光就永远也不可能到达我们的地球了。从这个意义上讲，我们可 以认为它是不存在的。因此，我们可以认为宇宙是有限的。 “宇宙到底是什么样子?”目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。实际上，我们都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。 怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里，对“三维”事件是无法清楚理解的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。 1、均匀的宇宙 长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。 无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙．是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题确实不容易说清楚。主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢?”这个问题同样也不好回答。 随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒250千米，围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达10万光年。银河系由1000多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107光年(1000万光年)。目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。这就是说，在10的7次方光年的尺度以下，物质是成团分布的。卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。成千亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着共同的重心——银心转动。无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。粗略地说，星系固有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。这就是说，在10的8次方光年(一亿光年)的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。 因而我们可以认为，宇观尺度上(10的5次方光年以上)物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。 于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。 2、有限而无边的宇宙 爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。 爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。 一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。 我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为r，那么球面的面积是4πr的2次方，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的。假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。 按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的，体积是4/3πr的3次方，它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物)，无论朝哪个方向前进均碰不到边。假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。 宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单阶情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。 爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下，救解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解。本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性)，场方程就变得好解多了。但还是得不出结果。反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看作万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。 3、膨胀或脉动的宇宙 几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋。他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。 同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人没有理睬爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。 早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应，迎面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波，我们则感到其频率降低。 如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团)。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移了。 1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所以，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比： V＝HD 式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。按照哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。 哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。 哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测所确认。 4、宇宙有限还是无限 现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限还是无限?有边还是无边?对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。 满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性)的宇宙，肯定是无边的。但是否有限，却要分三种情况来讨论。 如果三维空间的曲率是正的，那么宇宙将是有限无边的。不过，它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙，这个宇宙是动态的，将随时间变化，不断地脉动，不可能静止。这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无限大、温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大。在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低，物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。体积膨胀到一个最大值后，将转为收缩。在收缩过程中，温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大，最后到达一个新奇点。许多人认为，这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。显然，这个宇宙的体积是有限的，这是一个脉动的、有限无边的宇宙。 如果三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的(宇宙中有物质存在，四维时空是弯曲的)，那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积，这个初始的无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点)。大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始，爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点。即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点。温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大(三维空间曲率为零)。爆炸发生后，整个“奇点”开始膨胀，成为正常的非奇异时空，温度、密度和时空曲率都逐渐降低。这个过程将永远地进行下去。这是一种不大容易理解的图像：一个无穷大的体积在不断地膨胀。显然，这种宇宙是无限的，它是一个无限无边的宇宙。 三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积，这个初始体积也是奇异的，即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无限高，三维、四维曲率都无限大。大爆炸发生在整个“奇点”上，爆炸后，无限大的三维体积将永远膨胀下去，温度、密度和曲率都将逐渐降下来。这也是一个无限的宇宙，确切地说是无限无边的宇宙。 那么，我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢?我们宇宙的空间曲率到底为正，为负，还是为零呢?这个问题要由观测来决定。 广义相对论的研究表明，宇宙中的物质存在一个临界密度ρc，大约是每立方米三个核子(质子或中子)。如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρc，则三维空间曲率为正，宇宙是有限无边的；如果ρ小于ρc，则三维空间曲率为负，宇宙也是无限无边的。因此，观测宇宙中物质的平均密度，可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种，究竞有限还是无限。 此外，还有另一个判据，那就是减速因子。河外星系的红移，反映的膨胀是减速膨胀，也就是说，河外星系远离我们的速度在不断减小。从减速的快慢，也可以判定宇宙的类型。如果减速因子q大于1/2，三维空间曲率将是正的，宇宙膨胀到一定程度将收缩；如果q等于1/2，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀下去；如果q小于1/2，三维空间曲率将是负的，宇宙也将永远膨胀下去。 表3列出了有关的情况： 表3 宇宙中物质密度 红移的减速因子 三维空间曲率 宇宙类型 膨胀特点 ρ＞ρc q＞1/2 正 有限无边 脉动 ρ＝ρc q＝1/2 零 无限无边 永远膨胀 ρ＜ρc q＜1/2 负 无限无边 永远膨胀 我们有了两个判据，可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明，ρ＜ρc，我们宇宙的空间曲率为负，是无限无边的宇宙，将永远膨胀下去!不幸的是，减速因子观测给出了相反的结果，q＞1/2，这表明我们宇宙的空间曲率为正，宇宙是有限无边的，脉动的，膨胀到一定程度会收缩回来。哪一种结论正确呢?有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了，如果找到这些暗物质，就会发现ρ实际上是大于ρc的。另一些人则持相反的看法。还有一些人认为，两种观测方式虽然结论相反，但得到的空间曲率都与零相差不大，可能宇宙的空间曲率就是零。然而，要统一大家的认识，还需要进一步的实验观测和理论推敲。今天，我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限，只能肯定宇宙无边，而且现在正在膨胀!此外，还知道膨胀大约开始于100亿-200亿年以前，这就是说，我们的宇宙大约起源于100亿-200亿年之前。 5、爱因斯坦宇宙模型 根据物理理论，在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测，称为宇宙模型。 著名科学家爱因斯坦于1915年建立了广义相对论的物理理论。这一理论认为，宇宙中没有绝对空间和绝对时间，无论是空间和时间都不能与物质隔开来，空间和时间均受物质影响；引力是空间弯曲的效应，而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究，1917年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文，他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙，建立起一种宇宙模型。 当时科学家普遍认为宇宙是静止的，不随时间变化的。虽然在几年前，美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战)，但由于当时正值第一次世界大战，这一消息并没有传到欧洲。因此，爱因斯坦也和大多数科学家一样，认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手，得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。但他得到的解是不稳定的，表明全间和距离不是恒定不变的，而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解，爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项，让它起斥力的作用。爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型，称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解，可把它比喻为三维空间中的一个二维球面：球面的面积是有限的、但沿着球面没有边界，也无中心，球面保持静态状态。几年以后，爱因斯坦得知河外星系退行，宇宙是膨胀的消息后，非常后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称这是他一生中犯的最大错误。 宇宙日历  “宇宙很古老，人却很年轻。”（卡尔·塞根） 人的寿命大概有100年。在这100年中，我们哭泣、欢笑，相会、别离，经历着许许多多的酸甜苦辣，但将这100年放到宇宙中去看，却只是短暂的瞬间。因为现在的宇宙已经有137亿年，是人的寿命的1亿倍之多。 最新的研究认为，在137亿年前就出现了时间和空间，与此同时，还出现了一个小得不能再小的高温火球，这个火球急速膨胀（即宇宙大爆炸），最终成为了现在的宇宙。你可能无法想象137亿年究竟是怎样一个时间概念。为了便于理解，让我们把这137亿年按照比例浓缩成1年，以春、夏、秋、冬为界点来回顾一下宇宙的历史。 假定宇宙大爆炸发生在新年的第一天即1月1日0点。随着空间的膨胀，温度不断下降，我们所居住的银河系便出现了。它诞生的时间大概是在这一年樱花盛开的时候。之后不久，我们的母亲星——太阳和许多其他的星体一起降生。在闪耀着夺目光芒的太阳附近，气体与灰尘不断汇聚，到了9月份的时候，地球终于诞生了！ 秋分前后，地球上出现了原始生命。但这些原始生命开始无数次进化、生物种类急速增长则是在12月中旬之后的事情了。中生代的霸王——恐龙灭绝的时间大概在12月30日早晨6点半左右，到了12月31日20点50分左右，猿才终于进化成人。而现在生活在这个世界上的我们，则是在差0.2秒就要进入新的一年那一刻才出生的！真可谓“生之须臾”。 地球历史上的每十亿年相当于宇宙年的24天左右，字宙年的每秒钟表示地球绕太阳运行475公转。我这里介绍三种宇宙年表：12月份前的日期表，12月份的月历和新年除夕夜晚的详细考察表。按这个换算法，现代和历代史书上的大事件都必须一秒钟一秒钟地列举记载。这样就能把我们学过的时间间隔较长的历史大事件表列出来。在人类生活史上，有许多重要事件可能发生在不同的时期，正象一个同样瑰丽的地毯，可能是在不同时期织成一样，如在4月6日或9月16日的上午10点零2分和10点零3分之间。但我们这里详细记载的只是宇宙年最后一天的日程，于是就不会发生时间重叠的情况了。这个年代和当前最通用的史料相符，但某些内容还不完全可靠。 此外，很明显要在表3中，宇宙年最后十秒钟的时间内，把所有重大事件都逐一列进去是不可能的。我没有详尽地提到艺术、音乐和文学上的进展，或者没有完全提到美国、法国、俄国和中国的革命以及重大历史事件，关于这一点我希望能够得到谅解。 可以意料，这样的年表和月、日历的设计仍是简陋的。在此宇宙年里，九月初地球还没从星际物质中冷凝形成，恐龙仅出现在圣诞节前夜，开花植物首次出现在12月28日，男人和女人的起源发生在除夕晚上十点半。所有人类有记载的历史都排在12月31日的最后十秒钟内。从中世纪的衰落到现在仅是一秒多时间。可正由于我这样精心的安排，第一个宇宙年恰好结束。虽然人类在宇宙年里所占的时间暂短，但意义却是非凡的。很明显，第二宇宙年的开端，在地球上或其附近将要发生什么变化，这完全取决于人类科学的智慧和人的清晰敏感的头脑了。
宇宙大小 “它很大，的确” “它很大，的确”。关于我们生活于其中的这个宇宙，《银河系漫游指南》一书的作者，英国著名剧作家道格拉斯·亚当斯这样写道。下面来想象一下宇宙的大小。 在我们身边有各种大小不同的物体，但要把握一样无法用眼睛来确认大小的物体却非一件易事。比如，地球的直径约1.28万km，周长约4万km。虽然是个很庞大的数字，但有了飞机以后，我们便可以自由地来往于世界各地了。 随着宇宙开发技术的进步，人类的脚步踏上了月球，航天飞机的发明使得人类飞往宇宙不再困难。不过，航天飞机飞行时的离地高度约为350km，差不多等于从东京到名古屋的距离。如果将地球比作直径为30cm的西瓜，那么航天飞机仅仅就悬浮在距离这个西瓜8mm的上空，同样按照这个比例来看，月亮可以看作是距离西瓜9m左右的一个苹果。想到我们人类在40年前就已在月球上留下了足迹，你或许会觉得感慨万分，但如果与距离我们最近的恒星——太阳相比，人类登月便会显得微不足道。因为太阳完全可以看作是一座距离西瓜约3.5km远、直径为西瓜109倍、高10层（30米左右）的大楼！ 我们把太阳周围的行星以及许许多多大小不等的天体统称为“太阳系”，这些天体存在于大约40天文单位中（太阳与地球之间的距离为1天文单位）。再将视野扩大100天文单位，那里有许多没能成为行星的小型天体。而被认为是彗星故乡的“奥尔特云”则漂浮在10万天文单位（约1.6光年）之外的远方。近年来，许多学者都认为奥尔特云所在的位置便是太阳系的尽头。 接下来，我们将太阳看作30cm左右的西瓜，再次眺望缩小了50亿倍以后的太阳系。这次我们会看到，地球在离太阳大概30m远的地方，大小如同一颗葡萄核。太阳系中最大的行星——木星差不多像草莓一样大，在距离太阳160m的位置上运动。冥王星离太阳1.2km远，大小不足1mm。位于太阳系尽头的奥尔特云则远在3000km以外。即使缩小了50亿倍，太阳系依然可以包含两个日本列岛，并且绰绰有余。 关于太阳系以外……就请各位驰骋想象吧！ 宇宙之网 请你试着将一枚硬币放在你的面前。假设这枚小小的硬币就是我们的太阳，那么另一颗代表距离太阳最近的恒星：比邻星的硬币就应当放在大约563公里之外。对于生活在中国的读者而言，比如上海的读者，这第二枚硬币几乎要摆放到山东或安徽省境内，而对于一些小国的居民而言，这颗硬币可能都已经放到外国去了。 而这仅仅是太阳和距离它最近的一颗恒星而已。当你试图模拟更大范围内的宇宙空间时，就会麻烦的多了。比方说，相对于你的那颗硬币太阳，银河系的直径将是大约1200万公里，这相当于地月距离的30倍。正如你所看到的，宇宙的尺度是惊人的，几乎没有办法用我们生活中所熟知的距离尺度加以衡量。 但这并不意味着人类丈量宇宙的梦想是遥不可及的。天文学家在长期的工作研究中已经找到一些行之有效的方法去测量宇宙的尺度。 最遥远的天体： 这张图像中部那个不太显眼的红色模糊光点事实上是一个星系，这是人类迄今所观测到的最遥远天体。 哈勃空间望远镜拍摄了这张照片，这一星系存在的时期距离宇宙大爆炸仅有4.8亿年。 这个星球上没有人知道宇宙究竟有多大。它或许是无限的，也或许它确实拥有某种边界，也就是说如果你旅行的时间足够长，你最终将回到你出发的地方，就像在地球上那样，类似在一个球体的表面旅行。 科学家们对于宇宙具体的形状和大小数据存在分歧，但是至少对于一点他们可以进行非常精确的计算，那就是我们可以看得多远。真空中的光速是一个定值，那么由于宇宙自诞生以来大约为137亿年，这是否就意味着我们最远只能看到137亿光年远的地方呢？ 答案是错误的。有关这个宇宙的最奇特性质之一便是：它是不断膨胀的。并且这种膨胀几乎可以以任何速度进行——甚至超过光速。这就意味着我们所能观测到的最远的天体事实上远比它们实际来的近。随着时间流逝，由于宇宙的整体膨胀，所有的星系将离我们越来越远，直到最终留给我们一个一片空寂的空间。 奇异的是，这样的结果是我们的观测能力事实上被“强化”了，事实上我们所能观察到最遥远的星系距离我们的距离达到了460亿光年。我们并非居于宇宙的中心，但是我们确实居于可观测宇宙的中心，这是一个直径约为930亿光年的球体。 星系蝴蝶图
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