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宇宙的起源和演化

2014-06-29  负鹏载舟
(MU6092009-04-07 13:38:10)                     

宇宙的起源和演化宇宙的起源和演化宇宙的起源和演化

 

 

苦苦守着《文献检索与综述》的作业不知写什么好,偶然从同学那看到这霍金的《时间简史》,然后心血来潮,就以宇宙为话题写下了这篇论文。也许这个假期最大的收获就是这个吧,几天找了很多的资料,看很多的书和相关视频,当然也学习到了很多很多,个人对结果颇感满意。

 

 

 

 

                  宇宙的起源和演化  

 

 

前言:关于宇宙起探,历史上曾经出现过各种各样的想象和神话传说。但宇宙的起裸本身却是一个科学问题 。20世纪以来 ,人们在宇宙观侧中取得了越来越多的重大发现 ,从而逐渐建立起大姆炸宇宙学模型。美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离人们而去。1929年哈勃把这种退行红移与星系的距离结合起来,得出了著名的哈勃定律(星系的退行速度与它的距离成正比 ),即根据哈勃定律和后来更多夭体的红移的测定,发现宇宙在长时间内一直在膨胀着,物质密度一直在变稀。由此反推:宇宙的结构在某一时间前是不存在的,它只能是演化的产物因而年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙学模型:—宇宙是由甚早期温度极高、密度极大、体积极小的物质迅速膨胀形成的这是一个由热到冷、由密到稀,不断膨胀的过程,尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸。

 

关键字:宇宙大爆炸  宇宙膨胀  暗物质

 

一、宙的起源

1)“宇宙大爆炸”假说

到目前为止,许多科学家倾向于“宇宙大爆炸”的假说。这一观点是由美国著名天体物理学家加莫夫和弗里德曼提出来的。这一假说认为,大约在200亿年以前,构成我们今天所看到的天体的物质都集中在一起,密度极高,温度高达100 多亿度,被称为原始火球。这个时期的天空中,没有恒星和星系,只是充满了辐射。后来不知什么原因,原始火球发生了大爆炸,组成火球的物质飞散到四面八方,高温的物质冷却起来,密度也开始降低。爆炸两秒钟之后,在100亿度高温下产生了质子和中子,在随后的自由中子衰变的11分钟之后形成重元素的原子核。大约又过了1 万年,产生了氢原子和氦原子。在这1万年的时间里,散落在空间的物质便开始了局部的联合,星云、星系的恒星,就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中,大部分气体变成了星体,其中一部分物质因受到星体引力的作用,变成了星际介质。

现代宇宙学为“大爆炸”理论提供了可靠的观测事实和理论依据。

 

㈠ 哈勃定律

1929年一个美国天文学家叫哈勃,他就用了大型望远镜来估算斯里弗测量出谱线红移的46个星云的距离,用这两个参数,一个是星云的距离,一个是这些星云离我们远去的运动速度,它用这两组数据,这两个参数来得到了这样一个关系式,横坐标是哈勃估算出来的距离,他得到了一个离我们越远的星云退行的速度越大的结果,它们呈线性关系,这个就被称之为哈勃定律。他发现这些星系的谱线都存在明显的位移。根据物理学中的多普勒效应,这些星系在朝远离我们的方向奔去,即所谓退行。而且,哈勃发现这些星系退行的速度与它们距离成正比。也就是说,离我们越远的星系,其退行速度越大。这种观测事实表明宇宙在膨胀着。

经科学测量,地球外所有从星星上上传到地球上的光线,其频率都变小了(光谱向“红“的方向移动),就像二列火车分开(反向行驰)时其声音变宽了频率变小。这说明:天际的各类星星现在正在不断扩散,宇宙正在不断扩大,星星都在远离地球而去它们的光都向红端移动科学上称之谓“红移”。例如:(“马卡良609”星系发出的光谱,在500纳米与650纳米处共有条光谱线与地面实验室所得的5条光谱线比较,全都向长波方向移动了一些距离,根据这个位移距离,哈勃计算出了它相对于地球的退移速度。他又将其他一些星系的光谱退移的速度与其离地球的距离绘制于图上,结果得一条直线。他由此立了个公式:V=H*S(膨胀速度等于哈勃系数乘星系团与地球的相对距离)。哈勃认为,宇宙正在膨胀,“倘若倒转历史方向,就应该发现宇宙从某个更小、更密的状态其尺度为零变化而来。”这就是一次“大爆炸”。㈡ “3K微波背景辐射”的发现                                                

 1965年,美国贝尔实验室的两位科学家,研究星系的同步辐谢时,测到一种“过剩的噪音”,这种噪音均匀地分布来自空间各个方向,不随时间改变,十分稳定,经测定,这种噪音是绝对温度3K的微波段辐射。

普林期顿的皮伯尔教授认为:如果起源于大爆炸,那就需要大量的辐射来了阻止有密集在一起的粒子聚变成重元素,从而留下足够的氢氦以形成我们今天的宇宙中的恒星和星系,随着宇宙的膨胀,辐射渐冷却下来,但仍以较弱的形式,弥漫于宇宙,这种辐射今天应该是可以观测到的,只要辐射在开氏温标几度就可以。皮伯尔的预言是被“3K微波背景辐射”所证实,这种背景辐射是大爆炸的回声。宇宙的起源和演化

 

㈢大爆炸的核合成                                                             

宇宙中物质的种类比例与组成,如果用粒子数来说,90%是氢,10%是氦,其他所有的元素都不足1%。如果用质量来说,75%是氢,25%是氦,其他的所有不足1%。那么我们可以算出来,宇宙中大体上有多少个恒星,这个恒星的年龄有多大?那么现在宇宙中应该有多少氢?有多少氦?就算出来了。那算出来的结果和观测非常地不符合,如果说我们这个宇宙中的氦完全是由每一个单个的恒星,通过氢聚变成氦的热核反应产生的。我们可以算出来,用这些正常的手段是绝对产生不了宇宙中这么多氦的。那么最后的结论是什么呢?只有在当初通过一个非常时期,也就是说一次大爆炸的过程,那么在大爆炸过程中就会迫使很多氢聚变成氦,然后在造我们这个恒星的时候,就不单是纯粹由氢来造了。而是由氢再加上氦一起来造的这个恒星。所以恒星在造的时候,已经就含了好多个氦的元素含量已经多了,因此我们现在测出来宇宙中的元素含量才有了这么多的氦

     大爆炸宇宙学棋型发展至今 ,特别是关于轻元索丰度的解释和徽波背景辐射的测 ,说明大爆炸宇宙学模型正在走向成熟,但这并不能说明该理论无可挑剔。相反 ,大爆炸理论存在诸多包括视界间题、平坦性间题现巳被暴涨理论所解释、奇性间题、磁单极子问题、重子不对称间题、暗物质间题和字宙常数等间题等待进一步研究。相信这些问题的不断解决 ,将进一步完善大爆炸宇宙学模型

 

2)“宇宙永恒”假说                                                            

这种假说认为,宇宙并不是像人们所说的那样动荡不定,自从开天辟地以来,宇宙中的星体、星体密度以及它们的空间运动都处在一种稳定状态,这就是宇宙永远假说。这种假说是由英国天文学家霍伊尔、邦迪和戈尔特等人提出来的。霍伊尔把宇宙中的物质分成以下几大类:恒星、小行星、陨石、宇宙尘埃、星云、射电源、脉冲星、类星体、星际介质等,认为这些物质在大尺度范围内处于一种力和物质的平衡状态。就是说,一些星体在某处湮灭了,在另一处一定会有新的星体产生。宇宙只是在局部发生变化,在整体范围内则是稳定的。

 

3)“宇宙层次”假说

这种假说是法国天文学家沃库勒等人提出来的。他们认为宇宙的结构是分层次的,如恒星是一个层次,恒星集合组成星系是一个层次,许多星系结合在一起组成星系团是一个层次,一些星系团组成超星系团又是一个层次。

       综合起来看,以上种种假说虽然说明了模式的部分道理,但还缺乏概括性,还有继续探讨的必要,宇宙的诞生之谜对充满了求知欲的人们来说有着无穷的吸引力。

 

二 、宇宙的演化

目前宇宙不断在膨胀个不争的事实,具有充分的理论及观测证据。科学家估测在未来300亿年内宇宙还是不断地膨胀。然而宇宙就这样一直会膨胀下去吗?宇宙会终结吗?这是天文科学必需回答的问题。就目前而言,天文学家普遍认为宇宙会有三种可能的未来。一种命运,引力最终占上风。由于物质足够得多,最后引力克服四向膨胀的力量,宇宙不再膨胀。宇宙不再膨胀之后,当引力占上风,占一点点上风的时候,就开始收缩,我们的宇宙就开始大收缩,这是第一种。第二种可能就是一直膨胀下去,按照哈勃的线性关系,无穷无尽地一直膨胀下去。第三种它可能膨胀之后又收缩,收缩之后又膨胀,变成反复的脉动。

那到底什么决定宇宙未来走向哪条路呢?最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密度,一个被宇宙学家称之为Ω的值。平直宇宙,处于准确的平衡状态,其Ω值被定义为1。如果Ω大于1,哪怕仅超过一点点,宇宙就会拥有足够的质量也可以说是能量,从而靠其自身引力阻止膨胀的趋势,把所有的物质拣回到一个难以想象的奇点,如果Ω小于1,宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀,且会继续膨胀下去。而Ω值主要取决于我们宇宙中的平均物质密度,也就是说我们宇宙中到底有多少物质。如果我们宇宙中平均的物质密度比较高,那么它的引力的作用就会越来越大,那就有可能膨胀一段以后呢,就收缩回来。那么宇宙中如果物质密度比较低,宇宙就一直膨胀下去。宇宙的起源和演化

 

   

    从理论上计算,要想终止膨胀宇宙的物质密度要达到10-31克/立方厘米,可是现在测定的平均密度值是10-33/立方厘米,理论上讲就这么简单,但是还有一个问题需要天文学家注意,就是宇宙中的暗物质。暗物质就是dark matter 的直译,dark matter是包括了行星,包括了黑洞,凡是你看不见的,探测不出来的,但是它存在着的,还有那些遥远我们目前无法观测的小星系。根据引力作用来估量出来的发光天体,和其他有关的天体,包括星云等等都在内的,只占15%,而其他的暗物质应该占85%。然而是不是还存在很多我们人类目前无法观测的暗物质呢。21世纪物理学的一个重要的任务之一就是研究宇宙中的暗物质。

 

参考文献:

 

[1] 史蒂芬.霍金/著  许明贤、吴忠超/译,《时间简史》,湖南科学科技出版社.

[2] 爱因期坦/著 杨润殷/译,《狭义与广义相对论》,北京大学出版社.

[3] 浩宇.宇宙到有多大.科学之窗

[4] 周勋秀 ,焦善庆 ,黄  庆.强黑洞(原生黑洞)的物理性质 [J ] .云南大学学报(自然科学版) ,2002 ,24 (5) :358 – 361

[5] 焦善庆,许弟余,龚自正,江光佐. 宇宙起源及宇宙命运. 吉首大学学报(自然科学版),1007-2985(2006)02-0046-04.

[6] 张邦固.宇宙奥秘 [M] .北京:科学出版社 ,2002.

[7] 梁英贤,罗自林.宇宙起源与未来.402160

[8] 吴中启/译. 宇宙起源与未来—大爆炸宇宙论简介.大庆职工大学.

[9] 宓海江,宓文浦.宇宙是无数次爆炸而形成的(空间系列二). 科技信息.2008

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