宇宙基础知识（4）
胡经国
、宇宙有中心吗？
太阳是太阳系的中心，太阳系中所有的行星都绕着太阳旋转。银河也有中心，它周围所有的恒星也都绕着银河系的中心旋转。那么宇宙有中心吗？一个所有星系包围在中间的中心点？
看起来应该存在这样的中心但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的，它不仅包括普通三维空间长度、宽度和高度，还包括第四维空间——时间。描述四维空间的膨胀是非常困难的但是也许可以通过推断气球的膨胀来解释它。
可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动在某种意义上可以说我们把自己描述为一个二维空间的人。
如果宇宙不断膨胀，也就是说气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远。其中，某一点上的某个人将会看到其所有的点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。
现在假设我们要寻找气球表面上的点开始退行的地方，那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球膨胀实际上是从其内部的中心开始的，是在三维空间内的，而我们则是在二维空间上，所以我们不可能探测到三维空间内的事物。同样，宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间，即亿万年以前，虽然我们可以看到，可以获得有关的信息，而我们却无法回到那个时候。、宇宙
1、宇宙探索三部曲与现代宇宙学的建立
宇宙是如何起源的？空间和时间的本质是什么？这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃从太阳系、银河系河外星系的宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。
目前学术界影响较大的大爆炸宇宙论是1927年由比利时数学家勒梅特提出的他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人，又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点150亿年前一次大爆炸后，经一系列元素演化到最后形成星球星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在许多使人迷惑之处。
3、关于大爆炸理论假设与大爆炸能量来源
宏观宇宙是相对无限延伸的。大爆炸宇宙论关于宇宙当初仅仅是一个点，而它周围却是一片空白，压缩在一个极小空间内的假设人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙只是一种臆测。况且从能量与质量的正比关系考虑，一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢？
4、关于年的概念对宇宙年龄的实用性
人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。但宇宙中所有天体的运动速度都是不同的，在宇宙范围，时间没有衡量标准。譬如地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。既然年的概念对宇宙而言并不存在，大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢？
1929年，美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快星系红移量与星系距离呈正比关系。但他没能发现很重要的另一点星系红移量与星系质量也呈正比关系。
在宇宙中星系间距离是非常非常遥远的光线传播因空间物质的吸收、阻挡而会逐渐减弱运动速度越快的星系就是质量越大的星系。质量大，能量辐射就强因此我们观察到的红移量极大的星系，当然是质量极大的星系。这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因。另外那些质量小、能量辐射弱的星系（除极少数距银河系很近的星系，如大、小麦哲伦星系外）则很难观察到于是我们现在看到的星系大多呈红移。而银河系内的恒星由于距地球近，大小恒星都能看到，所以恒星的红移紫移数量大致相等。
导致星系红移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的，不是像大爆炸宇宙论描述的那样从一个中心向四周作放射状直线运动。因此，从地球看到的紫移星系范围很窄，数量极少。只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系。
6、关于宇宙整体膨胀或收缩
当宇宙中的物质分布出现不平衡时，局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化但宇宙整体结构相对平衡的状态是不会改变的。仅凭从地球角度观测到的部分（不是全部）可见星系与地球之间距离的远近变化，不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩。就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样。
7、关于宇宙年龄计算值的准确性
1994年，美国卡内基研究所的弗里德曼等人，用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时，得出一个80～120亿年的年龄计算值。然而根据对恒星光谱的分析，宇宙中最古老恒星年龄为140～160亿年。恒星的年龄倒比宇宙的年龄大。
8、关于宇宙微波背景辐射
1964年，美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的背景辐射，是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果。宇宙中的物质辐射是时刻存在的3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准。这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用，在大尺度空间整体分布的相对均匀性星际空间里确实存在大量我们目前还观测不到的暗物质。
9、关于氦丰度问题
至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象。在宇宙大尺度范围中，不仅氦元素的丰度相似，其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的。而且，各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的，并不是始终保持一副面孔所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系。
10、关于宇宙无限膨胀的结局
大爆炸宇宙论面临的难题还有，如果宇宙无限膨胀下去，最后的结局如何呢？德国物理学家克劳修斯指出，能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程，适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量，他把这个物理量取名为“熵”孤立系统中的“熵”永远趋于增大。但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域，不可能出现绝对均匀的状态。所以，那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时，宇宙就会进入一片死寂的永恒状态，最终“热寂”而亡的结局，是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的。
11、关于宇宙结构形态
根据天文观测资料和物理理论描述宇宙具体形态，星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星系共有的圆形涡结构就是整个宇宙的缩影那些椭圆、棒等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。
2010年月日
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