宇宙基础知识（3）
胡经国
、宇宙起源
1、宇宙膨胀理论
所谓宇宙“大爆炸理论”，简单地说就是宇宙开始的时候是由一个火球爆炸而形成的。近代科学研究发现宇宙不是永恒的，而是在不断膨胀中。宇宙的不平衡现象最早是由一位德国医生发现的。他在夜空观查星星时发现，个星球间的距离并没有因为的关系而彼此靠近。那么，在星球之间必定存在另一种力量抵消了它们彼此之间的万有引力。他就把这现象假设为宇宙在不断地膨胀。
在后来科学家们又发现了红移现象就是远距离星球射向地球的光以红光为多近距离的则以紫光为主。红移edShift）是指星球或星系光谱谱线的观测波长向长波方向频移的现象。现象引起的谱线波长的相对改变量。移）谱线的观测波长向波方向频移的现象。现象引起的谱线波长的相对改变量。
由于在光谱中红光的波长最长，因而星体远离红移而紫光的波长最短，星体靠进
接着爱因斯坦提出了广义相对论他提出加速度不等于零的理论，其中即包含了宇宙膨胀的学说。1931年，美国天文学家以先进的天文望远镜发现，在银河系外仍有很多银河系，并且在不断地膨胀，这才使得宇宙膨胀的理论得到证实。
2、宇宙大爆炸余波
到了40年代，科学家们预测宇宙是由大爆炸产生的那么它爆炸之后必定会有物质在太空之中。这遗留物质就是电子波辐射波，其所代表的温度约为零下273。这假设在当时并没被证实。
在60年代，贝尔实验室的科学家为电讯研究架起天线时发现一直听到噪音，而这噪音所代表的温度为零下260左右。此同时普林斯顿大学的物理学家们也在凭理论找寻大爆炸后的后来这两组联合天线所收到的噪音即为大爆炸后的，其温度约为零下270这一发表证实了大爆炸理论。、宇宙大爆炸学说
1、宇宙大爆炸起源与演化
宇宙大爆炸BigBang）仅仅是一种学说，是根据天文观测研究得的一种设想。大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。这是一次不可的能量大爆炸
大爆炸的整个过程是复杂的现在只能理论研究的基础上，描绘宇宙发展史。大爆炸以后，大爆炸散发的物质在太空中漂游开始向外大膨胀，形成了今天我们看到的宇宙。在这150亿年中先后诞生了星系团、星系、银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质，形成了当今的宇宙形态人类就是在宇宙中诞生的。原本想象宇宙会因引力而不再膨胀但是，科学家已发现宇宙中有一种暗能量会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀。
宇宙大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争爆炸产生的动力是一种斥力，它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力，它会阻止天体远离，甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关，因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀，还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小，这完全取决于宇宙中物质密度的大小。
理论上存在某种临界密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，称为开宇宙；物质的平均密度大于临界密度，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为闭宇宙。
问题似乎变得很简单，但实则不然。理论计算得出的临界密度为5×10-30克厘米3。要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了。星系间存在广袤的星系间空间如果把目前所观测到的全部发光物质的质量平摊到整个宇宙空间，那么，平均密度就只有2×10-31克厘米3，远远上述临界密度。
然而，种种证据表明，宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质，其数量可能远超过可见物质这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素。因此，宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题。不过，目前来看，开宇宙的可能性大一些。
恒星演化到晚期，会把一部分物质（气体）抛入星际空间，而这些气体又可用来形成下一代恒星。这一过程中气体可能越来越少（并未确定这种过程会减少这种气体）以致于不能再产生新的恒星。1014年后，所有恒星都会失去光辉，宇宙也就变暗。同时，恒星还会因相互作用不断从星系逸出，星系则因损失能量而收缩结果使中心部分生成黑洞，并通过吞食经过其附近的恒星而长大（根据质能守恒定律形成恒星的气体并不会减少而是转换成其形态。所以新的恒星可能会一直产生)
1017～1018年后，对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星这时，组成恒星的质子不再稳定。1032年后，质子开始衰变为光子和各种轻子。1071年后，这个衰变过程进行完毕，宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞。
10108年后，通过蒸发作用，有能量的粒子会从巨大的黑洞中逃逸出。宇宙将归于一片黑暗。这也许就是开宇宙末日到来时的景象但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着（质子是否会衰变还未得到结论因此根据质量守恒定律宇宙中的质能会不停转换）
闭宇宙的结局又会怎样呢？闭宇宙中，膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小。如果假设平均密度是临界密度的2倍，那么根据一种简单的理论模型，经过400～500亿年后，当宇宙半径扩大到目前的2倍左右时，引力开始占上风，膨胀即告停止，而接下来宇宙便开始收缩。
以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演。收缩几百亿年后，宇宙的平均密度又大致回到目前的状态不过，原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动。再过几十亿年，宇宙背景辐射会上升到，并继续上升于是，宇宙变得非常炽热而又稠密。在坍缩过程中，星系会彼此并合，恒星间碰撞频繁。结局也只是假想推论。宇宙无始无终新论断
近几年来，一批西方天文学家发表了关于“宇宙无始无终”的新论断。他们认为，宇宙既没有“诞生”之日，也没有终结之时，而就是在一次又一次的大爆炸中进行运动，循环往复，以至无穷。至于“宇宙无始无终”的新论是否正确，科学家认为，过几年国际天文学界可望对此做出验证。、大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型
大爆炸宇宙模型（BigBangModel）一种广为认可的宇宙演化理论。其要点是，宇宙是温度和密度都极高的状态由一次大爆炸产生的至少发生在100亿年前。这种模型基于两个假设：第一是爱因斯坦提出的能正确描述宇宙物质的引力作用的广义相对论；第二是所谓宇宙学原理，即宇宙中的观测者所看到的事物既同观测的方向无关也同所处的位置无关。这个原理只适用宇宙的大尺度上，而它也意味着宇宙是无边的。因此，宇宙的大爆炸源不是发生在空间的某一点，而是发生在同一时间的整个空间内。
有这两个假设，就能计算出宇宙从某一确定时间（称为普朗克时间）起始的历史而在此之前，何种物理规律在起作用至今还不清楚。宇宙从那时起迅速膨胀，使密度和温度从原来极高的状态降下来紧接着，预示质子衰变的一些过程也使物质的数量远超过反物质，如同我们今天所看到的一样。许多基本粒子在这一阶段也可能出现。过了几秒钟，宇宙温度就降低到能形成某些原子核。反物质是一种假想的物质形式，在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。物质与反物质的结合，会如同粒子与反粒子结合一，导致两者湮灭，因而释放出高能光子或伽玛射线。
所有的粒子，都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在，称为该种粒子的反粒子。
大爆炸宇宙模型理论还预言能形成一定数量的氢、氦和锂的核素，其丰度同今天所看到的一致。大约再过100万年后，宇宙进一步冷却，开始形成原子而充满宇宙中的辐射则在宇宙空间自由传播。这种辐射称为宇宙微波背景辐射，它已经被观测所证实。除了原始物质和辐射外大爆炸理论还预言，现在宇宙中应充满中微子，它们是无质量或无电荷的基本粒子。现在科学家们正在努力找寻这种物质。
2、大爆炸宇宙模型能说明的几个观测事实
大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。
按照大爆炸理论，宇宙是137亿年前从一个极小的点诞生的从那里诞生了时间和空间、质量和能量，从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前，宇宙中没有物质，没有能量，甚至没有生命。
但是，大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样，或者说发生这次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程，是宇宙创生毁灭再创生的过程。只是一设想，并不是一完美的理论。、大爆炸的论据
大爆炸理论虽然并不成熟，但是仍然是主流的宇宙理论关键就在于目前有一些证据支持大爆炸理论比较传统的证据如下：红位移
从地球的任何方向看去，遥远的星系都在离开我们而去可以推出宇宙在膨胀，且离我们越远的星系，远离的速度越快。哈勃定律
哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度距离的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。
V＝H×D
其中，V（Km/sec）是远离速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常数，为50；D（Mpc）是星系距离。1Mpc＝3.26百万光年。氢与氦的丰存度
由大爆炸模型预测出氢占25%，氦占75%，已经由试验证实。微量元素的丰存度
对这些微量元素，在大爆炸模型中所推测的丰存度与实测的相同。3K的宇宙背景辐射
根据大爆炸学说，宇宙因膨胀而冷却，现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余1965年，3K的背景辐射被测得。背景辐射的微量不均匀
证明宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。宇宙大爆炸理论的新证据
在2000年12月份的英国《自然》杂志上，科学家们称他们又发现了新的证据，可以用来证实宇宙大爆炸理论。
长期以来，一直有一种理论认为宇宙最初是一个质量极大，体积极小，温度极高的点然后这个点发生了爆炸，随着体积的膨胀，温度不断降低。至今，宇宙中还有大爆炸初期残留的称为宇宙背景辐射的宇宙射线。
2010年月日
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