关于宇宙形成与演化的几种理论

关于宇宙形成与演化的几种理论引言：宇宙学是一门年轻又古老的学科，人类对宇宙的起源在不断地探索着。当我们回望人类漫长的探索宇宙的进程时,在我国历史上最早认识宇宙，是有“科圣”之称的伟大的科学家张衡。也可以说是人类历史上认识宇宙的先驱。在后来主要是西方国家对宇宙探索有很大的进展，尤其是近几百年，其中对宇宙的形成与演化有很多的著名的观点，主要形成的观点有相对论原理、宇宙膨胀模型、大爆炸宇宙论等。霍金在《时间简史》中比较全面的描述了整个宇宙的图景，他还还提出了自己的很多观点，本着一种好奇心,想了解一下关于宇宙学的观点,所以借助史蒂芬·霍金的《时间简史》及其他书籍，将宇宙学的一些观点在这里罗列出来。在这里主要写了膨胀中的宇宙、大爆炸宇宙理论以及黑洞中的奇点与量子效应观点，这些观点在宇宙学中都具有重大的意义。希望我们对宇宙理论有更多的认识和了解，宇宙学是一门古老而年轻的学科,希望更多的人去了解宇宙学、研究宇宙学、了解我们所处的宇宙空间。让我们更早的回答出我们一直想知道的问题：我们从何而来，又到何处去?1、宇宙膨胀模型在人们认为宇宙是膨胀之前爱因斯坦曾提出过静态的宇宙模型。广义相对论主要的是把强大的引力场解释成为时空弯曲的几何特征，所以它也是一种引力理论。爱因斯坦根据自己建立的广义相对论对宇宙进行了考察，他引入了一个常数——“反引力”，此力和其他力是不一样，没有什么源引起，是时空中固有的。爱因斯坦认为时空有膨胀的趋势，但刚好可以用此力平衡宇宙中所有物质与物质间的作用力，因此爱因斯坦设想这样一个有限无边的静态宇宙模型。在宇宙空间中，物质分布是均匀的，宇宙大尺度特征不随时间变化而变化（又物质没运动）[1]。静态宇宙模型虽与事实不相符合，但它为现代宇宙学研究开启了新的起点。就在爱因斯坦和其他一些物理学家讨论非静态宇宙的预言时，1922年俄国物理学家、数学家弗里德曼用广义相对论着手解释它，他根据广义相对论方程解得的动态解，认为宇宙是不稳定的，有可能是脉动的。（他曾对宇宙提出过一个非常简单的设想：我们不管从哪个方向看，也不管从何地进行观察，宇宙看起来都是一样的。弗里德曼指出，仅从这两观念出发，就可以预言宇宙是不稳定的。此观点在后来不久被哈勃证明了。[2]）后来天文学家勒梅特又一次独立的的到这样一个模型：得到宇宙中的物质在均匀的同时在向各个方向膨胀或者是在收缩的宇宙模型。1924年现代宇宙图像才被奠定，这一年哈勃证明了除我们所处的这个星系，还有许多其他的星系，在他们之间是一个巨大的空虚的空间，也称为太空。哈勃用100英寸的望远镜在威尔孙山对太空进行观测时，埃德温·哈勃发现恒心在整个空间之中不是均匀分布的，而是有很多的恒心大量地集中在星系之中。埃德温·哈勃对来自星系的光利用多普勒效应进行了测量，这样就可以对星系是蓝移还是红移进行确定。哈勃曾预想对于我们现在正所处在的星系中来看宇宙中的其他星系，飞向我们星系和离开我们星系的其他星系是一样多的。这是存在于一个不变的宇宙中应该有的，但是事实总是给人惊奇，埃德温·哈勃测量出的结果发现，所有的星系几乎都是在红移，而且，哈勃发现当星系离我们越远时，他离我们而去的速度越快，也就是说红移的大小与星系离我们的距离是正比，这也是著名哈勃定律。[3]也就是说，宇宙不是人们想象的那样宇宙是静态的，它是随着时间在不断的变化，它是在膨胀，所有的星系之间的距离不断的增加。从而静态的宇宙模型破产，宇宙是在膨胀的，星系之间的距离在不断的增大。这是一个伟大的观测，无论我们是从何处观看宇宙，星系都是在离我们而去的。我们现在知道宇宙是在膨胀，如果时间倒回去，那么会是怎样的呢？如果按照现在宇宙膨胀的速度计算，那么就可以推算出在150多亿年前，宇宙中所有的星系中的物体都将会回归到一个点上，那么这是宇宙的奇点吗？总之，宇宙的膨胀的发现是20世纪最伟大的智力革命之一。可以说这为大爆炸理论奠基了基础。2、大爆炸宇宙模型在上世纪中期，物理学家伽莫夫和其他物理学家研究早期的宇宙状态，逐步的形成了大爆炸宇宙模型。其主要观点是:再至少100亿年前的某一时刻，宇宙是从温度和密度都极高的状态中由一次“大爆炸”产生的。这个模型基于两个基本设想：一、爱因斯坦所提出用来正确描述宇宙物质的引力作用的理论---广义相对论；二、不管在宇宙的那个方向或何处观察宇宙事物，他们都应该一样的，这也是所谓的宇宙学原理。[4]应用这两个设想，就可以计算宇宙在确定的某一时间（称之为普朗克时间）起始的历史，在这之前，宇宙是何种现状现今是不清楚的。在大爆炸的那一时刻，宇宙的温度、压力都无限大，体积是被认为“零的奇点”的状态，那时间宇宙中不从在任何星体以及各种元素。只有一些粒子性物质的存在，例如：中子、质子、电子等，这些粒子达到热平衡状态。在整个时空中粒子不是静止的，而且它们之间不断发生着碰撞，这样粒子间就不停的有粒子的产生、转化、湮灭。粒子之间的高频的碰撞可达到或超过1016次。宇宙处于此阶段的时间很短，由于宇宙很快的膨胀，整个宇宙中物质的密度和温度逐渐的开始下降，随之中子开始衰变成质子。现今我们看到的许多基本粒子就是这时间段形成的，宇宙温度下降到百万度时，化学元素就基本形成了。约百万年以后，宇宙温度再次下降，开始有原子形成，宇宙空间的粒子就复合成气态物质。在逐渐的形成各种星体、星系。星体时代就从此开始了。大爆炸理论中有两个很重要的观测依据：一个是氦的丰度，另一个是微波背景的辐射。和地球相比较，其他星体上的氦比较多，这是什么原因？但我们可以通过大爆炸理论来解释。宇宙在很早时期有氦产生过，那时氦的生成率很高，根据这些就可以解释氦丰度为什么这么高。在另一方面，可以依据氦的丰度和宇宙的膨胀速度，这样能够计算很早以前的宇宙温度，这样我们就可以推算出现在辐射的温度。乔治·伽莫夫预言此辐射温度约5K的黑体辐射，此数据可以观测检验。在1965年,美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在检测一个高度灵敏微波探测器时，检测器收到的噪声比他们预想的要大的多。他们推想，此噪声是从宇宙中来的，并且没有季节变化。最后经过测量，证实了此噪声有黑体辐射谱，温度约3k，且各向同性。从而证实了伽莫夫等科学家的预言。大爆炸理论学说能说明下列几个观测事实：①大爆炸理论学说认为恒星都是温度下降之后形成的，因为所有天体的年龄要比自温度下降到现在的这个过程的时间短，约200亿年。现今这一点已被证明。②观测到天体的红移现象，可以以偶那个多普勒效应来解释，说明宇宙在膨胀。③现今个天体上的氦丰度很高，这一事实可以用大爆炸理论学说解释，因为在早期宇宙高温时形成氦的效率很高，所以至今各天体还存有高丰度的氦。④依据氦丰度及宇宙的膨胀等可以计算出宇宙在演变历史中每一阶段的温度。伽莫夫预言现今的宇宙已近只有绝对温度几度。这一理论已被证实，温度大概约3k。在现今的科学界以上观点都被接受，然而在星系的起源及各向同性分布的方面，大爆炸模型还有一些不能够解决的问题。3、黑洞中的奇点与量子效应在1973年霍金在对黑洞周围量子效应进行研究，通过量子效应解释黑洞中的“奇点”。史蒂芬·霍金被称为最为杰出的理论物理学家。在这里我们先了解一下什么是黑洞？黑洞其实是一个恒星演化的过程，是依据爱因斯坦的广义相对论而提出的，宇宙时空中密度、质量很大的天体。在宇宙空间中的有质量很大的恒星。这种恒星在核聚变中逐渐的消耗能源最后到死亡，然后由于天体本身将会发生引力坍缩就会形成黑洞。黑洞本身质量相当大，他将会有特别强的引力场形成，以至于一切物质（包括光）都不能够从它之中“逃逸”出来。因为黑体不会将光线反射出去，因此称为黑洞。一个质量足够大的恒星只有演变坍缩形成黑洞，这是由于很强的引力作用，使坍缩一直这样进行下去，坍缩将会是无尽头的，无限的坍缩，最终该星球的中心将出现一个密度、压力都特别大而且体积特别小的“奇点”。由此推理奇点是必然会形成的。在极强的引力作用下，恒星的收缩也就形成了黑洞。当宇宙的标度因子收缩成“零”的一个数学点称为奇点。然而许多从事物理研究者根本就不会相信恒星的体积将会变成“零”。[5]黑洞是由于强大的引力场产生的，依据爱因斯坦的广义相对论，光线在传播中由于极强的引力作用将会使它弯曲，处在这种环境中，光线将无法逃出，别的物质也就不可能够逃出了（光线传播的速度至今是最快的），将会被引力场吸引回去。换句话说，空间中存在一个集合点，无论任何东西都不能从次区域跳脱让在别处的人们观测到。这也就是黑洞，其边界称着事件视界,它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。黑洞之中有着极大密度和时空曲率的奇点。它有着和大爆炸类似的时间开端，不过这是一个物质坍缩的时间终点，在黑洞这样的区域中由于引力坍缩形成的奇点在其中发生，所以不能够被外既往看到。根据收缩中恒星的运动现象来看，因为恒星的速度很大，本身产生的引力波将会使他更加接近球型，最后将逐步形成一个能够旋转、不能搏动的一种态。影响着黑洞的大小是它本身的质量和旋转的速度。由于黑洞的旋转，它将会产生一种相当于地球的磁场，进入的物质将会在黑洞的附近形成高能量得粒子，由于在此处的磁场力很大，这将会使粒子聚集在黑洞附近旋转，就类似于地球南北极方向向外喷射的流体。在爱因斯坦的广义相对论中有这样的表述，引力波的辐射将会被重物的运动影响到，而且它会带走任何运动中物质的能量。史蒂芬·霍金和其他科学家的研究表明，根据量子理论中的不确定原理，黑洞的旋转会有辐射粒子（是量子形式的辐射）形成，辐射的温度随着黑洞温度的变化而变化，质量与温度成反比。在人们的影响之中，黑洞之中会不断吸引物体，但粒子的发射又怎么解释？量子力学是这样解释的：物质粒子的喷射并非来自于黑洞之中，它来自于黑洞周围的事件视界的之外“空”的时空之中而来！在此所指的“空”是“真空”，并非虚空，它拥有许多的物理内容。[6]黑洞视界面周围，在真空中的粒子在极强的引力场的作用下，可以是粒子对的一个进入黑洞，一个远离而去，远去的这个粒子就了可以被观察到，进入黑洞如果是反粒子，那么离去的一定是正粒子，这样我们在很远的观察者就能观测到这一现象----来自黑洞中粒子流的辐射。黑洞中的这样不断辐射，使其质量逐渐减小，当质量减小时，温度将会上升很大。而且在黑洞的质量不断消耗时，它的温度以及喷射的速率会变大，这样黑洞的质量损失就会更快。随着黑洞的质量小到极点时，其将会以爆炸的方式消失在宇宙之中。从而我们可以推出引力坍缩是可以逆转的，着都是因为在黑洞有粒子流的喷射原由，进入黑洞中的东西最后将会以等效的能量回到宇宙中去，我们可以人为宇宙中的物质是可以再循环的。这样我们可以人为在“奇点”处黑洞爆炸时，将会把掉入其中的任何物体都会被毁灭，然而“奇点”也就不存在了。综上所述也就是说量子理论可以去掉爱因斯坦广义相对论预言的奇点的第一个迹象。4、总结：宇宙的膨胀、大爆炸理论以及黑洞中的量子效应对于宇宙的研究都有着不可估量的价值。在这里我只是把他们思想方法和研究的过程在这里罗列出来但对于宇宙学来说，它是一门年轻有古老的一门科学，在现今的宇宙理论学领域里，人类已有很大的发展，广义相对论、宇宙的膨胀、大爆炸理论以及黑洞中的量子效应等，这些伟大的理论成果在现今已解释了许多问题，也打破了人们对宇宙古老图像的观念，但这些并不是所有的一切都已解决。对于宇宙的未来人类现今还是不能够确定的，宇宙的何去何存是人们一直关心的问题，宇宙还会一直膨胀下去吗？宇宙最终会是什么情形呢？是人们认为的再次坍缩还是其他别的结果呢？这些都是我们值得思考的问题。也就像史蒂芬·霍金所说的那样，宇宙学是一个非常激动人心的和活跃的科学。人们也正在接近回答这个古老的问题：我们为何在此？我们有回到那里去？但这还需要我们不断的努力。