第十講-大爆炸與宇宙起源

第二講大爆炸與宇宙起源亙古不衰的問題藍天白云，碧空廣袤浩瀚；群星璀璨，河漢深不可測；宇宙為何是這個樣子？它從何處而來？又向何處而去？宇宙會有開端嗎？時間會有終結嗎？一個著名的傳說相傳羅素在作過一次關于宇宙的演講后，聽眾中的一位老年婦女站起來，老夫人說：“你說的這些全是廢話，這個世界是馱在烏龜背上的一塊平板！”羅素問道：“那么這只烏龜站在什么地方呢？”老夫人說：“年輕人，你很聰明！不過，這是一只馱著一只一直馱下去的烏龜塔??！”1.簡短的歷史回顧中國：盤古開天辟地印度：“象-龜”模型希臘：地球在水上浮動基督教：上帝的創(chuàng)生上帝在創(chuàng)造宇宙之前做什么？有人問奧古斯?。荷系墼趧?chuàng)造宇宙之前做什么？奧古斯丁的回答：

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“他正在為問這個問題的人準備地獄！”笛卡爾的“漩渦學說”宇宙空間充滿了物質微?！耙蕴?，以太的漩渦運動促使物質向中心聚集，從而形成太陽，其余物質慢慢形成了地球和其他行星，殘余的物質則形成了透明的天空。康德-拉普拉斯的“星云假說”德國哲學家康德1755年，他的著作《自然通史和天體論》出版，在該書中他提出了太陽系演化的星云假說。后來，為拉普拉斯修正和完善。至今，這個假說仍被視為對哲學和自然科學有巨大影響和推動作用的學說。(ImmanuelKant，1724-1804)康德－拉普拉斯“星云假說”太陽系一開始可能是一團巨大的旋轉星云隨著星云中無數(shù)粒子的相互吸引，行星和衛(wèi)星從中凝聚出來該假說可以說明所有行星和衛(wèi)星都圍繞著太陽從同一方向從東向西在同一平面內(nèi)旋轉的事實。困擾人們的問題？走出太陽系，放眼宇宙，首先遇到的問題是：恒星距離我們有多遠？銀河系的結構是怎樣的？銀河系之外是怎樣的世界？整個宇宙是有限的？還是無限的？宇宙是無限的嗎？兩個悖論如果宇宙是無限大的，其中就有無數(shù)個恒星，按照牛頓萬有引力定律，宇宙空間中任何給定兩點的引力就可能很大或無限大，因此，任意一點的引力勢就無法確定?！骼裰i如果宇宙是無限的，并且恒星的數(shù)量也是無限的，那么黑夜則不復存在，因為你向任何一個方向望去，總能看到一個恒星?！獖W伯斯之謎無限的宇宙沒有黑夜！Olbers宇宙是有限的嗎？如果宇宙是有限的，那么宇宙的邊界和中心在何處？邊界以外又是什么？盧克萊修的“飛矛”：如果宇宙是有限的，倘若一個人一直走到它的邊上，猛擲一根飛矛，那么試問：它將飛向何處？愛因斯坦的困惑：宇宙究竟是無限伸展的？還是有限封閉的？海涅：一個白癡才希望有個答案。愛因斯坦的失誤1917年，愛因斯坦在“根據(jù)廣義相對論對宇宙學所作的考查”一文中通過求解廣義相對論引力場方程，引入了宇宙常數(shù)項，建立了一個“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙模型。靜態(tài)：從大尺度來考察，宇宙空間中的物質基本上是靜止不動的；有限無界：宇宙空間是三維的，它的大小有限，光線在這個空間中沿著彎曲路徑傳播，始終不會有它的終點，即這個空間沒有邊界。圓極限圖中所有的天使、所有的魔鬼在非歐度量下都是全等的！非歐幾何的龐加萊模型“宇宙常數(shù)項是沒有必要的”1922年蘇聯(lián)科學家弗里德曼重新求解了愛因斯坦的引力方程，認為愛因斯坦引入的“宇宙常數(shù)項”完全沒有必要，并建立了“弗里德曼宇宙模型”，認為宇宙的演化與宇宙物質的平均密度和臨界密度有關。弗里德曼的膨脹曲線開平閉開放的宇宙永遠膨脹，閉宇宙膨脹后會再次收縮開：雙曲型開放宇宙，宇宙曲率為負平：歐幾里得型平直的開放宇宙，曲率為零；閉：沒有邊界、體積有限的閉合宇宙，宇宙空間曲率為正。又是一個挑戰(zhàn)！我們生活于其中的宇宙會不斷的膨脹，或者到了一定的時候還會收縮，由此意味著宇宙有個開端，或者還有末日！這實在是太奇妙了。愛因斯坦認識到弗里德曼工作的重要意義，認為自己在引力方程中引入“宇宙項”的做法是最愚蠢的。但是，這種“膨脹的宇宙”如何能得到證明呢？2.歷史轉折：哈勃發(fā)現(xiàn)星系紅移大概從1910年起，天文學家們在研究河外星系的光譜時，發(fā)現(xiàn)有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象。到1917年，事情變得很清楚，除了少數(shù)幾個離地球近的星系，所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。星系越遠，紅移越顯著。1929年美國天文學家哈勃提出了著名的“哈勃定律”，宣布星系的退行速度與距離大致成線性關系V=H0D，H0稱為哈勃常數(shù)，現(xiàn)在確定其值為50公里/（秒·百萬秒差距）。

多普勒效應(DopplerEffects)多普勒效應速度和波長的關系；日常經(jīng)驗：飛馳而來的火車，音調升高，當背你而去時，音調降低。音調：波長（波峰之間的距離）和頻率（每秒鐘的波動數(shù)目）

多普勒效應對應于光波也是正確的

哈勃的偉大發(fā)現(xiàn)哈勃是繼哥白尼以后最偉大的天文學家……他發(fā)現(xiàn)了星系，指出它們具有宇宙大規(guī)模尺度的特征。后來又發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹，這些都是非常偉大的里程碑，也確定了他在歷史上的位置。EdwinHubble,1889-1953“諾貝爾獎”的遺憾20世紀40年代和50年代初，由于哈勃在天文學方面的巨大貢獻和影響，有人倡議授予哈勃諾貝爾物理學獎。但諾貝爾獎評委會中一些保守者說，獲獎學科不能隨便跨越。于是，哈勃終于與諾貝爾獎無緣。但是到了1953年哈勃去世后，瑞典的評委會卻追悔莫及：哈勃不能獲獎不但是他本人的遺憾，也是諾貝爾獎的遺憾。但去世的人不能得獎，這個原則又是不能改變的。

遨游太空的

哈勃望遠鏡

直徑2.4米，長13米，重9.98噸。1990年由“發(fā)現(xiàn)者”號送上天空。耀眼的星體美麗的星空3.大爆炸宇宙論的提出星系紅移（redshift）逆向思維：在過去的某一時刻，宇宙中所有物質應該是彼此緊密地聚集在一點的！膨脹宇宙“給我一個原子，我就可以用它建造出一個宇宙”—勒梅特1932年，比利時的主教、天文學與宇宙學家勒梅特根據(jù)哈勃的發(fā)現(xiàn)，提出了原始原子爆炸的宇宙模型，他認為，現(xiàn)在觀測到宇宙是由一個極端壓縮狀態(tài)的巨大的原始原子通過一系列相繼的裂變過程而形成的。這一過程經(jīng)歷了三個膨脹階段：快速膨脹期、慢速膨脹期、加速膨脹期。描述了一個膨脹著的、物質分布均勻的、各項同性的宇宙。伽莫夫：大爆炸學說的真正奠基人1948年美籍蘇聯(lián)物理學家伽莫夫提出“大爆炸”宇宙學說。這種理論認為，今天所看到的宇宙的膨脹現(xiàn)象，如果隨著時間追溯上去，將開始于一次強烈的爆炸，爆炸時的宇宙是極其致密的，而且處于一種超高溫狀態(tài)。一個預言伽莫夫預言：現(xiàn)今宇宙背景中應當留有當初大爆炸殘留下來的熱輻射。伽莫夫的學生阿爾弗和核物理學家赫爾曼經(jīng)過推算指出：早期宇宙遺留下來的背景輻射至今已經(jīng)很微弱了，其譜分布大體對應于絕對溫度為5K的黑體輻射—“坑灰雖冷，余燼猶在”！。但是，人們對這一預言并沒有在意，就是作者本人也沒有繼續(xù)走下去！而兩位與此毫不相干的無線電通訊工程師卻發(fā)現(xiàn)了，并因此而獲得諾貝爾獎！20世紀60年代，為了實現(xiàn)通過人造衛(wèi)星進行無線電通訊的目的，美國貝爾電話實驗室研制低噪聲接受系統(tǒng)，首先要找出空間中存在的各種可能干擾通訊的噪聲源。實驗室中的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜的工作任務就是如何降低來自各種可能的噪聲，為此，他們改進了一個喇叭形無線電接受器，并使其保持在絕對溫度在4K的溫度下，這樣，電路各部件的噪聲溫度大大降低，從而提高了測量的精度。4.他們聽到了……測量背景輻射的喇叭天線“天籟之音！”1964年5月，他們發(fā)現(xiàn)了波長7.35厘米微波噪聲（相當于3.5K的黑體輻射），這個噪聲的特點：各向同性、無偏振、不隨季節(jié)變化！他們無法解釋：因為這種噪聲沒有輻射源。一天，彭齊亞斯為別的事打電話給MIT射電天文學家伯克教授，順便談到他們了一直使他們感到煩心的“噪聲”，沒想到，伯克說“你們的發(fā)現(xiàn)太重要了！”建議他們同普林斯頓大學的物理學家迪克談談，因為，他正在讀迪克小組的一篇關于宇宙學論文的預印本，其中談到了宇宙背景的噪聲！迪克的遺憾！原來，迪克領導一個宇宙學研究小組，1945年，在測量月球、太陽的微波輻射時，發(fā)現(xiàn)天體背景也有輻射，輻射溫度上限約為20K,他們設想，這可能代表了宇宙中所有星系物質的總輻射。1946年他們將這一發(fā)現(xiàn)寫成論文發(fā)表在《物理學評論》，但是，他們不知道，20年前，這份雜志已經(jīng)發(fā)表了伽莫夫的論文，其中一個推論就是宇宙中可能存在殘余的微波背景輻射。20年后，他們關注到伽莫夫的“預言”，既然宇宙存在背景輻射，就應該能夠捕捉到這種“噪聲”。因此，他們準備用喇叭形天線裝配一臺靈敏的輻射計，用以測量宇宙背景輻射。大爆炸“余燼”的存在被首次證實！

但是正當他們剛剛開始這項工作的時候，接到了彭齊亞斯的電話！迪克立即帶領一個小組訪問了貝爾電話實驗室，他們發(fā)現(xiàn)，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的“噪聲”不是別的，正是他們自己準備尋找的宇宙背景輻射！六個月后，迪克小組用自己的輻射計在3.2厘米波長處也發(fā)現(xiàn)了3k背景輻射！1978年，貝爾實驗室彭齊亞斯和威爾遜因首次測量到3K宇宙背景輻射而獲得諾貝爾物理學獎?！盁o心插柳”大爆炸理論的檢驗一、河外天體的譜線紅移（哈勃）二、宇宙年齡的推算（小于200億年）三、氦元素的豐度（25%）四、宇宙微波背景3K輻射

—“這是一項帶有根本意義的發(fā)現(xiàn)，它使我們能夠獲得很久以前、在宇宙創(chuàng)生時期所發(fā)生的宇宙過程的信息?！保ㄈ鸬淇茖W院頒獎決定）

—但這對于伽莫夫、迪克似乎有點不公平！“宇宙蛋”（宇宙背景的不均勻輻射）“宇宙的創(chuàng)生”大爆炸開始時

150－200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。大爆炸后10-43秒

宇宙從量子背景出現(xiàn)。大爆炸后10-35秒

同一場分解為強力、電弱力和引力。大爆炸后10-5秒

10萬億度，質子和中子形成。大爆炸后0.01秒

1000億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。大爆炸后0.1秒300億度，中子質子比從1.0下降到0.61。

宇宙的創(chuàng)生大爆炸后1秒后

100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質子。大爆炸后13.8秒后

30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學元素）形成。大爆炸后35分鐘后

3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30萬年后

3000度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。

5、沒有完結的歷史

在解釋宇宙起源上，大爆炸學說取得了很大的成功，但是，仍然有許多的疑難尚未解決。其中最大的困難是宇宙的“奇點”問題。宇宙的膨脹有一個開端，在開端處，時間和空間縮為一點，物質密度為無限大，溫度為無限高，這一點在數(shù)學上稱為“奇點”。對宇宙“奇點”的研究，引出了又一位科學巨人—“輪椅上的巨人”—霍金！霍金與黑洞理論1942年1月8日出生于劍橋；1963年被診斷患有肌肉萎縮性疾病；1965年，研究黑洞獲得博士學位；1974年提出霍金輻射，成為英國皇家學會會員1988年出版《時間簡史》什么是黑洞？（blackhole)愛因斯坦預言：質量大于太陽3倍的物體，將會發(fā)生坍縮，以致于到這一程度，它的周圍的時空發(fā)生彎曲，從而使星體中央的物質無法逃逸出來。光線從它的附近經(jīng)過將會發(fā)生偏轉，因此光輻射中的光子或電磁能量束將圍繞恒星的中心運動，這就意味著即使是光也無法從中逃逸。其結果將是一顆冰冷或黑暗的星?！春髞硭Q的“黑洞”。引力坍縮形成黑洞。1)在一個燃燒核燃料的大質量恒星周圍的時空翹曲2）隨著恒星收縮時空越發(fā)翹曲3）時間在黑洞內(nèi)終結霍金的重要貢獻是建立了黑洞的力學定律，即“奇點理論”

—宇宙的膨脹是從奇點開始的。