宇宙的形成與演化

1、漫談?dòng)钪娲蟊ㄅc黑洞“大爆炸宇宙論”認(rèn)為：宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于137億年前一次大爆炸后膨脹形成的。11927年，比利時(shí)天主教神父勒梅特（Georges Lematre）首次提出了宇宙大爆炸假說。1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃根據(jù)假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導(dǎo)出星系都在互相遠(yuǎn)離的宇宙膨脹說。現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說。它的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，如同一次規(guī)模巨大的爆炸。該理論的創(chuàng)始人之一是伽莫夫。1946年美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認(rèn)為宇宙由大約140億年前發(fā)生的一

2、次大爆炸形成。 大爆炸理論的建立基于了兩個(gè)基本假設(shè)：物理定律的普適性和宇宙學(xué)原理。宇宙學(xué)原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。這些觀點(diǎn)起初是作為先驗(yàn)的公理被引入的，但現(xiàn)今已有相關(guān)研究工作試圖對(duì)它們進(jìn)行驗(yàn)證。例如對(duì)第一個(gè)假設(shè)而言，已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)在宇宙誕生以來的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的相對(duì)誤差值不會(huì)超過10(-5)。此外，通過對(duì)太陽(yáng)系和雙星系統(tǒng)的觀測(cè)，廣義相對(duì)論已經(jīng)得到了非常精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；而在更廣闊的宇宙學(xué)尺度上，大爆炸理論在多個(gè)方面經(jīng)驗(yàn)性取得的成功也是對(duì)廣義相對(duì)論的有力支持。微波輻射（1978年諾貝爾物理獎(jiǎng)）早在四十年代末，大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫認(rèn)為，我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的

3、殘余輻射中，其溫度約為6K。正如一個(gè)火爐雖然不再有火了，還可以冒一點(diǎn)熱氣。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為觀測(cè)宇宙開辟了一個(gè)新領(lǐng)域，也為各種宇宙模型提供了一個(gè)新的觀測(cè)約束，它因此被列為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一。彭齊亞斯和威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典科學(xué)院在頒獎(jiǎng)決定中指出：這一發(fā)現(xiàn)，使我們能夠獲得很久以前宇宙創(chuàng)生時(shí)期所發(fā)生的宇宙過程的信息。 宇宙大爆炸與黑洞黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無(wú)限大，體積無(wú)限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會(huì)失效。1916年,德國(guó)天文學(xué)家卡爾史瓦西（Karl Schwarzschild,18731916年）通過計(jì)算得到了愛因斯坦

4、引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解,這個(gè)解表明,如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn),其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象,即在質(zhì)點(diǎn)周圍存在一個(gè)界面“視界”一旦進(jìn)入這個(gè)界面,即使光也無(wú)法逃脫.這種“不可思議的天體”被美國(guó)物理學(xué)家約翰阿奇巴德惠勒（John Archibald Wheeler）命名為“黑洞”黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。黑洞的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)極為強(qiáng)勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個(gè)事件視界（臨界點(diǎn)）內(nèi)，便再無(wú)法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出。 科學(xué)家最新研究理論顯示，當(dāng)黑洞死亡時(shí)可能會(huì)變成一個(gè)“白洞”，它

5、不像黑洞吞噬鄰近所有物質(zhì)，而是噴射之前黑洞捕獲的所有物質(zhì)?？茖W(xué)家猜測(cè)穿過黑洞可能會(huì)到達(dá)另一個(gè)空間，甚至是時(shí)空。黑洞就是中心的一個(gè)密度無(wú)限大、時(shí)空曲率無(wú)限高、體積無(wú)限小的奇點(diǎn)和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個(gè)天區(qū)范圍之內(nèi)不可見。依據(jù)阿爾伯特-愛因斯坦的相對(duì)論，當(dāng)一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點(diǎn)，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。黑洞理論與大爆炸在物理上的解釋愛因斯坦引力場(chǎng)方程：說明：這是一個(gè)二階張量方程，為里契張量表示了空間的彎曲狀況。為能量-動(dòng)量張量，表示了物質(zhì)分布和運(yùn)動(dòng)狀況。為度規(guī)意義：空間物質(zhì)的能量-動(dòng)量（）分布=空間的彎曲狀況（）解的形式是：，式中A,B,C,D為度規(guī)分

6、量?？紤]能量動(dòng)量張量的解比較復(fù)雜。最簡(jiǎn)單的就是讓等于0，對(duì)于真空靜止球?qū)ΨQ外部的情況，則有史瓦西外解。如果是該球體內(nèi)部的情況，或者是考慮球體軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)，就稍微復(fù)雜一點(diǎn)。還有更復(fù)雜的星云內(nèi)部或外部的情況，星云內(nèi)部的星球還要運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等。這些因素都要影響到星云內(nèi)部的曲面空間。史瓦西半徑：史瓦西半徑是任何具有質(zhì)量的物質(zhì)都存在的一個(gè)臨界半徑特征值。在物理學(xué)和天文學(xué)中，尤其在萬(wàn)有引力理論、廣義相對(duì)論中它是一個(gè)非常重要的概念。1916年卡爾史瓦西首次發(fā)現(xiàn)了史瓦西半徑的存在，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)半徑是一個(gè)球狀對(duì)稱、不自轉(zhuǎn)的物體的重力場(chǎng)的精確解。 一個(gè)物體的史瓦西半徑與其質(zhì)量成正比。太陽(yáng)的史瓦西半徑約為3千米，地球的

7、史瓦西半徑只有約9毫米。 霍金與宇宙時(shí)間簡(jiǎn)史的副題是從大爆炸到黑洞。史蒂芬威廉霍金認(rèn)為他一生的貢獻(xiàn)是在經(jīng)典物理的框架里，證明了黑洞和大爆炸奇點(diǎn)的不可避免性，黑洞越變?cè)酱螅诹孔游锢淼目蚣芾?，他指出，黑洞因輻射而越變?cè)叫?，大爆炸的奇點(diǎn)不斷被量子效應(yīng)所抹平，而且整個(gè)宇宙空間正是起始于此。理論物理學(xué)的細(xì)節(jié)在未來的20年中還會(huì)有變化，但就觀念而言，已經(jīng)相當(dāng)完備了。2004年7月21日，在愛爾蘭都柏林舉行的“第17屆國(guó)際廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力大會(huì)”上，英國(guó)傳奇科學(xué)家斯蒂芬霍金教授宣布了他對(duì)宇宙黑洞的最新研究結(jié)果，霍金的態(tài)度來了個(gè)180度轉(zhuǎn)彎，表示自己原來的觀點(diǎn)錯(cuò)了，信息應(yīng)該守恒：黑洞并非如他和其他大多數(shù)物理學(xué)家以前認(rèn)為的那樣，對(duì)其周遭的一切“完全吞食”，事實(shí)上被吸入黑洞深處的物質(zhì)的某些信息實(shí)際上可能會(huì)在某個(gè)時(shí)候釋放出來：信息守恒。 作為物理專業(yè)的學(xué)生，宇宙的各種各樣的信息在我們的課余時(shí)間總是一個(gè)值得談?wù)摰膯栴}。關(guān)于宇宙，是目前天體物理學(xué)仍然堅(jiān)持的一個(gè)研究方向，從粒子物理中希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，引出了宇宙的形成；從研究黑洞和奇點(diǎn)中，我們可以與探索到宇宙的開端和結(jié)尾；從研究宇宙微波輻射和紅移，我們了解