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(lán)天白云，碧空廣袤浩瀚；群星璀璨，河漢深不可測(cè)；宇宙為何是這個(gè)樣子？它從何處而來？又向何處而去？宇宙會(huì)有開端嗎？時(shí)間會(huì)有終結(jié)嗎？一個(gè)著名的傳說相傳羅素在作過一次關(guān)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(gè)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?。　?.簡(jiǎn)短的歷史回顧中國(guó)：盤古開天辟地印度：“象-龜”模型希臘：地球在水上浮動(dòng)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(gè)問題的人準(zhǔn)備地獄！”笛卡爾的“漩渦學(xué)說”宇宙空間充滿了物質(zhì)微?！耙蕴?，以太的漩渦運(yùn)動(dòng)促使物質(zhì)向中心聚集，從而形成太陽(yáng)，其余物質(zhì)慢慢形成了地球和其他行星，殘余的物質(zhì)則形成了透明的天空。康德-拉普拉斯的“星云假說”德國(guó)哲學(xué)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(yáng)系演化的星云假說。后來，為拉普拉斯修正和完善。至今，這個(gè)假說仍被視為對(duì)哲學(xué)和自然科學(xué)有巨大影響和推動(dòng)作用的學(xué)說。(ImmanuelKant，1724-1804)康德－拉普拉斯“星云假說”太陽(yáng)系一開始可能是一團(tuán)巨大的旋轉(zhuǎn)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(yáng)從同一方向從東向西在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的事實(shí)。困擾人們的問題？走出太陽(yáng)系，放眼宇宙，首先遇到的問題是：恒星距離我們有多遠(yuǎn)？銀河系的結(jié)構(gòu)是怎樣的？銀河系之外是怎樣的世界？整個(gè)宇宙是有限的？還是無限的？宇宙是無限的嗎？?jī)蓚€(gè)悖論如果宇宙是無限大的，其中就有無數(shù)個(gè)恒星，按照牛頓萬有引力定律，宇宙空間中任何給定兩點(diǎn)的引力就可能很大或無限大，因此，任意一點(diǎn)的引力勢(shì)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(fù)存在，因?yàn)槟阆蛉魏我粋€(gè)方向望去，總能看到一個(gè)恒星。—奧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(gè)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(gè)白癡才希望有個(gè)答案。愛因斯坦的失誤1917年，愛因斯坦在“根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所作的考查”一文中通過求解廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程，引入了宇宙常數(shù)項(xiàng)，建立了一個(gè)“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(zhì)基本上是靜止不動(dòng)的；有限無界：宇宙空間是三維的，它的大小有限，光線在這個(gè)空間中沿著彎曲路徑傳播，始終不會(huì)有它的終點(diǎn)，即這個(gè)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(xiàng)是沒有必要的”1922年蘇聯(lián)科學(xué)家弗里德曼重新求解了愛因斯坦的引力方程，認(rèn)為愛因斯坦引入的“宇宙常數(shù)項(xiàng)”完全沒有必要，并建立了“弗里德曼宇宙模型”，認(rèn)為宇宙的演化與宇宙物質(zhì)的平均密度和臨界密度有關(guān)。弗里德曼的膨脹曲線開平閉開放的宇宙永遠(yuǎn)膨脹，閉宇宙膨脹后會(huì)再次收縮開：雙曲型開放宇宙，宇宙曲率為負(fù)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(gè)挑戰(zhàn)！我們生活于其中的宇宙會(huì)不斷的膨脹，或者到了一定的時(shí)候還會(huì)收縮，由此意味著宇宙有個(gè)開端，或者還有末日！這實(shí)在是太奇妙了。愛因斯坦認(rèn)識(shí)到弗里德曼工作的重要意義，認(rèn)為自己在引力方程中引入“宇宙項(xiàng)”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(zhuǎn)折：哈勃發(fā)現(xiàn)星系紅移大概從1910年起，天文學(xué)家們?cè)谘芯亢油庑窍档墓庾V時(shí)，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(gè)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(yuǎn)，紅移越顯著。1929年美國(guó)天文學(xué)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(guān)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(yīng)(DopplerEffects)多普勒效應(yīng)速度和波長(zhǎng)的關(guān)系；日常經(jīng)驗(yàn)：飛馳而來的火車，音調(diào)升高，當(dāng)背你而去時(shí)，音調(diào)降低。音調(diào)：波長(zhǎng)（波峰之間的距離）和頻率（每秒鐘的波動(dòng)數(shù)目）

多普勒效應(yīng)對(duì)應(yīng)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(xué)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(jiǎng)”的遺憾20世紀(jì)40年代和50年代初，由于哈勃在天文學(xué)方面的巨大貢獻(xiàn)和影響，有人倡議授予哈勃諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)中一些保守者說，獲獎(jiǎng)學(xué)科不能隨便跨越。于是，哈勃終于與諾貝爾獎(jiǎng)無緣。但是到了1953年哈勃去世后，瑞典的評(píng)委會(huì)卻追悔莫及：哈勃不能獲獎(jiǎng)不但是他本人的遺憾，也是諾貝爾獎(jiǎng)的遺憾。但去世的人不能得獎(jiǎng)，這個(gè)原則又是不能改變的。

遨游太空的

哈勃望遠(yuǎn)鏡

直徑2.4米，長(zhǎng)13米，重9.98噸。1990年由“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)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(shí)刻，宇宙中所有物質(zhì)應(yīng)該是彼此緊密地聚集在一點(diǎn)的！膨脹宇宙“給我一個(gè)原子，我就可以用它建造出一個(gè)宇宙”—勒梅特1932年，比利時(shí)的主教、天文學(xué)與宇宙學(xué)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(rèn)為，現(xiàn)在觀測(cè)到宇宙是由一個(gè)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(gè)膨脹階段：快速膨脹期、慢速膨脹期、加速膨脹期。描述了一個(gè)膨脹著的、物質(zhì)分布均勻的、各項(xiàng)同性的宇宙。伽莫夫：大爆炸學(xué)說的真正奠基人1948年美籍蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫提出“大爆炸”宇宙學(xué)說。這種理論認(rèn)為，今天所看到的宇宙的膨脹現(xiàn)象，如果隨著時(shí)間追溯上去，將開始于一次強(qiáng)烈的爆炸，爆炸時(shí)的宇宙是極其致密的，而且處于一種超高溫狀態(tài)。一個(gè)預(yù)言伽莫夫預(yù)言：現(xiàn)今宇宙背景中應(yīng)當(dāng)留有當(dāng)初大爆炸殘留下來的熱輻射。伽莫夫的學(xué)生阿爾弗和核物理學(xué)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(duì)應(yīng)于絕對(duì)溫度為5K的黑體輻射—“坑灰雖冷，余燼猶在”！。但是，人們對(duì)這一預(yù)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(jiǎng)！20世紀(jì)60年代，為了實(shí)現(xiàn)通過人造衛(wèi)星進(jìn)行無線電通訊的目的，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜的工作任務(wù)就是如何降低來自各種可能的噪聲，為此，他們改進(jìn)了一個(gè)喇叭形無線電接受器，并使其保持在絕對(duì)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(cè)量的精度。4.他們聽到了……測(cè)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(zhǎng)7.35厘米微波噪聲（相當(dāng)于3.5K的黑體輻射），這個(gè)噪聲的特點(diǎn)：各向同性、無偏振、不隨季節(jié)變化！他們無法解釋：因?yàn)檫@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(xué)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(xué)的物理學(xué)家迪克談?wù)?，因?yàn)椋谧x迪克小組的一篇關(guān)于宇宙學(xué)論文的預(yù)印本，其中談到了宇宙背景的噪聲！迪克的遺憾！原來，迪克領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)宇宙學(xué)研究小組，1945年，在測(cè)量月球、太陽(yáng)的微波輻射時(shí)，發(fā)現(xiàn)天體背景也有輻射，輻射溫度上限約為20K,他們?cè)O(shè)想，這可能代表了宇宙中所有星系物質(zhì)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(xué)評(píng)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(gè)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(guān)注到伽莫夫的“預(yù)言”，既然宇宙存在背景輻射，就應(yīng)該能夠捕捉到這種“噪聲”。因此，他們準(zhǔn)備用喇叭形天線裝配一臺(tái)靈敏的輻射計(jì)，用以測(cè)量宇宙背景輻射。大爆炸“余燼”的存在被首次證實(shí)！

但是正當(dāng)他們剛剛開始這項(xiàng)工作的時(shí)候，接到了彭齊亞斯的電話！迪克立即帶領(lǐng)一個(gè)小組訪問了貝爾電話實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)備尋找的宇宙背景輻射！六個(gè)月后，迪克小組用自己的輻射計(jì)在3.2厘米波長(zhǎng)處也發(fā)現(xiàn)了3k背景輻射！1978年，貝爾實(shí)驗(yàn)室彭齊亞斯和威爾遜因首次測(cè)量到3K宇宙背景輻射而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！盁o心插柳”大爆炸理論的檢驗(yàn)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(xiàng)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(shí)期所發(fā)生的宇宙過程的信息。”（瑞典科學(xué)院頒獎(jiǎng)決定）

—但這對(duì)于伽莫夫、迪克似乎有點(diǎn)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(shí)

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(chǎng)分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。大爆炸后10-5秒

10萬億度，質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。大爆炸后13.8秒后

30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)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(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，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(jié)的歷史

在解釋宇宙起源上，大爆炸學(xué)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(diǎn)”問題。宇宙的膨脹有一個(gè)開端，在開端處，時(shí)間和空間縮為一點(diǎn)，物質(zhì)密度為無限大，溫度為無限高，這一點(diǎn)在數(shù)學(xué)上稱為“奇點(diǎn)”。對(duì)宇宙“奇點(diǎn)”的研究，引出了又一位科學(xué)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?。?965年，研究黑洞獲得博士學(xué)位；1974年提出霍金輻射，成為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員1988年出版《時(shí)間簡(jiǎn)史》什么是黑洞？（blackhole)愛因斯坦預(yù)言：質(zhì)量大于太陽(yáng)3倍的物體，將會(huì)發(fā)生坍縮，以致于到這一程度，它的周圍的時(shí)空發(fā)生彎曲，從而使星體中央的物質(zhì)無法逃逸出來。光線從它的附近經(jīng)過將會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此光輻射中的光子或電磁能量束將圍繞恒星的中心運(yùn)動(dòng)，這就意味著即使是光也無法從中逃逸。其結(jié)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(gè)燃燒核燃料的大質(zhì)量恒星周圍的時(shí)空翹曲2）隨著恒星收縮時(shí)空越發(fā)翹曲3）時(shí)間在黑洞內(nèi)終結(jié)霍金的重要貢獻(xiàn)是建立了黑洞的力學(xué)定律，即“奇點(diǎn)理論”

—宇宙的膨脹是從奇點(diǎn)開始的。