王老师
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宇宙的起源
宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称. 宇宙是物质世界,它处于不断的运动和发展中.
《淮南子.原道训》注：“四方上下曰宇,古往今来曰宙,以喻天地.”即宇宙是天地万物的总称.
千百年来,科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的.直到今天,科学家们才确信,宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的.
在爆炸发生之前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大,之后发生了大爆炸.
大爆炸使物质四散出击,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降,后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的.
然而,大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释,“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西?
“大爆炸理论”是伽莫夫于1946年创建的.它是现代宇宙系中最有影响的一种学说,又称大爆炸宇宙学.与其他宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实.它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史.在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化.这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发.
根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上.物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡.宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质.但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降.当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的.温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束.
宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核.当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙.
大爆炸宇宙学
大爆炸宇宙学是现代宇宙学中最有影响的一种学说,与其它宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实.它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史.在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化.这一从冷到热,从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发.
根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上.物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡.宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质.但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降.当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的.
温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束.宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核.当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙.
大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实：
1、大爆炸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.
2、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.
3、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又如此多的氦.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.
4、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.大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言今天的宇宙已经很冷,只有绝对温度几度.1965年,果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射,温度大约为3K.这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符.但是,在星系的起源和各向同性分布等方面,大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题.
宇宙自然选择学说简介
为什么宇宙会是我们观测到的这副样子?为什么它具有目前已测知的那些基本常数值?80年代初,在宇宙创生大爆炸框架下发展了目前最流行的暴胀宇宙模型：宇宙在大爆炸后不到1秒的时间里膨胀了大约10-30倍,大约和橘子一般大小,然后开始以较稳定的膨胀速率,直到现在,大约150亿年,成为目前的样子.在这个过程中,物质“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命.这个模型暴胀期的长短是个关键.若稍短,物质为充分散开,原生宇宙就有重新坍缩为起点；若稍长,原生宇宙的物质则过于分散,形不成星系和恒星,自然也就不会出现生命和人类.因此出现了暴胀为何如此精确的问题,按照现行的物理学基本定律,大爆炸产生的宇宙其“自然尺寸”应该只有亚原子大小,即普克郎长度10 ^－35量级,而这样的宇宙是短命的.前苏联科学家林德提出“自我增殖的宇宙”概念——“最有可能的是,我们正在研究的宇宙是由早期的若干宇宙所形成的.”1987年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型,两个大宇宙通过一个细“管子”连接起来,这个细管子称为“虫洞”,大宇宙为母宇宙,可能存在着从母宇宙分岔出去的另一端是自由的虫洞,这样的管子成为子宇宙、婴儿宇宙.就是说除了我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙.1992年,萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说.母宇宙是空间闭合的,犹如一个黑洞,该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点,奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙.这个学说的要点是,子宇宙中的物理常数较之母宇宙的物理常数会有小的、或强或弱的随机变异,新生的婴儿宇宙在再次坍缩成奇点前能膨胀到几倍普克郎长度大小,随机变异的物理常数有可能允许小小的暴胀,子宇宙可变的较大,当它足够大时,可分隔为两个或更多的不同区域,每个区域又坍缩为一个新的奇点,新奇点又触发下一代的子宇宙,如此时代相传,有的小宇宙重又坍缩,有的具有某些基本常数值的宇宙能更有效的产生许多黑洞,从而较具有其他某些基本常数值的宇宙留下更多的后代,借用生物进化论的术语,它们是被“自然选择”下来的,经“选择”作用,产生越来越多的黑洞,也就形成了更多的宇宙.如果宇宙确是由以前的宇宙世代经过这种“自然选择”而产生的话,那么应该预期我们生存在其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数值.这个学说的另一要点是关于恒星的存在.在许多情况下,恒星是黑洞的前身.在气体和尘埃云中,恒星仍在形成.在碳尘埃微粒表面进行着的化学反应使气体冷却并促使气云坍缩.但碳尘埃粒子是从那里来的呢?斯莫林指出碳元素是由核聚变反应产生的这一情况只有在质子的质量稍大于中子的质量时才会发生,如果两者质量之差比氦核的结合能大的多,则质子和中子不可能粘在一起形成氦核,没有氦,聚变反应链在第一阶段便终止了,根本形不成更重的元素,从而使恒星将少得多,自然也不会有多少黑洞,因此在任何一个宇宙中,若其中质子与中子的质量相差较大,将只能产生很少的宇宙,也就没有什么“选择”的余地了
