宇宙的起源
宇宙是廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱. 宇宙是物質(zhì)世界,它處于不斷的運動和發(fā)展中.
《淮南子.原道訓(xùn)》注：“四方上下曰宇,古往今來曰宙,以喻天地.”即宇宙是天地萬物的總稱.
千百年來,科學(xué)家們一直在探尋宇宙是什么時候、如何形成的.直到今天,科學(xué)家們才確信,宇宙是由大約150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的.
在爆炸發(fā)生之前,宇宙內(nèi)的所存物質(zhì)和能量都聚集到了一起,并濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大,之后發(fā)生了大爆炸.
大爆炸使物質(zhì)四散出擊,宇宙空間不斷膨脹,溫度也相應(yīng)下降,后來相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的.
然而,大爆炸而產(chǎn)生宇宙的理論尚不能確切地解釋,“在所存物質(zhì)和能量聚集在一點上”之前到底存在著什么東西?
“大爆炸理論”是伽莫夫于1946年創(chuàng)建的.它是現(xiàn)代宇宙系中最有影響的一種學(xué)說,又稱大爆炸宇宙學(xué).與其他宇宙模型相比,它能說明較多的觀測事實.它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史.在這個時期里,宇宙體系并不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質(zhì)密度從密到稀地演化.這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā).
根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點,大爆炸的整個過程是：在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上.物質(zhì)密度也相當大,整個宇宙體系達到平衡.宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì).但是因為整個體系在不斷膨脹,結(jié)果溫度很快下降.當溫度降到10億度左右時,中子開始失去自由存在的條件,它要么發(fā)生衰變,要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素；化學(xué)元素就是從這一時期開始形成的.溫度進一步下降到100萬度后,早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束.
宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核.當溫度降到幾千度時,輻射減退,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),氣體逐漸凝聚成氣云,再進一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天看到的宇宙.
大爆炸宇宙學(xué)
大爆炸宇宙學(xué)是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說,與其它宇宙模型相比,它能說明較多的觀測事實.它的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史.在這個時期里,宇宙體系并不是靜止的,而是在不斷地膨脹,使物質(zhì)密度從密到稀地演化.這一從冷到熱,從密到稀的過程如同一次規(guī)模很大的爆發(fā).
根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點,大爆炸的整個過程是：在宇宙的早期,溫度極高,在100億度以上.物質(zhì)密度也相當大,整個宇宙體系達到平衡.宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì).但是因為整個體系在不斷膨脹,結(jié)果溫度很快下降.當溫度降到10億度左右時,中子開始失去自由存在的條件,它要么發(fā)生衰變,要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素；化學(xué)元素就是從這一時期開始形成的.
溫度進一步下降到100萬度后,早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束.宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核.當溫度降到幾千度時,輻射減退,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),氣體逐漸凝聚成氣云,再進一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天看到的宇宙.
大爆炸模型能統(tǒng)一說明以下幾個觀測事實：
1、大爆炸理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的,因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度至今天這一段時間為短,即應(yīng)小于200億年.各種天體年齡的測量證明了這一點.
2、觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比.如果用多普勒效應(yīng)來解釋,那么紅移就是宇宙膨脹的反映.
3、在各種不同天體上,氦豐度相當大,而且大都是30％.用恒星核反應(yīng)機制不足以說明為什么又如此多的氦.而根據(jù)大爆炸理論,早期溫度很高,產(chǎn)生氦的效率也很高,則可以說明這一事實.
4、根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等,可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度.大爆炸理論的創(chuàng)始人之一伽莫夫曾預(yù)言今天的宇宙已經(jīng)很冷,只有絕對溫度幾度.1965年,果然在微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射,溫度大約為3K.這一結(jié)果無論在定性上或者定量上都與大爆炸理論的預(yù)言相符.但是,在星系的起源和各向同性分布等方面,大爆炸宇宙學(xué)還存在一些未解決的困難問題.
宇宙自然選擇學(xué)說簡介
為什么宇宙會是我們觀測到的這副樣子?為什么它具有目前已測知的那些基本常數(shù)值?80年代初,在宇宙創(chuàng)生大爆炸框架下發(fā)展了目前最流行的暴脹宇宙模型：宇宙在大爆炸后不到1秒的時間里膨脹了大約10-30倍,大約和橘子一般大小,然后開始以較穩(wěn)定的膨脹速率,直到現(xiàn)在,大約150億年,成為目前的樣子.在這個過程中,物質(zhì)“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命.這個模型暴脹期的長短是個關(guān)鍵.若稍短,物質(zhì)為充分散開,原生宇宙就有重新坍縮為起點；若稍長,原生宇宙的物質(zhì)則過于分散,形不成星系和恒星,自然也就不會出現(xiàn)生命和人類.因此出現(xiàn)了暴脹為何如此精確的問題,按照現(xiàn)行的物理學(xué)基本定律,大爆炸產(chǎn)生的宇宙其“自然尺寸”應(yīng)該只有亞原子大小,即普克郎長度10 ^－35量級,而這樣的宇宙是短命的.前蘇聯(lián)科學(xué)家林德提出“自我增殖的宇宙”概念——“最有可能的是,我們正在研究的宇宙是由早期的若干宇宙所形成的.”1987年霍金進一步提出了“嬰兒宇宙”模型,兩個大宇宙通過一個細“管子”連接起來,這個細管子稱為“蟲洞”,大宇宙為母宇宙,可能存在著從母宇宙分岔出去的另一端是自由的蟲洞,這樣的管子成為子宇宙、嬰兒宇宙.就是說除了我們生存的宇宙之外還可能存在著眾多的由蟲洞連接起來的其他宇宙.1992年,薩莫林在前人基礎(chǔ)上提出了宇宙自然選擇學(xué)說.母宇宙是空間閉合的,猶如一個黑洞,該黑洞在生存了一段時間后坍縮為一個奇點,奇點又會反彈爆炸膨脹為新的下一代宇宙.這個學(xué)說的要點是,子宇宙中的物理常數(shù)較之母宇宙的物理常數(shù)會有小的、或強或弱的隨機變異,新生的嬰兒宇宙在再次坍縮成奇點前能膨脹到幾倍普克郎長度大小,隨機變異的物理常數(shù)有可能允許小小的暴脹,子宇宙可變的較大,當它足夠大時,可分隔為兩個或更多的不同區(qū)域,每個區(qū)域又坍縮為一個新的奇點,新奇點又觸發(fā)下一代的子宇宙,如此時代相傳,有的小宇宙重又坍縮,有的具有某些基本常數(shù)值的宇宙能更有效的產(chǎn)生許多黑洞,從而較具有其他某些基本常數(shù)值的宇宙留下更多的后代,借用生物進化論的術(shù)語,它們是被“自然選擇”下來的,經(jīng)“選擇”作用,產(chǎn)生越來越多的黑洞,也就形成了更多的宇宙.如果宇宙確是由以前的宇宙世代經(jīng)過這種“自然選擇”而產(chǎn)生的話,那么應(yīng)該預(yù)期我們生存在其中的宇宙會具有所觀測到的樣子并正好具有目前測知的基本常數(shù)值.這個學(xué)說的另一要點是關(guān)于恒星的存在.在許多情況下,恒星是黑洞的前身.在氣體和塵埃云中,恒星仍在形成.在碳塵埃微粒表面進行著的化學(xué)反應(yīng)使氣體冷卻并促使氣云坍縮.但碳塵埃粒子是從那里來的呢?斯莫林指出碳元素是由核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的這一情況只有在質(zhì)子的質(zhì)量稍大于中子的質(zhì)量時才會發(fā)生,如果兩者質(zhì)量之差比氦核的結(jié)合能大的多,則質(zhì)子和中子不可能粘在一起形成氦核,沒有氦,聚變反應(yīng)鏈在第一階段便終止了,根本形不成更重的元素,從而使恒星將少得多,自然也不會有多少黑洞,因此在任何一個宇宙中,若其中質(zhì)子與中子的質(zhì)量相差較大,將只能產(chǎn)生很少的宇宙,也就沒有什么“選擇”的余地了