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时间:2024-07-05 21:23:52编辑:笔记君

关于宇宙的历史和未来,它是如何演化的?谢谢了,大神帮忙啊

大爆炸理论是通过对宇宙结构的实验观测和理论推导发展而来的。在实验观测方面,1912年维斯托·斯里弗尔(Vesto Slipher)首次测量了一个“旋涡星云”(“旋涡星云”是当时对旋涡星系的旧称法)的多普勒频移,其后他和卡尔·韦海姆·怀兹(Carl Wilhelm Wirtz)证实了绝大多数类似的星云都在退离地球。不过斯里弗尔并没有因此联想到这个观测结果对宇宙学的意义,这也是由于在当时,人们就这些“星云”是否是我们的银河系之外的“岛宇宙”这一问题存在着高度争议。在理论研究方面,1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙,发表了标志着物理宇宙学建立的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》。然而从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的,这和当时相信静态宇宙的主流观点并不符合,爱因斯坦为此在场方程中加入了一个宇宙学常数来进行修正。1922年,苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇宙在大尺度上的均匀和各向同性,利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程,并且在这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。通过选取合适的状态方程,从弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨胀的。1924年,埃德温·哈勃对最近的“旋涡星云”距地球的距离进行了测量,其结果证实了它们在银河系之外,本质是其他的星系。1927年,比利时物理学家、天主教牧师乔治·勒梅特在不了解弗里德曼工作的情况下独立提出了星云后退现象的原因是宇宙的膨胀 。1931年勒梅特进一步指出,宇宙正在进行的膨胀意味着它在时间反演上会发生坍缩,这种情形会一直发生下去直到它不能再坍缩为止,此时宇宙中的所有质量都会集中到一个几何尺寸很小的“原生原子”上,时间和空间的结构就是从这个“原生原子”产生的。 1924年起,哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件:他在威尔逊山天文台利用口径250厘米的胡克望远镜费心建造了一系列天文距离指示仪,这是宇宙距离尺度的前身。这些仪器使他能够通过观测星系的红移量来推测星系到地球的距离。他在1929年发现,星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比,这就是所谓哈勃定律。而勒梅特在理论推测,根据宇宙学原理当观测足够大的空间时,没有特殊方向和特殊点,因此哈勃定律说明宇宙在膨胀。 二十世纪三十年代,还出现了一些尝试解释哈勃所观测到现象的非主流宇宙模型,例如米尔恩宇宙、振荡宇宙(最早由弗里德曼提出,后来的主要推广者是阿尔伯特·爱因斯坦和理查德·托尔曼)、弗里茨·兹威基的衰减光子假说。 第二次世界大战以后,宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的可能理论:一种理论是由勒梅特提出,乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。伽莫夫提出了太初核合成理论,而他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼则理论上预言了宇宙微波背景辐射的存在。另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里,新物质在星系远离留下的空间中不断产生,从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化。具有讽刺意味的是,大爆炸理论的名称却是来自霍伊尔提到勒梅特的理论时所用的称呼,他在1949年3月的一期BBC广播节目《物质的特性》(The Nature of Things)中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。之后的许多年,这两种理论并立,但射电源计数等一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。1965年,宇宙微波背景辐射的发现和确认更使绝大多数物理学家都相信:大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理论。现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关,或者是它的延伸,或者是进一步解释,例如大爆炸理论的框架下星系如何产生,早期和极早期宇宙的物理定律,以及用大爆炸理论解释新观测结果等。 二十世纪九十年代后期和二十一世纪初,望远镜技术的重大发展和如宇宙背景探测者(COBE)、哈勃太空望远镜(HST)和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)等空间探测器收集到的大量数据使大爆炸理论又有了新的大突破。宇宙学家从而可以更为精确地测量大爆炸模型中的各种参数,并从中发现了很多意想不到的结果,比如宇宙的膨胀正在加速。


宇宙是如何变迁的?

大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说,英文说法为Big Bang,也称为大爆炸宇宙论。大爆炸理论诞生于20世纪20年代,在40年代得到补充和发展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论。

大爆炸理论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(见元素合成理论)。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。

大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:

a)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下降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。

b)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。

c)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有如此多的氦。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。

d)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。

按照大爆炸理论,宇宙是150亿年前从一个极小的点诞生的,从那里诞生了时间和空间、质量和能量,从而由物质小微粒聚集成大团的物质,最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前,宇宙中没有物质,没有能量,甚至没有生命。

但是,大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样,或者说发生这次大爆炸的原因是什么?按照大爆炸理论,宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程,从大爆炸到黑洞的周而复始,便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。

这只是一个设想,并不是一个完美的理论。

大爆炸理论虽然并不成熟,但是仍然是主流的宇宙形成理论的关键就在于目前有一些证据支持大爆炸理论,比较传统的证据如下所示:

a)红位移

从地球的任何方向看去,遥远的星系都在离开我们而去,故可以推出宇宙在膨胀,且离我们越远的星系,远离的速度越快。

b)哈勃定律

哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。

V=H×D

其中,V(Km/sec)是远离速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常数,为50;D(Mpc)是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。

c)氢与氦的丰存度

由模型预测出氢占25%,氦占75%,已经由试验证实。

d)微量元素的丰存度

对这些微量元素,在模型中所推测的丰存度与实测的相同。

e)3K的宇宙背景辐射

根据大爆炸学说,宇宙因膨胀而冷却,现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬,1965年,3K的背景辐射被测得。

f)背景辐射的微量不均匀

证明宇宙最初的状态并不均匀,所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。

g)宇宙大爆炸理论的新证据

在2000年12月份的英国《自然》杂志上,科学家们称他们又发现了新的证据,可以用来证实宇宙大爆炸理论。

长期以来,一直有一种理论认为宇宙最初是一个质量极大,体积极小,温度极高的点,然后这个点发生了爆炸,随着体积的膨胀,温度不断降低。至今,宇宙中还有大爆炸初期残留的称为“宇宙背景辐射”的宇宙射线。

科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现,其温度确实比现在的宇宙温度要高。他们发现,背景温度约为-263. 89摄氏度,比现在测量的-273.33的宇宙温度要高。

虽然已有上述证据存在,但是宇宙是否起源于大爆炸学说,仍然缺乏足够多的令人信服的证据。

注解:3K是什么意思?二十世纪六十年代初,美国科学家彭齐亚斯和R·W·威尔逊为了改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年,他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音,他们甚至清除了天线上的鸟粪,但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为,这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年,他们又订正为3K,并将这一发现公诸于世,为此获1978年诺贝尔物理学奖金。


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