请问什么是宇宙?3Q

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宇宙 科技名词定义 银河系 1917年,A.阿尔伯特·爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础.1922年,G.D.弗里德曼发现,根据阿尔伯特·爱因斯坦的场方程,宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的,也可以是振荡的.前者对应于开放的宇宙,后者对应于闭合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年 哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律.这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持.20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型,他们还预言,根据这一模型,应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射.1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言.从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型.1980年,美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了大爆炸前期暴涨宇宙模型.这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实. 宇宙图景 当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、像布一样的、不断膨胀、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统. 层次结构 行星是最基本的天体系统 .太阳系中共有八颗行星：水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星. （冥王星目前已被从行星里开除,降为矮行星）.除水星和金星外,其他行 蜘蛛星云 星都有卫星绕其运转,地球有一个卫星 月球,土星的卫星最多,已确认的有28颗.行星 小行星 彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转,构成太阳系.太阳占太阳系总质量的99.86%,其直径约140万千米,最大的行星木星的直径约14万千米.太阳系的大小约120亿千米（以冥王星作边界）.有证据表明,太阳系外也存在其他行星系统.2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系.银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内,从侧面看很像一个“铁饼”,正面看去?则呈旋涡状.银河系的直径约10万光年,太阳位于银河系的一个旋臂中,距银心约3万光年.银河系外还有许多类似的天体系统,称为河外星系,常简称星系.现已观测到大约有10亿个.星系也聚集成大大小小的集团,叫星系团.平均而言,每个星系团约有百余个星系,直径达上千万光年.现已发现上万个星系团.包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群.若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团.超星系团往往具有扁长的外形,其长径可达数亿光年.通常超星系团内只含有几个星系团,只有少数超星系团拥有几十个星系团.本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团.目前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间,它称为总星系. 编辑本段起源 所谓大爆炸理论,简单地说就是宇宙开始的时候是由一个火球爆炸而形成的.近代科学研究发现宇宙不是永恒的,而是在不断的膨胀中.宇宙的不平衡现象最早是由一位德国的医生发现的.他在夜空观查星星时发现,每个星球间的距离并没有因为万有引力的关系而彼此靠近.那么,在星球之间必定存在另一种力量抵消了它们彼此之间的万有引力.他就把这现象假设为宇宙在不断地膨胀. 后来科学家们又发现了红移现象,就是远距离星球射向地球的光以红光为多,近距离的则以紫光为主.这说明了星球在远离地球.接着爱因斯坦提出了广义相对论,他提出加速度不等于零的理论,其中即包含了宇宙膨胀的学说.1931年,美国天文学家以先进的天文望远镜发现,在银河系外仍有很多银河系,并且在不断地膨胀,这才使得宇宙膨胀的理论得到证实. 到了40年代,科学家们预测宇宙是由大爆炸产生的,那么它爆炸之后必定会有残馀物质留在太空之中.这遗留的物质就是电子波（辐射波）,其所代表的温度约为零下273度.这假设在当时并没被证实.在60年代时,贝尔实验室的科学家为电讯研究架起天线时发现一直听到噪音,而这噪音所代表的温度为零下260度左右.在此同时普林斯顿大学的物理学家们也在凭理论找寻大爆炸后的馀波,后来这两组工作研究联合表示,这天线所收到的噪音即为大爆炸后的馀波,其温度约为零下270度,这一发表证实了大爆炸的理论. 编辑本段宇宙大爆炸学说 宇宙大爆炸(Big Bang)仅仅是一种学说,是根据天文观测研究后得到的一种设 麦哲伦星云[NGC 265] 想. 大约在150亿年前,宇宙所有的物质都高度密集在一点,有着极高的温度,因而发生了巨大的爆炸.大爆炸以后,物质开始向外大膨胀,就形成了今天我们看到的宇宙.大爆炸的整个过程是复杂的,现在只能从理论研究的基础上,描绘过去远古的宇宙发展史.在这150亿年中先后诞生了星系团、星系、我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等.现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质,形成了当今的宇宙形态,人类就是在这一宇宙演变中诞生的. 宇宙的不断膨胀 科学家认为它起源为137亿年前之间的一次难以置信的大爆炸.这是一次不可想像的能量大爆炸,宇宙边缘的光到达地球要花120亿年到150亿年的时间.大爆炸散发的物质在太空中漂游,由许多恒星组成的巨大的星系就是由这些物质构成的,我们的太阳就是这无数恒星中的一颗.原本人们想象宇宙会因引力而不再膨胀,但是,科学家已发现宇宙中有一种 “暗能量”会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀. 大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争,爆炸产生的动力是一种斥力,它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力,它会阻止天体远离,甚至力图使其互相靠近.引力的大小与天体的质量有关,因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀,还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小,这完全取决于宇宙中物质密度的大小. 理论上存在某种临界密度.如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度,宇宙就会一直膨胀下去,称为开宇宙；要是物质的平均密度大于临界密度,膨胀过程迟早会停下来,并随之出现收缩,称为闭宇宙. 问题似乎变得很简单,但实则不然.理论计算得出的临界密度为5×8^-30克/厘米3.但要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了.星系间存在广袤的星系间空间,如果把目前所观测到的全部发光物质的质量平摊到整个宇宙空间,那么,平均密度就只有2×10^-31克/厘米3,远远低于上述临界密度. 然而,种种证据表明,宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质,其数量可能远超过可见物质,这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素.因此,宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题.不过,就目前来看,开宇宙的可能性大一些. 恒星演化到晚期,会把一部分物质（气体）抛入星际空间,而这些气体又可用来形成下一代恒星.这一过程中气体可能越来越少（并未确定这种过程会减少这种气体.）.以致于不能再产生新的恒星.10^14年后,所有恒星都会失去光辉,宇宙也就变暗.同时,恒星还会因相互作用不断从星系逸出,星系则因损失能量而收缩,结果使中心部分生成黑洞,并通过吞食经过其附近的恒星而长大.（根据质能守恒定律,形成恒星的气体并不会减少而是转换成其他形态.所以新的恒星可能会一直产生.) 10^17～10^18年后,对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星,这时,组成恒星的质子不再稳定.10^32年后,质子开始衰变为光子和各种轻子.10^71年后,这个衰变过程进行完毕,宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞. 10^108年后,通过蒸发作用,有能量的粒子会从巨大的黑洞中逃逸出.宇宙将归于一片黑暗.这也许就是开宇宙“末日”到来时的景象,但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着.（但质子是否会衰变还未得到结论,因此根据质能守恒定律.宇宙中的质能会不停的转换.） 闭宇宙的结局又会怎样呢?闭宇宙中,膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小.如果假设平均密度是临界密度的2倍,那么根据一种简单的理论模型,经过400～500亿年后,当宇宙半径扩大到目前的2倍左右时,引力开始占上风,膨胀即告停止,而接下来宇宙便开始收缩. 以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样,大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演.收缩几百亿年后,宇宙的平均密度又大致回到目前的状态,不过,原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动.再过几十亿年,宇宙背景辐射会上升到400开,并继续上升,于是,宇宙变得非常炽热而又稠密. 在坍缩过程中,星系会彼此并合,恒星间碰撞频繁. 这些结局也只是假想推论的. 近几年来,一批西方的天文学家发表了关于“宇宙无始无终”的新论断.他们认为,宇宙既没有“诞生”之日,也没有终结之时,而就是在一次又一次的大爆炸中进行运动,循环往复,以至无穷的. 至于“宇宙无始无终”的新论是否正确,科学家认为,过几年国际天文学界可望对此做出验证. 宇宙的创生 1.有些宇宙学家认为,暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点,这种观点之所以在以前不能为人们接受,是因为存在着许多守恒定律,特别是重子数守恒和能量守恒.但随着大统一理论的发展,重子数有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零.因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题.这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体论方面.如果认为“无”是绝对的虚无,则是错误的.这不仅违反了人类已知的科学实践,而且也违反了暴涨模型本身.按照该模型,我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分,在观测宇宙之外并不是绝对的“无”.现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的,这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式,并不是创生于绝对的“无”.如果进一步说这种真空能起源于“无”,因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式.②认识论和方法论方面.暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念.这个宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史.暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来,认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,应研究它们的起源.它把“无”作为一种未知的物质和能量形式,把“无”和“有”作为一对逻辑范畴,探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式,转化为“有”——已知的物质和能量形式,这在认识论和方法论上有一定意义. 2. 宇宙是如何起源的?空间和时间的本质是什么?这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题.经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲,宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辩,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学. 目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的,他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙.1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人,又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后,经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像.但是该理论存在许多使人迷惑之处. 宏观宇宙是相对无限延伸的.“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点,而它周围却是一片空白,即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测.况且从能量与质量的正比关系考虑,一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢? 人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年.但宇宙中所有天体的运动速度都是不同的,在宇宙范围,时间没有衡量标准.譬如地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义.既然年的概念对宇宙而言并不存在,大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢? 1929年,美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说.哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系.但他没能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系. 宇宙中星系间距离非常非常遥远,光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐渐减弱,那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系.质量大,能量辐射就强,因此我们观察到的红移量极大的星系,当然是质量极大的星系.这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因.另外那些质量小、能量辐射弱的星系（除极少数距银河系很近的星系,如大、小麦哲伦星系外）则很难观察到,于是我们现在看到的星系大多呈红移.而银河系内的恒星由于距地球近,大小恒星都能看到,所以恒星的红移紫移数量大致相等. 导致星系红移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的,不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向四周作放射状的直线运动.因此,从地球看到的紫移星系范围很窄,数量极少,只能是与银河系同一方向运动的,前方比银河系小的星系；后方比银河系大的星系.只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系. 宇宙中的物质分布出现不平衡时,局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化,但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变.仅凭从地球角度观测到的部分（不是全部）可见星系与地球之间距离的远近变化,不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩.就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样. 1994年,美国卡内基研究所的弗里德曼等人,用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时,得出一个80～120亿年的年龄计算值.然而根据对恒星光谱的分析,宇宙中最古老的恒星年龄为140～160亿年.恒星的年龄倒比宇宙的年龄大. 1964年,美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射,是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果.宇宙中的物质辐射是时刻存在的,3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准.这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用,在大尺度空间整体分布的相对均匀性和星际空间里确实存在大量我们目前还观测不到的“暗物质”. 至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题,氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构,它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象.在宇宙大尺度范围中,不仅氦元素的丰度相似,其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的.而且,各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的,并不是始终保持一副面孔,所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系. 大爆炸宇宙论面临的难题还有,如果宇宙无限膨胀下去,最后的结局如何呢?德国物理学家克劳修斯指出,能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程,适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件,在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量,他把这个物理量取名为“熵”,孤立系统中的“熵”永远趋于增大.但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域,不可能出现绝对均匀的状态.所以,那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时,宇宙就会进入一片死寂的永恒状态,最终“热寂”而亡的结局,是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的误识. 根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态,星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要,从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态.而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影,那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果. 奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式.这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用,大至旋涡星系,小至DNA分子,都是在这种螺旋线中产生.大自然并不认可笔直的形式,自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状.从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外,毋庸置疑,浩瀚的宇宙就是一个大旋涡.因此,确立一个“螺旋运动形态宇宙模型”,比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线运动模式而独辟蹊径,以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大爆炸宇宙模型”,更能体现真实的宇宙结构形态. 大爆炸宇宙模型 （big-bang model） 一种广为认可的宇宙演化理论.其要点是,宇宙是从温度和密度都极高的状态中由一次“大爆炸”产生的.时间至少发生在100亿年前.这种模型基于两个假设：第一是爱因斯坦提出的,能正确描述宇宙物质的引力作用的广义相对论；第二是所谓宇宙学原理,即宇宙中的观测者所看到的事物既同观测的方向无关也同所处的位置无关.这个原理只适用于宇宙的大尺度上,而它也意味着宇宙是无边的.因此,宇宙的大爆炸源不是发生在空间的某一点,而是发生在同一时间的整个空间内.有这两个假设,就能计算出宇宙从某一确定时间（称为普朗克时间）起始的历史,而在此之前,何种物理规律在起作用至今还不清楚.宇宙从那时起迅速膨胀,使密度和温度从原来极高的状态降下来,紧接着,预示质子衰变的一些过程也使物质的数量远超过反物质,如同我们今天所看到的一样.许多基本粒子在这一阶段也可能出现.过了几秒钟,宇宙温度就降低到能形成某些原子核.这一理论还预言能形成一定数量的氢、氦和锂的核素,丰度同今天所看到的一致.大约再过100万年后,宇宙进一步冷却,开始形成原子,而充满宇宙中的辐射则在宇宙空间自由传播.这种辐射称为宇宙微波背景辐射,它已经被观测所证实.除了原始物质和辐射外大爆炸理论还预言,现在宇宙中应充满中微子,它们是无质量或无电荷的基本粒子.现在科学家们正在努力找寻这种物质. 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137亿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,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. 大爆炸的论据 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. 编辑本段时空起源 有些人认为,时间和空间不是永恒的,而是从没有时间和没有空间的状态产生的.根据现有的物理理论,在小于10-43秒和10-33厘米的范围内,就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量,因此时间和空间概念失效了,是一个没有时间和空间的物理世界.这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的.正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样,今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观.由于在大爆炸后10-43秒以内,广义相对论失效,必须考虑引力的量子效应,因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源.这些工作都是有益的,但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式,而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在. 编辑本段人和宇宙 从20世纪60年代开始,由于人择原理的提出和讨论,出现了人类存在和宇宙产生的关.