宇宙进化的8个层次结构

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1、Sci ence an d technol ogy Revi ew 9/ 20028基 础 科 学宇 宙 进 化 的8个 层 次 结 构Stru ctur e Of Ei9ht Level s Of th e EvOl uti On Of th e Uni verse徐 光 宪(北 京 大 学 化 学 与 分 子 工 程 学 院 ， 教 授 、 中 国 科 学 院 院 士 北 京1UU871)一 、 大 爆 炸 宇 宙 模 型1 -31.宇 宙 演 化 与 生 命 起 源 是 自 然 界 最 大 的 奥 秘自 古 以 来 ， 无 数 先 哲 和 学 者 为 揭 开 宇 宙 的 创 生和 生 命

2、 的 起 源 提 出 了 种 种 假 设 。 相 传5 UUU年 前 伏羲 氏 得 河 图 而 创 画 八 卦 。 伏 羲 八 卦 方 位 图 的 要 义是 ： 太 极 生 两 仪 ， 两 仪 生 四 象 ， 四 象 生 八 卦 ， 八 卦 生六 十 四 爻 。 这 就 是 说 ， 天 地 宇 宙 是 由 简 单 向 复 杂 演化 的 。 我 们 的 祖 先 能 在 几 千 年 前 对 天 地 万 物 的 生 长发 展 过 程 ， 提 出 这 样 高 度 概 括 的 哲 学 总 结 ， 实 是 难能 可 贵 的 。 这 种 发 现 的 宇 宙 观 ， 并 不 带 有 上 帝 创 造世 界 等

3、神 话 迷 信 色 彩 。 这 是 朴 素 的 唯 物 论 ， 也 是 人类 历 史 上 最 早 提 出 了 二 进 位 记 数 制 ， 直 到 今 天 仍 有深 远 的 哲 学 意 义 。 它 和 现 代 科 学 提 出 的 大 爆 炸 宇 宙理 论 的 哲 学 思 想 是 一 致 的 。 对 我 们 先 人 提 出 的 八 卦图 ， 要 吸 取 它 合 理 的 、 符 合 现 代 科 学 的 精 华 ， 特 别 是它 的 二 进 位 记 数 制 。 而 有 些 人 利 用 八 卦 来 搞 占 卜 和封 建 迷 信 活 动 ， 那 是 反 科 学 和 反 历 史 进 步 的 ， 我 们当 然

4、 要 予 以 坚 决 反 对 。最 先 在1922年 提 出 宇 宙 膨 胀 模 型 的 是 苏 联 数学 家 佛 里 德 曼(1888!1953)， 随 后 ，1929年 美 国 天 文学 家 哈 勃(1889!1953)发 现 宇 宙 处 在 膨 胀 之 中 ， 建 立了 哈 勃 定 律 。1948年 ， 俄 裔 美 国 物 理 学 家 伽 莫 夫(19U4!1968)在 爱 因 斯 坦1917年 提 出 的 根 据 广 义相 对 论 对 宇 宙 所 作 的 考 查 的 基 础 上 ， 以 哈 勃 定 律 为根 据 ， 提 出 宇 宙 起 源 于 热 爆 炸 的 学 说 。 这 一 学 说

5、 认 为宇 宙 的 过 去 要 比 现 在 小 得 多 ， 最 初 可 能 是 一 个 温 度非 常 高 、 密 度 非 常 大 的 “ 原 始 火 球(pri meval fire-ball)” ， 通 过 大 爆 炸 而 迅 速 膨 胀 、 温 度 迅 速 降 低 ， 逐 渐形 成 现 在 的 宇 宙 。 这 一 学 说 后 来 得 到 越 来 越 多 的 实验 和 理 论 支 持 ， 经 过 许 多 科 学 家 的 不 断 改 进 ， 发 展 成为 现 在 的 大 爆 炸 宇 宙 模 型(the Big Bang Model)。2.大 爆 炸 宇 宙 模 型 的 实 验 根 据( 1)哈

6、 勃( E. ubble)定 律1929年 哈 勃 在 仔 细研 究 了 一 批 星 系 的 光 谱 之 后 发 现 ， 绝 大 多 数 星 系 的谱 线 都 表 现 出 红 移 ， 而 且 红 移 量 大 致 与 星 系 和 观 察者 的 距 离 成 正 比 。 如 果 将 红 移 解 释 为 多 普 勒 效 应 ，那 就 意 味 着 所 有 星 系 都 在 离 开 我 们 而 远 去 ， 其 退 行速 度 正 比 于 同 我 们 的 距 离 。 这 一 关 系 称 为 哈 勃 定律 ， 比 例 常 数 称 为 哈 勃 常 数 。 如 果 确 认 我 们 在 宇 宙中 并 不 处 于 特 殊

7、 的 中 心 位 置 ， 那 么 哈 勃 定 律 对 于 任何 一 个 星 系 上 的 观 察 者 都 是 成 立 的 。 直 接 的 推 论 就是 ： 宇 宙 中 所 有 的 星 系 都 在 彼 此 远 离 ， 而 宇 宙 处 于普 遍 的 膨 胀 之 中 ； 如 果 星 系 目 前 仍 在 彼 此 远 离 ， 那么 过 去 它 们 必 定 相 互 靠 得 较 近 。 按 照 哈 勃 定 律 可 以前 推 出 距 今 约15U亿 年 前 ， 全 宇 宙 的 物 质 应 当 处 于极 其 高 温 高 密 的 状 态 ； 也 在 那 时 发 生 了 “ 大 爆 炸 ” ，开 始 了 宇 宙 的

8、膨 胀 。( 2)宇 宙 背 景2. 7K黑 体 辐 射1964年A. A. Penzias和R. W. Wilson意 外 地 发 现 天 空 的 各 个方 向 都 有 微 波 背 景 辐 射 ， 它 与3K的 黑 体 辐 射 一 致 ，且 其 空 间 分 布 是 均 匀 和 各 向 同 性 的 。1974年 美 国 开始 开 发 发 现 宇 宙 背 景 辐 射 的 探 测 卫 星( Cosmic Back-ground Explorer , COBE)， 并 于1989年 进 入 距 地9UU公 里 的 轨 道 。COBE证 明 宇 宙 背 景 辐 射 是2. 726 U. U1UK的 黑

9、 体 辐 射 ， 能 谱 的 畸 形 幅 度 小 于31万 。这 证 明 宇 宙 的 所 有 背 景 辐 射 能 量 几 乎 都 来 自 原 始 的大 爆 炸 ， 最 多 只 可 能 有31万 的 能 量 来 自 大 爆 炸 之外 的 物 理 过 程(如 现 在 观 察 到 的 超 新 星 爆 炸)。(3)化 学 元 素 的 丰 度 地 球 上 人 们 已 发 现 和 合成 了114种 化 学 元 素 ， 从 天 体 的 光 谱 中 知 道 宇 宙 天 体也 是 由 这 些 化 学 元 素 组 成 的 。 大 量 测 量 表 明 宇 宙 元素 主 要 是和e， 分 别 占73%和25%。 其

10、他 所 有 元素 的 总 丰 度 约 为1. 7%(重 量%)。 而 这 一 元 素 丰 度 可由 宇 宙 大 爆 炸 理 论 解 释 ， 其 他 理 论 很 难 解 释 。 地 球 因引 力 太 小 ， 大 气 中 的和e都 飞 跑 了 ， 所 以 大 气 、 海洋 和 地 壳 中 元 素 丰 度e为1U-7%，为U. 15% (主要 在 海 水 中)，O为47. 2% (主 要 在 岩 石 、 土 壤 、 海 水和 大 气 中)，Fe为5. 1%(地 心 中 主 要 是Fe， 这 是 核 聚变 反 应 后 得 到 的 最 稳 定 的 元 素)，Ca为3. 6%， 等 等 。(4)宇 宙 大

11、 爆 炸 理 论 也 得 到 爱 因 斯 坦 相 对 论 的支 持 它 一 举 将 恒 星 演 化 理 论 和 化 学 元 素 起 源 的学 说 纳 入 到 一 个 统 一 的 理 论 框 架 。3.宇 宙 大 爆 炸 的 开 始我 们 把 “ 大 爆 炸 ” 开 始 的 时 刻 看 作 我 们 今 天 观察 到 的 宇 宙 的 开 端 。 宇 宙 学 家 称 这 个 开 端 为 “ 奇点 ” ， 也 可 按 伏 羲 氏 把 天 地 宇 宙 的 开 端 称 为 “ 太 极 ” ，或 按 恩 格 斯 的 自 然 辩 证 法 ， 把 宇 宙 的 开 端 称 为 混沌(chaos)。 奇 点 或 太

12、 极 或 混 沌 ， 均 是 指 集 中 全 部 宇宙 广 义 物 质 的 极 其 高 密 、 高 温 ， 而 又 完 全 对 称 的 状态 。 在 太 极 这 种 状 态 ， 即 宇 宙 大 爆 炸 的 开 始 ， 那 时 不仅 没 有 任 何 天 体 ， 没 有 物 质 粒 子 ， 也 没 有 时 间 和 空间 。 理 论 物 理 学 家 把 它 叫 做 一 种 单 纯 而 对 称 的 “ 真9科 技 导 报!/#空 状 态 ” 。 但 这 里 真 空 的 含 义是 高 度 抽 象 的 ， 它 是 不 含 通 常的 物 质(substances)， 但 却 孕 育 着全 部 宇 宙 “ 广

13、 义 物 质( matter)”(这 里 是 指4种 作 用 力 统 一 的辐 射 场)和 时 空 的 原 始 状 态 ， 是最 高 度 密 集 的 广 义 物 质 ， 决 不是 空 无 一 物 的 真 空 。那 为 什 么 理 论 物 理 学 家叫 它 真 空?如 有 一 个 密 闭 的 容器 ， 把 空 气 全 部 抽 去 ， 则 容 器 中的 空 间 称 为 真 空 ， 在 真 空 中 ， 应该 没 有 任 何 物 质 粒 子 ， 但4种作 用 力 场 还 是 存 在 的 。 因 此 物理 学 家 在 此 把 没 有 “ 物 质(substance)” 、 只 有 辐 射 场 的 空间

14、叫 做 真 空 。 宇 宙 大 爆 炸 的 开端 ， 正 是 没 有 物 质 、 只 有 辐 射 的状 态 ， 所 以 物 理 学 家 叫 它 真 空 ，但 却 是 一 种 能 量 密 度 非 常 大 、温 度 非 常 高 的 特 殊 状 态 。经 常 有 人 问 ， 宇 宙 起 源 之前 ， 物 质 世 界 又 是 怎 样 的?这个 问 题 若 能 成 立 ， 必 定 要 求 时间 是 绝 对 的 ， 即 时 间 有 无 限 的过 去 和 无 限 的 未 来 ， 因 为 “ 之前 ” 二 字 就 是 指 过 去 的 时 间 。但 是 按 照 爱 因 斯 坦 的 相 对 论和 宇 宙 大 爆

15、炸 理 论 ， 时 间 和 空间 不 是 绝 对 的 ， 它 们 和 物 质 、运 动(能 量)这4个 范 畴 是 相 互依 赖 而 存 在 的 。 大 爆 炸 之 前 ，时 间 和 空 间 还 没 有 分 化 出 来 ，因 而 “ 之 前 ” 这 个 表 示 时 间 的名 词 是 没 有 意 义 的 。4.宇 宙 的 年 龄宇 宙 的 年 龄 是 由 哈 勃 定律 计 算 的 。 哈 勃 定 律 公 式 为 ：V= H0d。 式 中H0为 哈 勃 常 数 ，其 量 纲 为 时 间 的 倒 数 ；V为 天体 对 地 球 上 的 观 察 者 的 退 行速 度 ， 单 位 为km 秒 ；d为 天

16、体与 观 察 者 的 距 离 ， 单 位 为1秒差 距( =3. 26光 年)。 习 惯 上H 0的 单 位 为1km/秒 百 万秒 差 距=1km/秒 3. 26 106光 年= ( 3. 26 106 3 105年)-1=（9. 78 1011年)-1。按 照 宇 宙 大 爆 炸 理 论 的开 放 模 型 ， 即 宇 宙 永 远 膨 胀 的模 型 ， 宇 龄t 0等 于 哈 勃 常 数H0的 倒 数 。 原 先H0测定 的 误 差 较 大 ， 为 较 早 的 文 献 采 用 。当 初 测 定H0 = 49km/秒 百 万 秒 差 距=( 2. 00 1010年)-1， 由 此 计 算 宇 龄t 0 =200亿 年 。但 据 最 近 报 道6H0 =60!70km/秒 百 万 秒 差距= ( 1. 67!1. 43 1010年)-1。 由 此 计 算 宇 龄t 0 =167!143亿 年 ， 平 均155亿 年 ， 本 文 采 用150亿 年 。5.宇 宙 进 化 的8个 层 次