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1、 资 源 学 院地物06-2班邵 栋 宇 宙 的 起 源一、古代人们对宇宙的理解古代就有人思考宇宙的结构问题，主要 涉及两个方面，一是宇宙有无边界，二 是我们是否在宇宙的中心。1.中国古代 盖天说：天似盖笠，地法覆盘。 浑天说：东汉张衡为代表。浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中 黄。但是，浑天说并不认为天球就是宇宙的边界，张衡说：过此而往 者，未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无 穷。 宣夜说：天无须质 高远无极 朴素的无限宇宙观念2.古希腊和古罗马 毕达哥拉斯学派：中心火焰说，宇宙是圆球形状，宇宙天体沿圆形轨道匀 速运行，宇宙的中心不是地球，而是一团中心火。对哥白尼后来
2、提出日心 说（16世纪）有一定的启发。 不过，古希腊占统治地位的是地心说，最早有欧多克斯提出，亚里士多德 继承了这一思想，到古罗马时期，托勒密集之大成。主张，地球位于宇宙 的中心，静止不动，在地球的周围，包围着十一层天，最高是原动天，是 神灵居住的天堂，全部球层受原动天的推动，自东向西绕地球作周日旋转 。他的观点受到教会的利用和推崇，统治人们的思想达一千多年。二、现代人们对宇宙的认识宇宙是天地万物的总称。 宇宙是物质世界，不依赖于人 的意义而客观存在，并处于不 断运动和发展中，时间上没有 开始终了，在空间上没有边界 没有尽头。宇宙是多样又统一 的；多样在物质表现形态的多 样性；统一在于其物质性
3、。三、宇宙的起源目前比较公认的宇宙的起源是来自于一次“大爆炸”宇宙的膨胀 1929年，在美国加里福尼亚州的蒙特 威尔逊观测站，着名的美国天文学家爱德温 哈勃 公布了他的发现这是天文学史上最伟大的发现之一。当他用一个超级望远镜观察星系 时，发现从这些星系发出的光处於光谱中红色的一端，而且星系离地球越远，其光线离光 谱红端越近。这一发现震惊了整个科学界。根据物理学中的规律，靠近观测点的发光体发 出的光线接近光谱的紫色端，而远离观测点的发光体发出的光线趋向光谱的红色端。根据 哈勃的观察，从星系发出的光都趋向光谱的红端，也就是说，这些星系正恒定地远离我们 地球。 不久以後，哈勃又有了另一重大发现：星系
4、和银河不仅是在远离我们，它们彼此之间 也在不断远离。结论显而易见：宇宙正在恒定地“膨胀”。打个比方来说，我们可以将宇宙 想象成一个气球的表面，当气球不断被吹得膨胀起来时，气球表面任何两点之间的距离就 会不断增大，这两点会不断地彼此远离。宇宙的膨胀亦是如此。只有当宇宙膨胀时，宇宙 中所有的天体才会彼此不断远离。 实际上，理论界的发现比天文学上的观测还早一些。20世纪最伟大的科学家阿尔伯特 爱因斯坦根据他在理论物理方面的计算，得出了“宇宙不是静态的”这个结论。然而，爲了 不和当时公认的静态宇宙模型相冲突，他把自己的发现搁置在一边了。後来，爱因斯坦坦 言这是“他一生中最大的错误”。不久，爱因斯坦的理
5、论计算结果就被哈勃观测证实了：宇 宙确实在不断膨胀。 1.大爆炸理论观点提出过程1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙 最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向 四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学 家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了 热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物 质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇 宙开始膨胀。 目前比较公认的宇宙的起源是来自于一次“大爆炸”三、宇宙的起源1.观点提出过程大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，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
6、一直寂寂无闻。 40 年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该理论 认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种 状态被形象地称为 “原始火球”。所谓原始火球也就是一个无限小的点， 现在的宇宙仍会继续膨胀，也就是无限大，有可能宇宙爆炸的能量散发 到极限的时候，宇宙又会变成一个原始 火焰即无限小的点以后，火球爆 炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天 的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线红移现象，也 能圆满地 解释许多天体物理学问题。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论 。60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理论的新的有
7、力证据，他们发现了 宇宙背景辐射， 后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇 宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们在测定高银维的射电强度。但在7.35cm波长 上，意外 探测到一种微波噪声，无论天线转向何方，无论白天黑夜，春夏秋冬，这 种神秘的噪声都持续和稳定。相当于三K摄氏度的黑体发出的辐射。这一发现使天文 学家们 异常兴奋，他们早就估计到当年大爆炸后，今天总会留下点什么，每一个阶 段的平衡状态，都应该有一个对应的等效温度，作为时间前进的嘀嗒声。彭齐亚斯 和威尔 逊也因此获1978年诺贝尔物理学奖。 20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后 10
8、 43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释. 宇宙的起源：最初是比原子还要小 的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量 的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力 的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们 尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。 1.观点提出过程2.大爆炸理论的发展 显而易见，大爆炸理论证明了宇宙源自於无，是被造物主所创造的。因而，具有 唯物主义倾向的科学家拒绝接受大爆炸理论，而是倾心於稳态理论。着名的唯物主义物 理学家爱丁顿坦说：“从哲学观点上来说，我讨厌当前那种认爲宇宙有个突兀性起源的
9、 看法。”弗莱德霍勒是被大爆炸理论所困扰的学者之一。20世纪中叶，他提出了稳态理论 ，该理论的主要观点类同於19世纪的静态宇宙模型，认爲宇宙是无限大的，且是永恒存 在的。该理论问世的主要动机是支援唯物主义的哲学思想，因而与认爲宇宙有起源的大 爆炸理论背道而驰。这些狂热拥护稳态理论的人爲此与支援大爆炸理论的科学家们进行 了长久的争论。然而，科学的日新月异却不断地揭示着他们的错误。 1948年乔治加莫夫提出一种与大爆炸理论相关的设想。他认爲，宇宙在经由大爆 炸而形成时所发出的射线目前仍旧存在，而且射线应当是均匀地辐射到宇宙之中的。 3.进一步的证据：宇宙背景射线 1965年，科学家阿诺潘兹亚斯和罗
10、伯特威尔逊偶然发现了这种被称作宇宙 背景射线的特殊射线。这种射线自大爆炸早期生成，并至今存在。它不是从 一个特定的光源发出的，而是从整个空间中均匀辐射出的，并且散布在整个 宇宙空间之中。两位科学家因此而获得了诺贝尔奖。 1989年，美国国家宇航局向太空中发射了宇宙背景探索号（COBE）卫 星，用於研究宇宙背景射线。卫星上携带的敏感探测器只花费了8分钟时间就 验证了潘兹亚斯和威尔逊的研究成果。COBE还发现了大爆炸的一些残馀物。这项为世界所公认的天文学上最伟大的发现，直接地证明了大爆炸理论 。此後发射的COBE2号卫星也验证了一些基於大爆炸理论的科学计算成果。 3.进一步的证据：宇宙背景射线 大
11、爆炸理论的另一重要证据是空气中氢气和氮气的比例。最新的 科学测算表明，当前宇宙中氢和氮的比例与大爆炸残馀物中的氢 氮比例相差不多。假如宇宙没有开端，是永恒存在的，那么宇宙 中的氢早就该被消耗殆尽，全部转化爲氮了。 所有以上这些不争的事实使科学界接受了大爆炸理论，大爆 炸模型成为科学家们近年来在关於宇宙的形成和起源方面所达成 的共识。 四、宇宙大爆炸的过程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
12、：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
13、们今天看到的宇宙。 四、宇宙大爆炸的过程从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为 我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸开始时 约137亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸前1043秒 宇宙从量子背景出现。 大爆炸前1035秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸前105秒 10万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿 分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子
14、湮没反应出现，核力 尚不足束缚中子和质子。 大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分 为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和 恒星系统。根据哈勃常数也可以推算大约150亿年前，宇宙起始于一个奇点。 大 爆 炸 瞬 间15大 爆 炸1 秒 钟 前 3 分 钟 3 分 钟 70 万 年 几 十 亿 年T100亿K 质子、中子、电子、光子“宇宙汤”T10亿K 质子 + 中子氘核、氦核T100万K 缓慢膨胀T3
15、000K原子核+电子原子光子不再被电子散射 宇宙开始透明原子 引力凝聚原始星云大爆炸及元素的起源宇宙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。 VHD 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。1Mpc3.2
16、6百万光年。 （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。 宇宙大爆炸的论据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
