宇宙,從大爆炸中誕生
央視國際 2003年06月06日 10:13
何香濤,北京師範大學天文係教授。畢業于北京師範大學物理學系,畢業後留校任教。現任中國天文學會副理事長,北京天文學會理事長,發表多篇天文學著作,是我國著名的天文學專家。
內容簡介
1932年勒梅特首次提出了現代宇宙大爆炸理論:整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中,後來發生了大爆炸,碎片向四面八方散開,形成了我們的宇宙。美籍俄國天體物理學家伽莫夫第一次將廣義相對論融入到宇宙理論中,提出了熱大爆炸宇宙學模型:宇宙開始於高溫、高密度的原始物質,最初的溫度超過幾十億度,隨著溫度的繼續下降,宇宙開始膨脹。
1965年,彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙背景輻射,後來他們證實宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時留下的遺跡,從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據。他們也因此獲1978年諾貝爾物理學獎。20世紀科學的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的體現。他對於宇宙起源後10-43秒以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋。
宇宙的起源:最初是比原子還要小的奇點,然後是大爆炸,通過大爆炸的能量形成了一些基本粒子,這些粒子在能量的作用下,逐漸形成了宇宙中的各種物質。至此,大爆炸宇宙模型成為最有説服力的宇宙圖景理論。然而,至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實驗的支持,而且我們尚不知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景。
大爆炸模型認為,最初的宇宙是超高溫、高密度的“一點”。大約180億年前,這“一點”突然爆炸了,僅用10-36秒,伴隨著真空相轉移的過冷卻現象,“一點”了瞬間幾十個數量級的膨脹,成為一厘米規模的宇宙。其後宇宙繼續膨脹,溫度從幾十億攝氏度開始下降,大約在5500萬攝氏度時,由降溫過程的能量,生成中子、質子,它們又合成原子核,這些過程僅有3分鐘。約30萬年後當宇宙的溫度下降到3000攝氏度時,自由電子被原子核捕捉形成原子。在隨後的大約3000萬年中那些原子繼續向外膨脹。宇宙也繼續冷卻,到宇宙溫度降至絕對零度之上167度時,原子開始化合形成稀薄氣體。此後因密度波動、引力作用等開始向新的天體進化。再經過100多億年,顯示出多種多樣的物質形態, 成了今天的宇宙。自從150億年前的宇宙大爆炸之後,星體和各星系一直各自向外飛散。理論上講,相互維繫的重力應該減慢這個膨脹的速度,但是事實並非如此,實際上膨脹還在加速進行。美國普林斯頓大學的斯坦哈特説,宇宙無始、無終,一次次宇宙大爆炸將會永不止息,不斷發生。
這個宇宙究竟是怎樣誕生的,為什麼我們會想到大爆炸?
上一個世紀最早想到這件事情的是一個匈牙利的天文學家叫勒馬特,他怎麼想到的呢?我們知道上一個世紀初期以後,物理學的發展都很快。其中在物理學裏邊有一個很重要的規律,就是這個物質結構和次序都是從簡單到複雜,那麼描寫這個量呢?有一個物理參數叫做熵,這個熵説什麼呢?就是説任何一個事物,宇宙世界,這個發展次序都是從簡單到複雜。所以我們宇宙中的熵也是在不斷地增加,從簡單到複雜,最簡單是什麼呢?最簡單就是一個小的單元。所以勒馬特就想到,這個宇宙最初的可能就是從一個原始的原子誕生的,然後這個原子演變演變最後演變成現在的宇宙。這就符合這個物理規律,這個熵是不斷增加的。這是勒馬特最早提出來的一個設想。
但是真正想到大爆炸理論,還是從我們物理學裏邊的老祖宗開始,也就是上一個世紀最偉大的物理學家愛因斯坦。大家知道,愛因斯坦創立了廣義相對論,這張照片是愛因斯坦非常天真的一張照片。那麼他創立了廣義相對論以後,這個廣義相對論最主要的一個用途就是來描寫宇宙。所以廣義相對論産生以後,就有了一個理論基礎來描述我們的宇宙,但是光有這麼一個理論還不行,還需要天文學家有一個實踐。天文學家裏邊有一位非常有名的人哈勃。大家知道天上飛著一個空間望遠鏡,就叫做哈勃空間望遠鏡。為什麼呢?就是為了紀念哈勃,這位天文學家有很大的功勞,他主要的功勞是什麼呢?他證明了宇宙在不斷地膨脹,通過觀測來證明。
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