宇宙的起源与演化
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种起源的进化论学说等的提出,不断冲击着“天
不变,道亦不变”这一僵化自然观的地位。直到
20世纪,以众多观测事实为依据的科学的宇宙起
源和演化理论才正式宣告诞生。
现代宇宙学的诞生
现代宇宙模型的研究开始 于爱因斯坦。
爱因斯但的广义相对论认 为,时间和空间并不像人 们(牛顿经典理论)一贯 认为的那样:空间只是一 个让物体在其中运动而本 身却不受任何影响的容器; 时间则如江河入海,自然 流淌。
膨胀的宇宙
1922年,苏联数学家弗 里德曼在广义相对论的 框架下,得到了爱因斯 坦宇宙方程的一组动态 解,从理论上论证了宇 宙要么膨胀,要么收缩, 决不会保持静止状态。
利用多普勒效应来测算恒 星远离我们的速度。
由“多普勒效应”,星系 的光谱线红移量v对应于 星体的退行速度,退行速 度又称为“红移速度”。
其他宇宙模型
按照大尺度特征变化与否来区分,有稳恒 态宇宙模型和演化态模型。
按照与温度有关的演化方式来区分,则有 热模型和冷模型。
按照物质组成来区分,有“正”物质模型 和“正—反”物质模型。
在已有的各种宇宙模型中,以热大爆炸宇 宙模型最有影响,因为与其他模型相比, 它能说明的观测事实最多。
宇宙的起源
哈勃在仔细研究了一批星 系的光谱之后发现,绝大 多数星系的光谱都表现出 红移。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
哈勃(美) (1889-1953)
1927年,比利时天文学 家勒梅特(1894-1966) 在弗里德曼“解”的基础 上,把已观测到的河外星 系红移解释为大尺度宇宙 空间随时间而膨胀的结果, 建立了“膨胀宇宙模型”。
勒梅特(1894-1966)
天体上还出现了生命现象。然后,能够认识宇宙的人类终
于诞生了。
这幅大爆炸图景,是目前关于宇宙起源最可能的一种
解释,被称为“大爆炸模型”。
大爆炸理论诞生于20年代,在40年代由伽 莫夫等人进行补充和发展,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,不过并不信服,人们更愿意认为, 宇宙是稳定的、永恒的。但是,越来越多 的证据表明,大爆炸模型在科学上有强大 的说服力。我们不得不相信,宇宙有一个 开始,也将有一个终结。
宇宙的演化
汉语国际教育硕士 20110413088 徐芳
宇宙有没有起源和终结,它是永恒的还是演化的? 这是除宇宙的结构以外又一个根本问题。各种文明 都有自己关于宇宙起源的看法。
盘古开天地
女娲补天
创世纪
康德(德)
达尔文(英)
17世纪以后,各门自然科学的飞速发展,特别是
康德关于太阳系起源的星云学说、达尔文关于物
大爆炸:有推论有根据
大爆炸模型的提出,是基 于20世纪初的天文观 测——“哈勃红移”。哈 勃对众多星系的光谱进行 研究后确认,红移是一种 普遍现象,这表明恒星及 众多的河外星系正远离我 们而去──宇宙在膨胀。
如果星系目前正在彼此远 离,那它们过去必定靠得 更近。
宇宙的年龄
如果星系目前正在彼此远离,那它们过去必定靠 得更近,继续这一推理就意味着过去必定存在一 个时刻,那时宇宙中的物质处于极其高密的状态。 按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度,就 可估计出那一时刻距今约100—200亿年。那一 时刻通常被称为“大爆炸”时刻,也就是我们宇 宙的开端。如果这一推论不错,那么宇宙中一切 天体的年龄都不应超出这个“宇宙年龄”所界定 的上限。
刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨
胀,其温度迅速下降。最初的1秒钟过后,宇宙的温度降
到约100亿度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的
一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷,核反应开始发生,
生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越
来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在个别
爱因斯坦宇宙模型
1917年,爱因斯坦率先把他的广义相对论应 用于宇宙学研究,得到一个“有限无界的静态 宇宙”模型。所谓“有限无界”是说整个宇宙 是一个弯曲的封闭体,它的体积有限而物质均 匀分布;而“静态”则是就宇宙的整体空间而 言,并非说宇宙的各个部分都全然静止不动。 模型克服了牛顿理论和无限宇宙的矛盾,是第 一个自洽统一的动力学宇宙模型,揭开了现代 宇宙学研究的序幕。
大爆炸宇宙
它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。
宇宙大爆炸设想图
宇宙大爆炸的过程
宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和 能量。大约150亿年前,在这四大皆空的“无”中,一个 体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量 也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。
爱因斯坦(德) (1879-1955)
空间更像是一个形状依赖 于其上所载小球的弹性薄 膜,自由粒子和光沿着这 一形变薄膜上弯曲的短程 线运动,就像它们在小球 引力的作用下偏离直线运 动一样;时间则与运动状 态相关,又通过运动状态 与空间发生了联系。
广义相对论预言,一定质 量的天体,将对周围的空 间产生影响而使它们“弯 曲”。弯曲的空间会迫使 其中穿过的光线发生偏转。
千百年来,科学家们一直在 探寻宇宙是什么时候、如何 形成的。直到今天,科学家 们才确信,宇宙是由大约 150亿年前发生的一次大爆 炸形成的。
“大爆炸理论”是伽莫夫 于1948年提出的。又称大 爆炸宇宙学,现代宇宙系中 最有影响的一种学说。与其 他宇宙模型相比,它能说明 较多的观测事实。
伽莫夫(美)
现代宇宙学的诞生
现代宇宙模型的研究开始于爱因斯坦。爱因斯坦 的广义相对论预言,一定质量的天体,将对周围 的空间产生影响而使它们“弯曲”。弯曲的空间 会迫使其中穿过的光线发生偏转,例如太阳就会 使经过其边缘的遥远星体光线发生1.75弧秒的偏 转。通常,由于太阳的光太强而使人们无法观测 到这一事实。1919年发生了日全蚀,一个英国考 察队终于观测到太阳附近的光线偏转,得到的偏 转数据正是爱因斯坦所预言的“1.75弧秒”。
1929年,哈勃进一步发现,“星系的光谱线红 移量v与它们离我们的距离r存在着简单的正比关 系” (哈勃定律)。
如果将红移解释为多谱勒效应,那就意味着所有 星系都在离开我们而去。
但是,这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均 而言,宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。那 么,直接的推论就是:字宙中所有的星系都在彼 此远离,即我们的宇宙正处于普遍的膨胀之中!