宇宙大爆炸论文-选修课作业

天文学选修课

姓名郭珊珊

学号20140381116

系别地理系

专业14级人文地理与城乡规划

一千多年前，托勒密创立“地心说”，认为地球是宇宙的中心。哥白尼起来反对他，认为太阳才是宇宙的中心。可后来的人们却发现，把太阳作为宇宙的中心，同样也有很多问题。伽利略的发现，牛顿的研究以及开普勒和多普勒的结论，都使人类认识到，太阳也不是宇宙的中心。这些伟大的科学家用毕生的精力为我们铺垫的通向真理的道路，那让我们跟随他们的足迹揭开宇宙神秘的面纱。

首先我们应该了解我们居住的地球本身的结构，地球的形状到底是怎样的、

日月星辰之间相隔有多远，我们的邻居月球是如何运动的等等这些问题。公元前5世纪，爱琴海的萨摩斯岛上，有一位发明了几何学中勾股定理的数学天才毕达哥拉斯，他创造了自己的宙模型，从最完美的几何体的观点出发，他认为大地是球型的，而且所有天体都是球型的，它们的运动是匀速圆周运动。并认为地球是宇宙的中心，周围是空气和云，再往外是围绕地球做圆周运动的行星，如月亮、太阳等，再往外是恒星所在之处，最外面是永不熄灭的天火。但他并没说明地球有多大，日月星辰离地球有多远。最早算出地球大小的人是希腊天文学家埃拉托西尼，他通过测量两个地区之间的太阳高度角，并用几何的方法算出了地球的周长约是三万九千多千米（现在实测是四万千米，几乎相差无几了）。

下面我们来了解一下地球的天然卫星，月球。其实几何数学对月球到地球的距离的测量有很大的帮助。月球离地球有多远呢？出生于萨莫斯岛的阿利斯塔克提出，测量月食（当时希腊人已经猜测到，月食是因为地球走到太阳与月球之间而引起的）时掠过月面的地影与月球的相对大小，利用几何学方法，可以算出以地球直径为单位的地球至月球的距离。但是他没有得出具体的数据，但并不能否认他的工作对后来的科学家有很大的帮助，公元前150年，古希腊一位叫依巴谷的天文学家重复了这项工作，得出地球到月球距离是地球直径的三十倍，约等于三十八万公里，他还同时得出了地球与太阳的距离，相当于地月距离的19倍，当然这个精度与现在相比相差很多，但他的结果显示出太阳比地球要大得多。依巴谷认为，一个很大的天体不可能围绕一个小的天体来运行，这里又为日心说做了伏笔。

了解了地球的形状大小，那地球是怎样运动的呢？宇宙星辰之间是围绕什么在运动呢？宇宙何处是中心呢，是地球呢还是太阳。许多科学家探索过，猜想过，但即使是真理也有对错，在科学上没有对错而只有坚持不懈的探索精神。公元140年，埃及的亚历山大城的希腊裔天文学家托勒密提出的理论认为，所有能观测到的行星都是围绕着地球做顺时针周周运行，并提出了本轮和均轮的概念来解释所观测到的行星的运动规则。然而到16世纪的时候，波兰天文学家尼古拉·哥白尼勇敢地站出来表达了相反的观点。他认为，宇宙没有托勒密所描述的那么复杂，是地球绕太阳，而不是太阳绕地球旋转。这一日心学说改写了托勒密延续千年的宇宙模型，开启了宇宙学革命性的一刻。1609德国天文学家开普勒在年《新天文学》一书中宣布，他用丹麦天文学家第谷留下的精密观测资料，发现行星是沿着椭圆轨道围绕太阳运动，从而打破了天体必须做匀速圆周运动的传统观点，并彻底消除了托勒密体系中的本轮和均轮。1609年底，意大利物理学家伽利略，用一台放大率三十二倍的望远镜开始观测天体，他发现在木星周围有四个暗弱的星体在围绕着它运转（也就是后来我们称的伽利略卫星），这彻底宣告了托勒密地心体系的终结，因为人类第一次发现了有天体围绕不是地球的行星在

运行。既然日心说已被证实，但有一个问题还没解决：究竟是什么原因维持着这些天体的运动？开普勒曾经猜想也许是磁力，这个时候，牛顿终于出场了，这就是我们高中物理都学过的"万有引力"：一个大质量的物体，才可以把一个较小的物体吸引到自身上来，所以，苹果才会从树上落下来。也是"万有引力"使得人能够站在移动的地球上。"万有引力"让宇宙中所有的行星保持运动，宇宙也因此而永恒不变。

科学工作不可能到此而至，日心说只是一大进步，我们仍然有很多的疑问不明白，既然可以通过几何的方法测出地月距离，而且拥有了更加先进的天文望远镜，我们能否通过各种天文现象测出地球与太阳之间的距离吗？日心说能否满足我们的科学家呢?1772年，法国天文学家潘格雷在分析了1769年金星凌日时各国天文学家的全部观测资料后，得出太阳与地球的距离为1.5亿公里。这时人们开始在想能否测量恒星到地球的距离呢。其实伽利略早就提出了测量恒星到地球距离的方法：由于地球围绕着太阳运转，如果把地球围绕着太阳运转的轨道两端作为观测点，看看两点上所观测到的恒星的位移，这就是三角测量，就可计算出来。我们现在知道织女星离我们有26 光年，也就是说织女星发现的光要过26年后，才能到达地球，这么远的距离，曾经在我们的思想中几乎没有概念。1845年，爱尔兰中部的第3代罗斯伯爵威廉·帕森斯，建造了一架口径1.8288米，重达10吨的当时世界上最大和倍率最高的望远镜。用这架望远镜，帕森斯伯爵看到了有史以来人类所没有见过的旋涡星系。天文学家们后来了解到，这个旋涡星系的距离为2100万光年，远远超出了银河系10万光年的范围。看来太阳在广阔的银河系面前真的很渺小，我们不免有些失望，但科学就是这样，总给人惊喜也给人失落。1880年前后，哈金斯对太阳光谱中构成谱线的化学元素进行分析，发现太阳和恒星的光谱线中，都有着清晰的氢和氦的特征线。太阳和恒星主要是由氢和氦构成的。太阳只不过是一颗普通的恒星。我们这时应该明白，地球不是宇宙的中心，太阳也同样不是宇宙的中心。

宇宙是怎样产生的呢？我们先不急于讨论这个，你也许听说过相对论这个词语，但是他对部分人来说太难以理解了，试想一下，如果我们的世界不是牛顿所设想的那样建立在经典物理学上，一切物理规律都失效，那真正的宇宙世界会多么的神奇、多么让人不可思议。天才爱因斯坦也承认宇宙来源于一次大爆炸，这个结论如何得出呢，让我们用最专注的目光聚焦于这伟大理论的发展历程。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦，发表了一篇关于运动物质中电磁现象的论文，狭义相对论由此诞生；10年之后，他又提出了广义相对论。20世纪以前的物理学建立在牛顿绝对时空观的基础上：时间永恒地均匀流逝，空间是不动的舞台，两者相互独立并且不受物质的影响。爱因斯坦的革命性发现是：时间和空间是不可分割的统一体，时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲。在爱因斯坦的理论中，每个物体会对周围的时空产生影响，它们在时空中造成凹陷或扭曲，一个物体经过另一个物体的旁边，路径就会受到扭曲而偏向，这就好像是物质互相吸引一样。我们将广义相对论通俗话来说，时空就像一个表面上由网格标记的橡胶膜，放在橡胶膜上的重物看成是恒星或整个星系，网格代表时间和空间，重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也越深，那些从附近经过的东西，也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。可为什么时间和空间会是弯曲的呢？我们可以通过下面的事例来解释：

古希腊的时候，数学家欧几里德，发展了一套几何学理论，也就是我们初中学过的几何，其中的第五公设，可以推出三角形的三个内角之和为180度，于是我们就把符合欧几里德这套几何学的空间叫做平直空间。

19世纪初，德国数学家高斯、匈牙利数学家鲍耶、俄国数学家罗巴切夫斯基等人提出了非欧几何的概念，他们认识到，除了平直空间以外，没有第5公设的非平直空间在逻辑上是可能的，三角形的内角之和未必是180度，如在球面上画一个三角形，其内角和是大于180度的。所以空间是会发生弯曲的。