宇宙起源

引言：随着航天技术的迅猛发展，人类对宇宙的探索达到前所未有的水平，以哈勃空间望远镜、COBE 卫星、WMAP 卫星为代表的新一代卫星探测器的发射，使人类第一次能够清晰地窥测宇宙深处的奥秘，宇宙学有了一个坚实的观测和实验基础。现代大爆炸宇宙论已被作为标准宇宙模型确定下来。然而，这种宇宙模型也没有达到尽善尽美的地步，它同样存在着需要进一步丰富、发展和完善的问题。其中，宇宙起源问题一直是倍受争论的问题。还有，宇宙奇点问题和黑洞奇点问题，一直也得不到解决，目前仍在争论中。。笔者以此为出发点，对有关宇宙起源的各种学说进行了总结。以此来理清当前学说的各种观点，并比较其相似与不同。

文献范围：中国知网，维普中文科技期刊数据库，万方数据，APS美国物理学会电子出版物,SpringerLink(清华站点)等。

有关宇宙起源的综述论文

摘要:给出了宇观天体和微观粒子质量、半径的统一计算式,计算结果与实验基本相符. 认为宇宙大爆炸是“超微黑洞”(即前宇宙) 的大爆炸,否定了点大爆炸的传统观点. 爆炸后的宇宙背景是光子热平衡态和引力束缚态共存的系统,平衡态占优势则宇宙必然膨胀. 暗物质、暗能量的本质是什么? 它们会怎样左右宇宙的命运最后也阐明所谓的“大沙漠”区并非一无所有,它分布着三代费米子的超对称伴子———三代玻色型粒子成员.[ 1]

关键词:自由流阻尼标度;“超微黑洞”;“前宇宙”;热平衡态;引力束缚态;暗物质;暗能量;超对称

1 研究的历史及现状

宇宙论是一门古老而年轻的学科,仅从亚里士多德———托勒密的地心说,到哥白尼———伽里略的日心说就花了2 000 年的时间,人们对它孜孜不倦的追求,但是并没有真正认识到宇宙的起源及其演化、发展的过程。从本世纪20 年代爱因斯坦提出广义相对论后,特别是哈勃定律发现后,宇宙模型更为成熟,人们建立起膨胀的宇宙模型,大爆炸宇宙模型。本世纪70～80 年代以来物理学家和天文学家们提出了量子宇宙论,对宇宙的起源又提出了新的解释,使人们的耳目为之一新。[ 2]

对于宇宙起源这样历史悠久的问题前人已经对此作了大量的研究，观点基本上都来自与爱因斯坦，霍金等物理学家的学说。

1.1 先得了解膨胀的宇宙模型

广义相对论是一种引力理论,它的主要特征是把强大的引力场解释为时空弯曲的几何特征。在爱因斯坦建立广义相对论的第二年(1917 年) 他便用来对宇宙进行考察,建立了一个有限无边的静态宇宙模型。宇宙间的物质均匀分布,宇宙大尺度特征不随时间而变化(有物质而无运动) ,这一模型虽与事实不符,但是它开创了现代宇宙学研究的新河。1922 年物理学家弗里德曼(列宁格勒大学教授) ,根据爱因斯坦广义相对论场方程得到了动态解,虽他本人并没有明白他的“解”的重大意义,但他认为宇宙是不稳定的,可能是脉动宇宙。1927 年比利时天文学家勒枚特再次独立地得到这一模型。得到了均匀各向同性的膨胀或收缩的宇宙模型。[ 3] 1929 年美国的天文学家埃德温·哈勃发现了星系的谱线红移,十分令人惊异的是,他发现大部分星系是红移的,也就是说,几乎所有的河外星系都远离我们而去! 而且红移的大小与星系离开我们的距离成正比,这就是著名的哈勃定律。星系越远,则它离开我们运动得越快! 这表明宇宙不可能像原先人们所想象的那样处于静态,而实际上是在膨胀,不同星系之间的距离一直在增加着。这是一个具有里程碑意义的观测,即是不管你往那个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。宇宙正在膨胀。按照这个模型,星系相互作分离的

运动,空间中的星系越来越稀,或者倒推过去,越往早期星系越密。显然,当星系密集到一定程度时,星系就不可能再以我们目前所观测到的形态存在。很可能是一种密集状态。总之,宇宙膨胀的发现是20 世纪最大的智力革命之一,为大爆炸宇宙模型的建立奠定了基础。[ 4]

1.2 之后物理学家又建立了大爆炸宇宙模型

20 世纪40 年代末,伽莫夫(美籍俄国物理学家) 和他的同事们及其他物理学家开始进一步研究宇宙膨胀论中的早期密集状态,逐渐形成了热大爆炸宇宙学派,并用来说明元素的起源。它的主要观点是: 大约在100 亿年至200 亿年之前的某一时刻,宇宙起始于一个高温、高密的原始原子的大爆炸。大爆炸时,宇宙温度无限高,压力无限大,体积被认为是“零”的“奇点”(空间—时间中,空间—时间曲率变成无穷大的一点) 状态。那时,宇宙间不仅没有地球、没有太阳、没有任何星体、甚至也没有任何其他的化学元素。只有一些质子、中子、电子、光子及中微子、π介子等粒子形态的物质,它们之间达到热平衡态。它们通过不停的碰撞,而不停的湮灭、产生、转化。这些碰撞频繁到发生约每秒钟1016次以上,宇宙处在这一阶段不到一分钟;随着宇宙的膨胀,物质的密度和温度进一步下降。中子开始失去自由存在的条件,它将衰变为质子;到宇宙形成3分钟左右,中子约占总核子数的14 % ,质子占86 % ,这时温度约在109 K 左右。[ 5] 中子可与质子结合形成氘。各种化学元素就是从这一时期才开始形成的。当温度下降到百万度之后,形成化学元素的过程也结束了。再过数万年或稍长的时间,宇宙的温度下降到几千度,辐射退居次要地位。宇宙间充满由电子和离子复合而成的气态物质。从气云再逐步发展出各种星体和星体的体系。这时,宇宙才开始了星的时代。在亿万颗恒星及其演化中,有一颗就是太阳(太阳是第二代或第三代恒星) ,在太阳系的演化中出现了能认识宇宙的人类。[ 6]

热大爆炸学说有两个主要的观测依据:一是氦的丰度,一是微波背景辐射。氦这种元素在地球上很少,但在其他天体上却相当多,按重量约占1/ 3 到1/ 4 ,天体上为什么有这样多的氦? 曾经是天体物理的难题,因其预言,恒星的年龄不应大于150 亿年,依靠氢的聚变,远远不足以形成如此多的氦。但是,利用热大爆炸模型却很容易解决这个问题。因为,在宇宙早期存在着产生氦的时代,而且产生的效率很高,完全可以解释30 %的氦丰度。另一方面,根据氦丰度以及宇宙膨胀速度,可以计算出宇宙早期的温度,由此又可以推知现在的辐射温度。伽莫夫和他的学生预言这种宇宙背景辐射的温度大约应为5k 的黑体辐射,这是一个可以进行观测检验的宇宙学预言。1965年,美国贝尔电话实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在检测一个非常灵敏的微波探测器时(微波正如光波,但是它的频率只有每秒100 亿次震动的数量级) ,他们的检测器收到了比预想的还要大的噪声。他们推测这种噪声必须是从大气层以外来的,并且没有季节的变化,也就是地球绕着自己的轴自转或绕太阳公转时都是一样的。经过测量,证实它具有黑体辐射谱, 温度大约为3k ( 即为-270 ℃) ,并且有相当好的各向同性。证实了伽莫夫等人的预言。从哈勃关系的发现到氦丰度的解释和3k 背景辐射的发现,都是先有理论预言,后才有观测证实的,宇宙学上两次重大进展都是理论走在前面,可见理论的巨大威力,可见人类的巨大的认识能力。宇宙从热大爆炸到膨胀而冷却的景象,和我们今天所有的观测证据相一致。[ 7] 而且为科学界所公认。建立在广义相对论和宇宙学原理基础上的大爆炸宇宙学,虽然有很大的成就,然而也包含着宇宙起源于“奇点”的疑难,引起了现代宇宙学论者们的极大兴趣.

1.3 再往后，科学家又发现了黑洞中的奇点与量子效应

当代最杰出的物理学家霍金在1973 年研究了黑洞附近的量子效应,用量子效应抹平了黑洞中的奇点。首先,我们了解什么是黑洞。黑洞是恒星演化周期中的一个阶段。一般说来恒星的一生要经过引力收缩阶段(这是恒星的早期阶段) ;主序星阶段(中年期阶段,发光、