研究性学习——宇宙起源学说PPT讲解

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研究性学习
组长： 组员：
这
一
切
仰望星空，你是否会问我们来自何方，
的 一
又将何去何从？
切 也
许
广袤的宇宙是否有无边界，宇宙的深
会 颠
处又将有何奥秘，平行世界是否存在？
覆 我
四维空间的时间是否可能倒流？
们
对
于
宇宙究竟是什么？它如何诞
这 个
生，又将如何发展？
世 界
的
认
识
本着人类对未知事物探索的好奇欲，我们展开了本次 研究性课题的探究
研究经历
空间和时间的本质是什么？这是从2000多年前的古代 哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了 哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的 探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学 思辨，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代 科学。
直到20世纪，出现了两种“宇宙模型”比较有影响。一 是稳态理论，一是大爆炸理论。20世纪20年代后期，爱德 温·哈勃发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。20世纪60 年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大 爆炸理论以有力的支持。
• 如果体宇宙包含有其自身的四维恒星，那么其中的一些恒星会塌缩，最终形 成四维黑洞。这些四维恒星会像超新星一样爆发，而它们的内层则塌缩为一 个黑洞。
• 在宇宙中，一个黑洞被一个名为视界的球面联系起来。鉴于普通的三维空间 需要一个两维的物体（一个表面）来创建一个黑洞内部的边界，那么在体宇 宙中，四维黑洞的视界应该是一个三维物体—— 一种被称为超球面的形状。 三维宇宙可能就是这样一个膜，而膜的生长被认为是宇宙的膨胀。
• 由于四维体宇宙可能在过去已经存在了无限长的时间，因此它有足够的机会 使不同区域的四维体宇宙达到一种平衡，膜宇宙学是一个物理学上超弦理论 和M理论的分支，专门研究宇宙膜，该理论认为宇宙其实是镶在一些更高维 度的膜上。该学科同时研究那些更高维度的膜是怎样影响着我们的宇宙。
多维空间
• 关于空间维度我们都很好奇，我们进行了简单的探索。我 们现在所生活的地球为三维空间，是以长宽高所构成的空 间。而四维则是时间，也就是弯曲空间（宇宙），许多科 学家认为时间在四维空间中将会停止，是以物质的形式存 在，也就是说时间可以倒流，我相信这也一定勾起了许多 人的幻想。宇宙远远不止四维，由超弦理论推出宇宙是十 一维的，由震动的平面构成，还有七维我们不能看见。如 同在地球上用一块磁铁就可以吸引起一颗大头针，一个小 小的磁铁产生的力却大于整个地球对于大头针的力。同样 两个基本力引力和场力，场力却远远大于引力，只能说明 引力穿过了我们看不见的维度而造成了力的消耗。
•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ宇宙恒稳态理论
• 宇宙恒稳态理论认为：宇宙的过去，现在和将来基本上处于同一种状态，从 结构上说是恒定的，从时间上说是无始无终的。而大爆炸理论认为：宇宙和 时间的开始都源起于宇宙中一次巨大的爆炸，这一爆炸造成了现在的各大星 系，而各大星系，以及整个宇宙总是处于不断变化，发展的过程之中。
• 虫洞喷发
于此。
主要作品：《时间简史》
《果壳中的宇宙》等
• 宇宙大爆炸论
相关理论
• 宇宙大爆炸论认为：宇宙起源于140亿年前的宇宙大爆炸。其称宇宙早期的温 度在100亿度以上，当宇宙温度逐渐下降到10亿度产生了所有的“化学元素 ”，当宇宙温度逐渐下降到100万度以后有了“星体”，随后有了我们今天的 宇宙。宇宙是不断演变循环的，晚期的宇宙温度会很低，其所有物质会在“ 宇宙简并力”的作用下聚到了一起，化为了一个新“奇点”。新的“奇点” 会突然“大爆炸”。大爆炸中的物质会四散出去，宇宙空间会不断膨胀，随 后，孕育了今天的宇宙。此论，在当今宇宙起源论中最有影响力，其被很多 人和许多科学家认可。
斯蒂芬·威廉·霍金 ，1942年1月8日出生于英国牛津， 是英国剑桥大学应用数学与理论物理学系物理学家， 1979至2009年任卢卡斯数学教授，此教席曾由艾萨 克·牛顿担任，是英国最崇高的教授职位之一。霍金 是继牛顿和爱因斯坦之后最杰出的物理学家之一，被 世人誉为“宇宙之王”。1970年代时，霍金将量子 力学应用于解释黑洞现象 。1973年，霍金称自己通 过计算得出结论，黑洞在形成过程中其质量减少的同 时，还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是 著名的“霍金辐射”理论。但是，该理论提到的黑洞 辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个 黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消 失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。 1980年以后， 霍金的兴趣转向了量子宇宙论，提出了能解决宇宙第 一推动问题的无边界条件。2004年7月，他承认了自 己原来的“黑洞悖论”观点。《时间简史》的副题是 从大爆炸到黑洞。史蒂芬·威廉·霍金认为他一生的贡 献是在经典物理的框架里，证明了黑洞和大爆炸奇点 的不可避免性，黑洞越变越大，但在量子物理的框架 里，他指出，黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的奇点 不断被量子效应所抹平，而且整个宇宙空间正是起始
• 虫洞喷发说认为：我们现在所生存的宇宙起源于一次时空之门的开启 。在许许多多平行宇宙中，有一个极其普通的平行宇宙，在这个宇宙 中，质量最大的一个黑洞的不断地吞噬宇宙中的其他天体，它的质量 不断增大，大到其万有引力可以摧毁一切物质形态，首先将其核心变 为能量体，能量逐渐积蓄，最终冲破其外壳，向外释放能量，形成虫 洞，时空之门打开。当能量释放完全后，虫洞停止喷发，时空之门关 闭。而喷出来的高能粒子，经过漫长的演变后，形成了我们现在所生 存的宇宙；那个喷发的虫洞则变为先前那个平行宇宙中的一个普通的 天体，这也是我们不能找到宇宙的中心的原因。
• 据英国《自然》杂志网站2013年7月16日报道，近百年来，标准宇宙 学理论认为：宇宙源于一次大爆炸而且正在不断膨胀，这似乎已成了 一个根深蒂固、颠扑不破的“真理”，他认为，宇宙根本不是在膨胀， 粒子质量的不断增加或可解释为一些距离地球遥远的星系似乎离地球 越来越远。
• 德国海德堡大学的理论物理学家克里斯托弗·维特里克在arXiv上撰文 指出，他已经构建出了一种完全不同的宇宙学框架，在这套框架内， 宇宙并非在膨胀，而且，万事万物的质量一直在增加。这一理论或许 有助于科学家们理解一些有争议的问题——比如宇宙大爆炸中出现的 “奇点”等。
• 尽管该文还没有经过同行评议，但有些《自然》杂志的评 审专家认为，这一想法值得深究。英国圣安德鲁斯大学的 天文学家赵洪生(音译)表示：“我认为探究另一种解释是 一件趣事。维特里克的解释似乎很严谨，值得推敲。”
• 也有科学家表示，最新解释或许可以帮助天文学家们避免 落入单一思维的窠臼。英国爱丁堡大学的宇宙学家阿 琼·贝雷拉表示：“现在，天文学家们在追寻一个以暴胀 和大爆炸为中心的标准模型。在一切盖棺论定前，看看是 否还存在另外一种解释至关重要。”
相关研究学者
乔治·爱德华·勒梅特（1894年7月17日－1966年6月 20日），比利时神父、宇宙学家。1927年，勒梅特 发表了阿尔伯特.爱因斯坦的广义相对论方程式的解， 这个解指出宇宙是膨胀的；它实质上与几年前亚力 山大.弗里德曼的发现相同，但勒梅特当时并未获悉 弗里德曼的工作。与弗里德曼不同的是，勒梅特特 别指出星系可能是能够显示宇宙膨胀的“试验粒子”。 这是第一次试图从科学上说明导致宇宙开始膨胀的 创造事件，虽然勒梅特的思想对1930年代大多数天 文学家的观点没有很大的影响，但他成功地在广大 听众中普及了关于原始原子（或‘宇宙蛋’）的见解。 当乔治?伽莫夫和他的同事在1940年代开始发展大 爆炸思想时，他们比勒梅特更多地按照弗里德曼 （伽莫夫过去的老师）的传统进行研究，不过，勒 梅特终其余生一直是大爆炸思想的坚定支持者，并 亲眼看到它被接受为标准宇宙模型。
• 但正如维特里克所说的那样，原子释放出的这种独特的光 也被组成原子的基本粒子尤其是电子的质量所控制。如果 某一原子的质量增加，那么，其释放出的光子的能量也会 变得更高。因为能量越高，频率越大，因此，释放和吸收 频率将前移到光谱中蓝色的部分。相反，如果粒子变得越 来越轻，频率将变成红移。
• 因为光速是有限的，当我们看着遥远的星系时，在时间上， 我们是在朝后看。如果所有的质量一直在增加，那么。因 此，红移将使星系似乎离人们越来越远，即使它们并非如 此。
——研究性学习
• 宇宙是广袤空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总 称。宇宙起源是一个极其复杂的问题。 宇宙是物质世界，
它处于不断的运动和发展中。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，许多科学 家认为，宇宙是由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成 的。宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成 很小的体积，温度极高，密度极大，瞬间产生巨大压力， 之后发生了大爆炸，这次大爆炸的反应原理被物理学家们 称为量子物理。大爆炸使物质四散出去，宇宙空间不断膨 胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、 恒星、行星乃至生命。
• 由安德鲁·邦克博士领导的英国科学家小组在对哈勃拍摄的照片研究 后得出了上述令人吃惊的结论。以便于解开上述这些迷惑。
• 根据许多科学家数十年来一贯支持的大爆炸理论，我们的宇宙大约诞 生于140亿年前。按照该理论的解释，宇宙形成于140亿年前一个体积 极小且密度极大的物质的爆炸，爆炸发生后喷发出物质微粒和能量， 也正是从那时起才开始产生了时间和空间、质量和能量。在大爆炸发 生前，既没有物质，也没有能量，当然也没有生命。
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• 膜宇宙学
• 标准的宇宙大爆炸模型显示，宇宙爆发自一个密度无穷大的奇点。但是不了 解是什么触发了这场爆发：已知的物理定律不能适用。
• 同时科学家很难解释如此激烈的大爆炸留下的宇宙何以拥有一个几乎完全均 匀的温度，这是因为自从宇宙诞生以来似乎没有足够的时间达到温度平衡。
• 对于大部分宇宙学家而言，有关一致性最合理的解释是，在宇宙形成后不久 ，一些未知的能量形式使年轻的宇宙以超过光的速度膨胀。在这个模型中， 三维宇宙是一张膜，漂浮在具有四个空间维度的“体宇宙”之上。
• 天文学家们通过分析物体的原子释放或吸收的光来测量物体是在远离 还是接近地球，这些光会以独特的颜色或频率出现。当物体远离地球 时，这些频率会移向光谱上的红色(低频)。上世纪20年代，包括埃德 温·哈勃在内的很多科学家发现，大多数星系都展现出了这样一种红 移，而且，星系距离地球越远，红移越大，据此，他们认为宇宙一定 在不断膨胀。
• 新的怀疑
• 长期以来，“大爆炸”宇宙诞生理论一直被天文学界普遍认同
• “哈勃”太空望远镜本次拍摄到了一些宇宙深处的星体，这些星体大 概形成于宇宙诞生后的5亿年内（约130亿年前）。然而，这些星体的 数量却远远少于科学家们原来的估计。
• 哈勃拍摄的这些照片可以说明以下二点：要么大爆炸发生后恒星物质 的形成并没有科学家们原来设想的那么积极，这并不符合现阶段通行 的理论；