宇宙大爆炸——浅谈宇宙的缘起

宇宙大爆炸-浅谈宇宙的缘起宇宙大爆炸-浅谈宇宙的缘起 一.引言 二.目前我们所认识的宇宙 三.宇宙大爆炸理论 四.结束语一.引言——我们认识我们所存在的宇宙吗？ 1.宇宙是怎样起源的，又是怎样演化的？ 2.宇宙在空间上究竟是有限还是无限？首先，让我们来探讨一下第一个问：我们存在的宇宙有多大？宇宙在空间上究竟是有限还是无限？春秋时期伟大诗人屈原所著《天问》：“上下未形，何由考之？”（天地尚未成形之前，又从哪里得以产生？）“阴阳三合，何本何化？”（阴阳参合而生宇宙，哪是本体哪是演变？）“圜则九重，孰营度之？”（天的体制传为九重。有谁曾去环绕量度？）要求对天地万象之理有一个。 东汉时代的张衡明确提出“宇之无极，宙之端无穷”（《灵宪》）的无限宇宙概念。与欧洲布鲁诺（1548———1600）的宇宙无限论如出一辙。 宇宙到底有多大呢？那就让我们来看看我们所认识的宇宙到底有多大。 （我们的立体宇宙/视频01《人类已知的宇宙有多大》）二、目前我们所认识的宇宙要说到宇宙的缘起，得先说说我们现在的宇宙是什么样子的。因为我们活着现在的宇宙时空里，所谓的“宇宙缘起”，都是我们根据现在我们所在的宇宙时空推断出来，一一求证的。1.宇宙星系恒星几十亿~几千亿颗气体尘埃尺度150亿光年，年龄100~150亿年总星系物质及运动分布，在统计上是均匀的，各向同性的宇宙中物质含量：氢（H2）最多氦（He）其次其它少量目前发现的约10亿个（几百亿个）尺度几千~几十万光年不等（总星系）每个星系2.星系漩涡星系椭圆星系不规则星系3.银河系尺度组成发光部分直径7万光年最大厚度1万光年恒星2000亿颗气体、尘埃团块4.太阳系尺度—组成直径240亿千米尺度半径70万千米位置银河系轴3/5处运动250千米/秒绕轴运动温度内部15，000，000K表面6000K行星9个类地行星（Si、Fe）卫星34个无卫星有卫星彗星1600颗流星太阳中心天体水金地火木土天海冥类木行星（H2、N2、NH3、CH4）离太阳120亿千米三.宇宙大爆炸 宇宙模型 在介绍宇宙大爆炸前，让我们先来介绍一下几种宇宙模型。 古代中国宇宙模型观　古代中国，关于宇宙的结构主要有　　盖天说：天圆如张盖，地方如棋局　　浑天说：天是蛋壳，地是蛋黄，天地为双层结构　　宣夜说：根本不存在有形质的天。日月星辰自由漂浮在太空之中。天色苍苍是因为它“高远无极”。 古代希腊和罗马关于宇宙原本的学说　水是宇宙万物本源--泰勒斯　宇宙做外层是永不熄灭的天火说--毕达哥拉斯　　多层水晶球说--亚里士多德　　地球中心说--托勒密 中世纪西方宇宙学说　　中世纪后，宇宙学被纳入经院哲学体系，知道文艺复兴时代后期哥白尼根据长期的天文观测写出《天体运行论》提出日心说。布鲁诺进一步认为太阳也不是宇宙的中心，宇宙是无限的，不存在任何中心。 经典宇宙模型　　牛顿最早用经典力学方法和欧几里得几何观念建立了绝对的无限的宇宙体系。 相对论宇宙模型 　　爱因斯坦1915年11月发表了广义相对论，指出空间和时间不能脱离物质单独存在，建立起了有限无边的四维宇宙模型。 大爆炸理论模型　　在膨胀宇宙的观念下，1932年勒梅特提出了宇宙是由一个极端高温高压状态下的“”原始原子“突发膨胀产生的，这一理论启发了伽莫夫，并于1948年和他的学生发表了《宇宙的演化》建立了宇宙大爆炸理论模型。 宇宙模型　　20多年以后，由于宇宙微波背景辐射被证实，再加上核物理学的深入发展，使大爆炸模型大放异彩，成为人们公认的标准宇宙模型。2.宇宙大爆炸学说的发展历史宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的一个主要流派，它能较满意地解释宇宙学的一些根本问题。 宇宙大爆炸理论虽然在20世纪40年代才提出，但20年代以来就有了萌芽。20年代时，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的谱线相比，都有波长变化，即红移现象。 到了1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比的规律。他在理论中指出：如果认为谱线红移是多普勒效果的结果，则意味着河外星系都在离开我们向远方退行，而且距离越远的星系远离我们的速度越快。这正是一幅宇宙膨胀的图像。 哈勃的观测表明，所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点，并且距离越远退行视速度越大。如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们在过去的距离曾经很近。 1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。 大爆炸理论诞生初期一直寂寂无闻。40年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形象地称为“原始火球”，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论。 60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证据，他们发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。 20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。3.宇宙大爆炸的定义宇宙大爆炸，简称大爆炸（英文：BigBang）是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的（根据2010年所得到的最佳的观测结果，这些初始状态大约存在发生于133亿年至139亿年前），并经过不断的膨胀到达今天的状态。4.宇宙有一个开端宇宙有一个开端的想法并不新鲜，不管是古代中国，还是古代西方，都有关于宇宙有一个起点的说法。 圣经中，就描绘了上帝用7天创作世界的故事。 三国时徐整著的《三五历纪》就记载了盘古“开天辟地”的神话：唯有天地时混沌状如鸡子盘古生其中一万八千岁天地开辟阳清为天阴浊为地天日高一丈地日厚一丈盘古日长一丈如此万八千岁天变得极高地变得极深天地之间相隔九万里 从牛顿时起，我们知道宇宙无限和永恒的，在空间上没有范围，在时间上也没有开始和结束。 但是宇宙大爆炸的理论却认为，宇宙是有一个开始的。 这个开始称为大爆炸的奇点。 大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一个比原子还要小点，这个点就是大爆炸的奇点，这个点能量密度极高。在奇点处，所有定律以及可预见性都失效，奇点可以看成空间时间的边缘或边界。5.大爆炸和宇宙的演化 我国古代就有宇宙宇宙进化论的观点，早在春秋战国时期就形成了宇宙生成的论点。《老子》认为天地万物由“道”生成，提出“道生一，一生二，二生三，三生万物”的生成模式。 接下来我们会发现，这个观点跟现在的宇宙大爆炸学说是多么的相似。 宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，能量密度极高，在某个临界点上发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，能量演化成物质，物质开始向外大膨胀，慢慢就形成了今天我们看到的宇宙。 （视频:《宇宙大爆炸和人类出现》&《宇宙演化全过程》）就像石头投到平静的湖面一样宇宙大爆炸示意图让我们勾画这样一部宇宙历史： 大爆炸开始时 大爆炸后10-43秒 大爆炸后10-35秒 大爆炸后10-5秒150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。宇宙从量子背景出现。同一场分解为强力、电弱力和引力。10万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 大爆炸后0.1秒后 大爆炸后1秒后1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。 大爆炸后13.8秒后 大爆炸后35分钟后 大爆炸后30万年后30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。大爆炸1秒钟前3分钟3分钟~70万年几十亿年T>100亿K质子、中子、电子、光子……“宇宙汤”T—10亿K质子+中子氘核、氦核T—100万K缓慢膨胀T—3000K原子核+电子原子光子不再被电子散射宇宙开始透明原子—引力凝聚原始星云6.宇宙大爆炸的实验模拟2008年9月10日，瑞士日内瓦附近位于地下百米欧洲核子研究中心的大型强子对撞机正式启动，用以模拟和宇宙大爆炸。（视频《模拟“宇宙大爆炸”》四.结束语 道可道，非常道。宇宙学是一门很高深、奥秘学说，有的地方让我们无法琢磨。对于我们来讲，从简单的哲学来看，存在即合理，有时候我们只需知道有这么一回事，对宇宙和生命心怀敬畏就行了，而不必要去深究什么。 也许也有科学家预言宇宙在50亿年内走向灭亡，但这对于我们来说是很遥远的事情，我们只需保护好我们的地球，节制好人类的欲望就好了。 所以该发光的就发光，该发热的就发热。