真的有“宇宙大爆炸”吗？

2025-02-19 13:46:23

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回答1：

究竟宇宙是怎样诞生的，为什么我们会想到大爆炸？真正想到大爆炸理论，还是必须提到上一个世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。爱因斯坦为天文学的发展提供了物理学的基础。大家知道，爱因斯坦创立了广义相对论，这张照片是爱因斯坦非常天真的一张照片。他创立了广义相对论以后，广义相对论的动态方程最主要的一个用途就是来描写宇宙。按照广义相对论，宇宙是动态的，这就建立了一个来描述我们的宇宙的框架。天文学家里还有一位非常有名的人哈勃。哈勃空间望远镜就是为了纪念他的。这位天文学家哈勃有很大的功劳，他提出了哈勃定律，他主要观测外部的宇宙，通过观测，他证明证明了宇宙在不断地膨胀，这为大爆炸提供了一个理论依据。哈勃定律是1929年发现的。这台哈勃望远镜望远镜的直径是2.5米，而我们国家在1929年还用比较落后的器械观测宇宙。我记得在上个世纪80年代的时候，我带一个英国的天文学家参观我们古观象台的仪器，结果他提出古观象台的天文仪器与18世纪第谷的仪器一样。后来我从搞天文学史的人那里证实到，古观象台的仪器的确是康熙时期由传教士知道建造的。可见我们国家的天文学是很落后的。现在我们国家最大的光学望远镜是直径2.16米，而世界上最大的光学望远镜的直径是10米。 1929年发现哈勃定律后，科学家就一直在测量哈勃常数。但是哈勃常数却是不容易测准的，因为哈勃常数在不断变化中。上世纪70年代的阿波罗计划就与哈勃定律有关系。另外微波背景辐射与大爆炸理论也有关系。这两位工程师是贝尔实验室的两位工程师，一位叫彭齐亚斯，一位叫威尔逊。他们发现了微波背景辐射。他们两个人用背后这个天线在做微波通信实验。为了使通信实验的灵敏度提高，他们把这个天线做得非常的精致，也就是说噪音非常低，那么这个天线如果在传输的时候，它的温度大约也就是三百度，如果说不做传输工作，它本身固有的噪音也应该非常非常低。他们认为这个天线的本底噪音几乎就应该到了绝对温标的0度，也就是说要到了摄氏－273度，他们认为最多只有0.5度的误差。既然这个天线的本底噪音就这么低，那么在实验中，这个天线只要对到空间任何一个地方，那个地方的温度就应该应该是0度，而且应该是绝对0度，即一点温度都没有。但是对准宇宙以后，非常出乎他们的意料，总是有那么一点温度，大约5－6度，在干扰他们的仪器，也就是说，仪器里边总接收到那么一点温度。这时候他们就通知了在普林斯顿当时正在从事理论研究的一些天文学家，这些天文学家知道以后欣喜若狂，因为在这些天文学家看来，这就是伽莫夫预言的宇宙大爆炸后剩余的温度。后来就在此启发下做了测量，测量结果也的的确确存在着，就称为微波背景辐射，也就是全宇宙中的微波背景辐射。后来两人就在《天体物理学》杂志上投了一篇稿子，题目就叫做《对天线的一次的温度的过热的测量》。这篇文章，只有千字左右，为我们宇宙的确是从大爆炸来的提供了证据，很快这个理论就被大家承认，两人也因此获得了诺贝尔物理学奖。第二点更重要的与大爆炸理论相关的是黑体辐射。我们看一下什么叫黑体辐射，即这个辐射的谱形是由于有温度来造成的。这种辐射有各种可能性，比如说X射线辐射，就不是黑体辐射，可能某一个仪器发射的。如煤火炉也是典型的热辐射。这个谱形大家看一下，上边的每一个点就是具体的观测值，横坐标，就是它的波长，纵坐标就是它的强度。这个谱是一个黑体谱，换句话说，我们这个宇宙的四周，的的确确是一个完全均匀的，一个黑体辐射后的一个剩余谱。这个理论和大爆炸的理论非常吻合，因为大爆炸认为我们的宇宙不断膨胀，一边膨胀温度就一边降低，降到现在大约是5度左右，因此它测出来是2.7度或者大约说是3度，正好和这个理论非常吻合。第三点是我们宇宙中元素含量的问题。我们宇宙中最多的是氢，占75％，氦占25％，其他所有元素总量加起来也就大约1％。而氦是由氢合成的，即由四个氢合成一个氦。这与大爆炸的关系在于如果说我们宇宙中的氦完全是由每一个单个的恒星，通过氢聚变成氦的热核反应产生的，那么宇宙中的氦大概有多少呢？也不过只占到总含量的百分之几。可是我们现在测量结果发现宇宙中的氦有25％。那么问题就是这些氦是怎么产生的呢？唯一的解释办法就是说原初物质中有氦，如果没有这个过程，那么宇宙中就不应该有这个多含量的氦。所以这三点就是对大爆炸的最重要的证据。另外，宇宙的年龄大约就是200亿年，也就是说宇宙必须要有一个开始。所以这三点观测事实加上宇宙的年龄让理论家们提出了宇宙爆炸的理论。上一个世纪最早提到宇宙爆炸的是1927年一个匈牙利的天文学家勒马特。物理学中有一个很重要的规律，就是物质结构和次序都是从简单到复杂，物理参数熵来描写这个量。任何一个事物，宇宙世界，这个发展次序都是从简单到复杂。所以我们宇宙中的熵也是在不断地增加，从简单到复杂，最简单的就是一个小的单元。所以勒马特就想到，这个宇宙最初的可能就是从一个原始的原子诞生的，然后这个原子最后演变成现在的宇宙，同时熵不断增加。大爆炸理论最初称αβγ理论，一位叫做伽莫夫的物理学家与他学生叫阿尔文及一位《物理学评论》的编辑贝瑟共同提出了这一理论，用了三人名字的首字母来称这一理论。另外还有其他的学者对这一理论进行修正。中间有其他的一些人又做了很多的修正和补充，就使得这个理论慢慢就越来越完善。 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。 1965年，彭齐亚斯和威尔逊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。霍金写的《时间简史》就描述了宇宙的演化，非常畅销，大家也很感兴趣，实际上在他之前还有一本由温伯格写的书叫做《最初三分钟》，这本书就是专门写宇宙最初的状态怎么来的。下面就是宇宙爆炸的演绎过程。那么最初怎么来的呢？最初宇宙通过膨胀以后慢慢来产生，但是这个诞生的时间是非常非常快，三分钟造就一个宇宙。宇宙最初始的时候的年龄是0.01秒。这时候的温度是十的十一次方度，也就是说一千亿度。这时宇宙是一团混沌，这一团混沌就是比我们现在知道的电子、中子、质子、原子更基本的粒子，或者说叫做夸克。最初造就物质的基本原料的温度非常高，一千亿度，在这么高的温度下，不可能产生任何东西，因为大家都是平权的，在里边就是自己在那儿漫游。这堆东西有一个特点，它在不断地扩张，也是必然要扩张，因为温度很高，它一扩张的时候这个温度就降低了。那么我们看一下由0.01秒扩张到1秒，也就是1秒钟的工夫就膨胀了。膨胀了以后温度降到了十的十次方，一百亿度。这时候就出现电子、中子和质子然后聚合成中子和质子。如果我们的温度再降低降到3分钟，这时候的温度差不多十的九次方，也就是10亿度的样子。在这个温度下，这个宇宙出现氢和氦。由于温度降低，原初的这些东西就开始有一个聚合反应。氢、氦这些元素就产生了。有了这个元素以后，就等于我们盖大楼一样，就有了基本的砖瓦了。这就是我们宇宙最主要的原材料，只要是有了氢再加上氦，我们这个宇宙就可以造起来了。我们这个宇宙由于温度在不断地降低，就造就了氢和氦。那么再稍微确切一点，到了3分45秒我们基本的元素就都造成了。换句话说，我们这个宇宙的雏形就产生了。因此我们说宇宙是最初三分钟，如果再说的确切一点，最初的3分45秒钟，我们这个宇宙的大厦就基本上奠基了。大爆炸仅仅持续了三分多钟，也就说三分钟我们的宇宙基本框架就形成了。下面我们看，三分钟以后宇宙怎样演化，怎样一步一步的演化到我们现在的星球，现在的宇宙状态。那么我要回答的是星系是怎样形成的这个问题，是先有的鸡还是先有的蛋？现在有两种理论。我们来看一下，这个图就是一个典型的宇宙从一开始大爆炸以后，逐步演化的一个示意图。一开始那一点就是大爆炸，大爆炸以后，宇宙不断的膨胀，同时温度也在不断地降低。中间一部分，就是我们现在看到的宇宙的背景辐射，或者叫做微波背景辐射，再往外边看到，宇宙在一点一点降低以后，物质慢慢就温度就越来越降低，物质的分子结构就越来越大。由于万有引力的作用，物质就开始往一块靠，就开始形成一些小的团块，这些团块再慢慢聚合，一步一步地就形成星系，叫bottom－up。但是还有一种可能，叫做top－down，即突然之间就先形成一些大的团块，然后大的团块一点一点分裂。宇宙的温度最初非常高，有一千亿度，在这么高的温度下，不可能形成物质团块。温度降低到四千度的时候，宇宙中就开始形成物质团块，换句话说，引力就开始起作用，这就是我们星系开始形成的时间，这个时间大约是在宇宙爆炸之后的十亿年，宇宙从爆炸以后，到了十亿年，就开始形成物质团块。目前这两种理论并存。我们现在看这就是真实拍下来的宇宙空间的一部分。你会看到宇宙弥漫着很多的物质，这些物质就在不断地形成新的星球，宇宙中和我们银河系一样的星系太多了。我们银河系跟这个星系比的话，可能还没有这个星系漂亮，这个星系叫做漩涡星系，中间有一个核，非常漂亮，这个星系在那儿不停的旋转，这就是一个和我们银河系类似的一个河外信息。我们再看一个，这也是一个星系，我们把它叫做椭圆星系。它是一个椭圆形的，但是这个星系非常大，往往比漩涡星系还要大。椭圆星系在宇宙中也非常多，我们再看一个星系，它一边有旋转，另外它中间那个核不是一个圆，有点像棒槌一样，所以我们管这个星系叫做棒旋星系。这是星系团，就是星系和星系也可以组合在一起，成为一个更大的家庭，我们叫做星系团。这个星系团是目前离我们银河系最近的一个星系团，叫做仙女座星系团，与银河系的结构很相似，离我们最近。我提到哈勃证明了我们的银河系之外还有和我们银河系一样的星系，他就是通过这个星系来证明的，他在这个星系里边找到了单个的星，而且通过这个星测出了仙女座大星云的距离，发现仙女座大星云，证明其是一个河外星系。我们谈到现在，问题就变成我们的宇宙会终结吗？天文学家正在努力去回答这个问题。这个图的横坐标就是时间，这个纵坐标就是宇宙的大小，那么靠近坐标轴的这个地方的绿线就是我们目前的状态，就是我们目前宇宙的位置。我们宇宙有三种可能，第一种可能就是最上边那个红线，这个可能就是我们的宇宙一直膨胀下去，而且膨胀的速度是越来越快，往外膨胀，这是的宇宙一种可能。第二种可能宇宙也是在膨胀，但是它膨胀的速度比较慢一点，比较平坦，但也会是不断地膨胀下去。那么第三种状态，就是最下边那条蓝线，它表明我们目前的宇宙的确是在膨胀，但是我们宇宙膨胀以后，还会收缩，就是说从最初出发以后，膨胀一段时间以后，经过若干若干年以后，还会要收缩回来。这告诉我们，宇宙有这么三种可能性。这从理论上讲很简单，从实测上来讲很困难。究竟宇宙是继续膨胀下去，还是膨胀以后就收缩回来，主要取决于我们宇宙中的平均物质密度，也就是说我们宇宙中到底有多少物质。如果我们宇宙中平均的物质密度比较高，那么它的引力的作用就会越来越大，那就有可能膨胀一段以后，就收缩回来。如果宇宙中物质密度比较低，宇宙就一直膨胀下去。而宇宙的年龄与物质密度有关，目前，科学家通过对宇宙物质密度的测量，得出宇宙的年龄是137亿年。宇宙之前是一个量子化的状态，是一片夸克的海洋。夸克溪之前是什么则是我们人类认识的极限，这个极限由测不准关系决定。宇宙最小的单元是一个很小的能量，在极限时间内造成了一个离子对，这都可以根据万有引力常数计算出来。宇宙产生的基础也是离不开测不准原理，更离不开普朗克常数，普朗克温度。这就是我们人类了解的宇宙大爆炸的原初。我再谈一个反物质的问题。狄拉克最早提出有反物质，目前有在探测反物质的科学家。他认为既然有正电子，就有可能有反电子，也就是说宇宙中有反物质，而且可能有一种反宇宙，与我们现在的宇宙相反，但是不影响其运转。目前，物理学家丁肇中就在探测反物质，期望用磁铁来探测到反质子的存在。但目前还没有探测到反质子。当前天文学研究发现，如果真的有反物质，那么它发出的光就会有反向偏振，但是并没有发现。还有一个问题需要天文学家注意，就是宇宙中的暗物质、暗能量。我们国家著名的物理学家李政道教授在他的演讲就提到，他说21世纪物理学的一个重要的任务之一就是研究宇宙中的暗物质。宇宙膨胀也中有解决不了的问题，如果宇宙膨胀不加速，就不会膨胀到现在的程度，所以要引入暗能量。暗能量最早是爱因斯坦提出来的，爱因斯坦在他的广义相对论方程中加了宇宙项，认为加入宇宙项方程才能平衡，但后来爱因斯坦认为宇宙常数加错了，他认为他犯的一个最大的错误，就是在方程里边加了个宇宙常数。可是没想到爱因斯坦的宇宙项现在被看作是暗能量，是应该加进去，也只有这样才能解释宇宙爆炸。目前的问题是我们如何能在宇宙真空中将暗能量取出，如果这个问题得到了解决，我们的大爆炸理论也就进一步完善了。当然，目前也有与此不同的理论，如英国物理学家霍伊尔，他认为随着宇宙的膨胀，物质是不断的产生的。我们古代的混天说和盖天说也是对宇宙模型的一种认识。其实，我们的宇宙就像在茅比斯面上爬的蚂蚁一样，茅比斯面没有正反，蚂蚁不可能走到尽头，而宇宙也是处于这样一种没有尽头、没有反正的状态中。课堂讨论：问：请问何老师能谈一下奇点问题吗？答：这是一个数学问题，这个问题也很难讨论清楚的。但今天我所讨论的这些都是有理论和观测根据的。问：所有理论都是支持大爆炸理论的吗？有没有反对的理论。答：支持大爆炸理论的居多，也有反对的，如霍伊尔就认为物质不断在产生，但现在没有公认的与大爆炸并行的理论。问：请问，暗能量与暗物质有什么区别。答：二者的区别很大。暗物质是以物质形式存在，只是成分不清；暗能量则是一种以斥力形式表现的能量，我认为应该存在，但是存在形式不清楚。问：您认为空间是有限的吗？时间是什么，宇宙是封闭的系统吗？答：空间应该有界无限，时间是演变的，时间是一种流量。我们的宇宙是封闭的，也有尺度。我们的宇宙是一个封闭的宇宙，也许有其他宇宙，但是我们没有办法与之连通。

回答2：

科学家说的你可以信也可以当成是放屁

回答3：

宇宙没有开始,也不会有结束

回答4：

天文学家的猜想,不一定有

回答5：

回答6：

宇宙大爆炸是正确的吗？