宇宙的起源与演化课件

宇宙的演化 汉语国际教育硕士 20110413088 徐 芳,宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演化的？这是除宇宙的结构以外又一个根本问题。各种文明都有自己关于宇宙起源的看法。,盘古开天地,女娲补天,创世纪,17世纪以后，各门自然科学的飞速发展，特别是康德关于太阳系起源的星云学说、达尔文关于物种起源的进化论学说等的提出，不断冲击着“天不变，道亦不变”这一僵化自然观的地位。直到20世纪，以众多观测事实为依据的科学的宇宙起源和演化理论才正式宣告诞生。,康德(德),达尔文（英）,现代宇宙学的诞生,现代宇宙模型的研究开始于爱因斯坦。 爱因斯但的广义相对论认为，时间和空间并不像人们（牛顿经典理论）一贯认为的那样：空间只是一个让物体在其中运动而本身却不受任何影响的容器；时间则如江河入海，自然流淌。,爱因斯坦（德）（1879-1955）,空间更像是一个形状依赖于其上所载小球的弹性薄膜，自由粒子和光沿着这一形变薄膜上弯曲的短程线运动，就像它们在小球引力的作用下偏离直线运动一样；时间则与运动状态相关，又通过运动状态与空间发生了联系。,广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而使它们“弯曲”。弯曲的空间会迫使其中穿过的光线发生偏转。,现代宇宙学的诞生,现代宇宙模型的研究开始于爱因斯坦。爱因斯坦的广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而使它们“弯曲”。弯曲的空间会迫使其中穿过的光线发生偏转，例如太阳就会使经过其边缘的遥远星体光线发生1.75弧秒的偏转。通常，由于太阳的光太强而使人们无法观测到这一事实。1919年发生了日全蚀，一个英国考察队终于观测到太阳附近的光线偏转，得到的偏转数据正是爱因斯坦所预言的“1.75弧秒”。,1917年，爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究，得到一个“有限无界的静态宇宙”模型。所谓“有限无界”是说整个宇宙是一个弯曲的封闭体，它的体积有限而物质均匀分布；而“静态”则是就宇宙的整体空间而言，并非说宇宙的各个部分都全然静止不动。模型克服了牛顿理论和无限宇宙的矛盾，是第一个自洽统一的动力学宇宙模型，揭开了现代宇宙学研究的序幕。,爱因斯坦宇宙模型,膨胀的宇宙,1922年，苏联数学家弗里德曼在广义相对论的框架下，得到了爱因斯坦宇宙方程的一组动态解，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止状态。,利用多普勒效应来测算恒星远离我们的速度。 由“多普勒效应”，星系的光谱线红移量v对应于星体的退行速度，退行速度又称为“红移速度”。 哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现，绝大多数星系的光谱都表现出红移。,哈勃（美） （1889-1953）,1927年，比利时天文学家勒梅特（1894-1966）在弗里德曼“解”的基础上，把已观测到的河外星系红移解释为大尺度宇宙空间随时间而膨胀的结果，建立了“膨胀宇宙模型”。,勒梅特（1894-1966）,1929年，哈勃进一步发现，“星系的光谱线红移量v与它们离我们的距离r存在着简单的正比关系” （哈勃定律）。 如果将红移解释为多谱勒效应，那就意味着所有星系都在离开我们而去。 但是，这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。那么，直接的推论就是：字宙中所有的星系都在彼此远离，即我们的宇宙正处于普遍的膨胀之中！,其他宇宙模型,按照大尺度特征变化与否来区分，有稳恒态宇宙模型和演化态模型。 按照与温度有关的演化方式来区分，则有热模型和冷模型。 按照物质组成来区分，有“正”物质模型和“正反”物质模型。 在已有的各种宇宙模型中，以热大爆炸宇宙模型最有影响，因为与其他模型相比，它能说明的观测事实最多。,宇宙的起源,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，科学家们才确信，宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。 “大爆炸理论”是伽莫夫于1948年提出的。又称大爆炸宇宙学，现代宇宙系中最有影响的一种学说。与其他宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。,伽莫夫（美）,大爆炸宇宙,它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。,宇宙大爆炸设想图,宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。 刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的，随着宇宙的迅速膨胀，其温度迅速下降。最初的1秒钟过后，宇宙的温度降到约100亿度，这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷，核反应开始发生，生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，并逐渐演化成星系、恒星和行星，在个别天体上还出现了生命现象。然后，能够认识宇宙的人类终于诞生了。 这幅大爆炸图景，是目前关于宇宙起源最可能的一种解释，被称为“大爆炸模型”。,宇宙大爆炸的过程,大爆炸理论诞生于20年代，在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展，但一直寂寂无闻。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论，不过并不信服，人们更愿意认为，宇宙是稳定的、永恒的。但是，越来越多的证据表明，大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相信，宇宙有一个开始，也将有一个终结。,大爆炸：有推论有根据,大爆炸模型的提出，是基于20世纪初的天文观测“哈勃红移”。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认，红移是一种普遍现象，这表明恒星及众多的河外星系正远离我们而去宇宙在膨胀。 如果星系目前正在彼此远离，那它们过去必定靠得更近。,宇宙的年龄,如果星系目前正在彼此远离，那它们过去必定靠得更近，继续这一推理就意味着过去必定存在一个时刻，那时宇宙中的物质处于极其高密的状态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度，就可估计出那一时刻距今约100200亿年。那一时刻通常被称为“大爆炸”时刻，也就是我们宇宙的开端。如果这一推论不错，那么宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙年龄”所界定的上限。,人们测量了地球上最古老的岩石、“阿彼罗11号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本，发现它们的年龄均不超过47亿年。 根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估算出银河系中最老恒星的年龄约为100150亿年。 用上述两种完全不同的方法得到的天体年龄竞与“宇宙年龄”协调一致，这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。,微波背景辐射,如果150亿年前发生了一场大爆炸，如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹？于是，有一阵子，科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹，原初宇宙最重要的遗迹真给找出来了，这就是微波背景辐射。,绝对黑体模型,宇宙微波背景辐射,按照大爆炸理论，最初的几分钟里，宇宙是一个炽热的火球，到处充满温度高达几十亿度的光辐射。随着宇宙的膨胀，辐射温度不断下降，但始终保持黑体谱形和总体均匀性。按伽莫夫等人的计算，作为这种过程的遗迹，目前的宇宙中应普遍存在温度约3k的背景黑体辐射。由于这种辐射的峰值波长在1毫米附近，处于微波波段，故又称为微波背景辐射。令人遗憾的是，这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注。,直到1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时，他们起初并不清楚自己发现的意义。后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息，才认识到这正是他们“踏破铁鞋无觅处”的宇宙背景辐射。,20多年来，全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模的调查，形势逐渐明朗。 1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星，第一批测量数据表明：在从0.5毫米到5毫米的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.7350.06k的理想黑体完全相合；在扣除运动效应以后，天空不同方向的相对误差小于十万分之一。这就无容置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性。它是热大爆炸模型最令人信服的证据，这一发现在现代宇宙学史上的地位只有宇宙膨胀的发现可以与之相比。,如果说，哈勃的发现打开了宇宙整体动力学演化研究的大门，那么彭齐亚斯和威尔逊的发现则打开了宇宙整体物理演化研究的大门。,轻元素的丰度,宇宙诞生后约1秒钟各处的温度约为100亿度。在如此高温下，不仅我们熟悉的物质无法存在，连原子核也会被撕得粉碎。宇宙只能是一锅由质子、中子和电子等构成的基本粒子汤。 随着这锅汤变冷，当温度降到10亿K时，中子和质子合成氘核的反应开始，由此不难算出，氦同氢的质量比应为1:4。计算表明，氦核形成的过程持续了大约3分钟，形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一。这个过程用完了所有的中子，余下的质子就成了氢原子核。,天文观测表明，无论宇宙的哪个角落，无论恒星还是星际物质中，氦与氢的比例均大体与此相符。同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小的多，但它们的丰度（即与氢的比例）也具有类似的普适性。这对大爆炸模型无疑又是一个有力的支持。,宇宙演化结局,按照大爆炸模型，宇宙在诞生后不断膨胀，与此同时，物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。 如果宇宙的总质量大于某一特定数值，那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩，造成与大爆炸相反的“大坍塌”。 如果宇宙总质量小于这一数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将永远膨胀下去。,如果引力足够强大，宇宙终有一天开始收缩，整个收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的，像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢，随后越来越快。在转折点过后，宇宙的体积开始缩小，背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉，生命无处可逃，全都被煮熟烤焦。最后，行星、恒星也毁灭了，分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内，最后三分钟来临了。 温度变得如此之高，连原子核也被撕毁，宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后，质子和中子也无法区分，挤成一堆由夸克构成的等离子体。在最后的时刻，引力成为占绝对优势的作用力，它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎。在这场与大爆炸的“暴胀”相对的“暴缩”中，所有的物质都因挤压不复存在，一切有形的东西，包括空间和时间本身，都被消灭。 这就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中诞生的宇宙及无数亿年的辉煌灿烂，连一丝回忆也不会留下。,如果引力不足以阻止膨胀，宇宙就将永远膨胀下去。在非常遥远的将来，比如1亿亿亿年以后，所有的恒星都燃烧完毕，茫茫黑暗中，潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到如今的1亿亿倍，而且还在扩张下去。在这个系统里，引力虽不足以使膨胀停止，但会不露声色地消耗着系统的能量，使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射，最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后，连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了，宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤，其中有光子、中微子，越来越少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此越来越远，不会再有任何基本物理过程出现。 这是寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙，它已经走完了自己的历程，面对的是永恒的生命，抑或永恒的死亡。这种情景，差不多就是“热寂”了。,大爆炸的困惑,在爆炸发生之前，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，之后发生了大爆炸。 大爆炸使物质四散出击，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，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。然而，大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释，“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西？,有限的宇宙还是无限的宇宙,1光度佯谬 如果宇宙是无限的，恒星大致均匀分布其间，那么它们的发光总效果应该使天空的光度无限大。考虑到天体之间互有遮蔽，天空的光度就应该是一个不变的常数，也就是说，白天、黑夜一样明亮。德国人奥伯斯（17581840）对之作了系统的讨论，所以后人又称为“奥伯斯佯谬”。这个问题只能说明“无限宇宙”的说法是有问题的，奥伯斯佯谬在宇宙大爆炸理论框架下才有了象样的解释。,2引力佯谬 德国人西利格尔（18491924）指出，如果在无限宇宙中均匀分布着无数恒星，根据万有引力定律，所有天体之间都具有这种无处不在的引力作用，那么任何一个天体，在任何方向上都会受到无限大的引力，其总的效果将使宇宙中的一切都被撕得粉碎。现实中的宇宙天体并非如此结局，这就从反面证实了“无限宇宙”的谬误。,3热死佯谬 地理物理学家克劳修斯（18221888）认为，宇宙的能量使守恒的，而宇宙的能量总是朝着一个越来越无序的热力学方向转移，这个过程不可逆转。因此，宇宙越是发展，其变化能力就越小，研究越接近无序状态。一旦达到某种程度，一切变化将会停止，便出现了“永恒的死寂”。这个容易引起世人恐怖的“热死说”，在现代宇宙理论中才能得以澄清。,上述三个佯谬说明，宇宙应该是有限的。,美国学者论宇宙演化,关于宇宙的诞生与演化问题，美国学者密歇根大学的天文学家费来德.亚当斯和克莱格.劳林推测宇宙的整个寿命约为10200年。这比从宇宙大爆炸到现今的宇宙年龄（为15