宇宙的未来.doc

天文学的分支主要可以分为理论天文学与观测天文学两种。宇宙学 星系天文学 超星系天文学 远红外天文学 伽马射线天文学 高能天体天文学 无线电天文学 太阳系天文学 紫外天文学 X射线天文学 天体地质学 。多样性表现为多元性和多维性以及组成宇宙物质的多样性。比如我们脚下的地球，它既是个独立实体，又从属于太阳宇宙、银河宇宙以及庞大宇宙；太阳宇宙既是个独立系统，又包含地球、金星、水星、火星、木星、土星、天王星、海王星等多个宇宙个体，且从属于银河宇宙、庞大宇宙。每个宇宙的物质组成均是不相同的。宇宙的统一性表现为有一固定模式。尽管宇宙有大有小，纷繁复杂，但万变不离其宗，行为方式有一定的规律。宇宙大爆炸那一刻，温度达到无穷大；宇宙大爆炸后10负44次方秒，温度约为1亿亿亿亿度；宇宙大爆炸后10负36次方秒，宇宙温度继续下降，当时的温度约为10000亿亿亿度；宇宙大爆炸后10负32次方秒，温度约为1亿亿亿度；宇宙大爆炸10负12次方秒后，温度达到1亿亿度；宇宙大爆炸后10负6次方秒，温度达到10000亿度；宇宙大爆炸后10负4次方秒，温度达到1000亿度，这也是超新星爆发时其星核的温度；宇宙大爆炸后1秒，温度降低到约为100亿度；在大爆炸后的大约3秒，温度降到了10亿度，这也是最热的恒星内部的温度。 在非常早的时代，预言未来是先知或者女巫的职责。这些通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人。(古代巫师的预言，诀窍在于可以随意作出解释。)模棱两可斯巴达人问道，在波斯人攻击希腊时会发生什么时，这巫师回答道：要么斯巴达会被消灭，要么其国王会被杀害。这些牧师盘算，如果这些最终都没有发生，则斯巴达就会对阿波罗太阳神感恩戴德，以致忽视其巫师作错预言的这个事实。（1）宇宙的膨胀和坍缩与宇宙的平均密度有关，如果平均密度小于某个临界值，它就会永远膨胀。如果平均密度大于临界值，宇宙就会坍缩，时间本身就会终结。解释：大家知道，现在公认的理论就是大爆炸理论宇宙是由于大爆炸引起的 在爆炸后宇宙剧烈膨胀 物质四散的速度很快很快那么宇宙是否存在一个质量，这个质量可以使物质间的相互引力大到能够阻止大爆炸造成的宇宙膨胀？这个质量就是宇宙坍缩临界质量 如果我们宇宙中现有物质的质量能大过这个临界值的话，那么宇宙在膨胀很多亿年以后 会坍缩会一个质点如果没有大过这个质呢，现有的宇宙就会继续膨胀。 直到物质非常非常稀薄 。看宇宙的平均密度是多大，目前应为宇宙中暗物质质量无法估算所以得到的宇宙平均密度。一般是临界密度，这样的话由于密度小引力质量不足矣阻止宇宙的膨胀，也就是说这样的话宇宙将永远膨胀下去，这就是开放性宇宙，假如暗物质足够多也就是使得宇宙平均密度临界密度的话，那么引力足以减慢宇宙膨胀速度，直至最后在强大的引力作用下改为收缩，收缩到足够小的时候再来一次宇宙大爆炸，宇宙又一次膨胀。这样周而复始永远的膨胀收缩，这就是循环宇宙。还有一种就是宇宙的平均质量刚好=临界密度，这样宇宙的速度在引力的作用西慢慢减慢最后停止膨胀，也不收缩，这就是静态宇宙（1） 在螺旋星系和星系团中应该存在有某种看不见的暗物质，它的引力吸引足以把高速旋转的星系牢牢抓住，不至于使这些星系或星系团飞散开去。 关于星系团：在遥远的银河外星系，天文学家通过大望远镜已经发现了上千亿个星系，它们并不是孤立地分散在宇宙之中，而是聚集起来形成一个个集团。科学家通过力学的方法对星系集团的质量进行测定，发现这些星系集团的质量远远大于星系和气体质量的总和，这些质量的来源被称为暗物质。这种由星系、气体和大量的暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统就是星系团。 （2）如果宇宙继续膨胀下去，五十亿年后，太阳将耗尽它的核燃料，变成一颗白矮星。在大约一百亿年后，具有太阳质量的恒星将变成白矮星或中子星，具有更大质量的恒星会变成黑洞。黑洞：存在一个事件的集合或空间时间区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。黑洞的视界就是黑洞的边界啦形象点的说我在地上向上仍个石头石头在向上飞到一个高度的时候就会下落，这个高度就算是边界。而在黑洞中，黑洞自身发出的光子向外抛射但没爬多高就被拉回来了光子能到的最大的高度所围成的面就叫做视界。 所以我们看不见它，因为光都被黑洞束缚在它的周围，无法发射出来，我们就观察不到了现在，我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时，其表面的引力场变得很强，光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径时，表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多，以至于光线再也逃逸不出去（图 6.1）。根据相对论，没有东西会走得比光还快。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被引力拉回去。根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间时间曲率的奇点。 1981年在梵蒂冈举行的一次宇宙学会议上，教皇作了演讲。他宣称： 大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但我们不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而是上帝的事务 然而奇点定理的真正意义在于指出了引力场必然会强到某种程度，使我们不能再忽视量子力学的效应。当采用量子力学的观点来研究奇点理论时，以霍金为首的科学家们加入了虚时间（用数学中的虚数计量的时间）的概念。虚时间是基于费因曼的 对历史求和 原理。所谓 对历史求和 是指粒子可以沿着任何时空中的任何路径前进。该原理是从 测不准原理 推导出来的。让我们看看虚时间所揭示的情形吧。如果时空从一个奇点（例如 大爆炸 ）开始向前发展，那么它将沿着任何可能的路径延伸，结果时空将形成一个封闭的曲面（例如球面）。时空将如同我们的地球一样当宇宙膨胀的最大尺度就是 时空赤道 ，而大爆炸和大挤压是 时空北极 和 时空南极 ，这就形成了一个有限但无界的曲面。它们如同地球的南北极一样，虽然纬度为零，但比起地球上的其它点来说并没有任何奇异之处。通常的科学定律在这里同样有效，我们不用针对奇点提出新的理论，因为量子力学中没有任何奇点。我们看到，在虚时间中，奇点消失了！随着黑洞向外辐射粒子，导致黑洞最终蒸发殆尽它会形成一个微小的并且是自足的 婴儿宇宙.霍金研究发现，这种 婴儿宇宙 可以从时空分岔中重新回到我们所在的区域，这种情形在我们看来则是物质落入黑洞中，并且从另一个黑洞中被辐射出来。虽然这些物质回到了我们的区域，但其形态已经完全不同，甚至其粒子的种类也大相径庭，唯一相同的是它们的质量和能量。大爆炸和黑洞的周而复始就是宇宙的循环往复。 空间时间形成一个在尺度上有限而没有任何边界的曲面，这个论断对于上帝在宇宙事务中所扮演的角色非常不利。时空没有边界，也就没有使科学定律失效的奇点，所以也我们不需要上帝来给定宇宙的定律和边界条件因为宇宙的边界就是 没有边界 ！正如霍金教授精辟的指出： 宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在！针对（5）： 霍金中科院紫金山天文台科普部主任张旸表示，虽然时下全球气候呈现异常，地质灾害增多，但就此认为地球即将终结是缺少科学依据的。霍金所提观点也并不是针对地球寿命而谈的什么学术问题，而是谈及的社会问题。所谓的地球“终结”说，也是作为一个科学家对人类现如今的生存方式所表达出的担忧。霍金提及了古巴的导弹、政治的争斗以及人类无限掠夺的本性，因此霍金所说的“由于人类基因中携带的自私、贪婪的遗传密码，人类对于地球的掠夺日盛，资源正在一点点耗尽”才是毁灭地球的真正灾难。霍金为人类找出的解决之法就是向外太空移居。 张旸认为，霍金所说的 “人类不应该将所有的鸡蛋都放在一个篮子里，或一个星球上。希望我们可以将篮子容量扩大后再将其扔掉。”是霍金乐观的认为以现在人类的科学发展水平，在二百年内找到适合移居外太空的方法或类地星球是可能的。不过张旸同时表示：“虽然科学家都在找寻类地星球和移居外太空的方法，但是否能在二百年内找到却不一定。因此如果人类不正视自已的错误，善待我们赖以生存的地球，那么霍金所说也就不是危言耸听了。”我喜欢天文学，常对未知的世界充满幻想。我想举一个例子，若你现在是处在公元2世纪的时候，你肯定只知晓你周围的某个有限环境，大不过半个欧洲。于是你怀着强大的好奇心，像哥伦布一样急切想探望另外的世界，就走出了你家的后院，再继续你走出了你家所在的城门，再继续你走出了你的国家，设是沿着一个方向，继续走你就绕着地球又回到了你的家，这时你发觉是有个边界让你无法突破，所谓的边界就是你到达不了的地方但它又时刻禁锢住你。可是，设若你是冲出地球，且沿着一维方向在三维宇宙空间里不停地直行（设若其他星体没有俘获你的引力），你可以设想是乘上宇宙穿梭机，那么你在不断经历新的世界，比如先是飞过了地球卫星，再是遇上了月亮，进而穿过太阳各大行星，再远越过猎户星座等等，你以一维运动轨迹不断直线遨游，那么你想想看，你会到达什么样的边缘域，无垠的宇宙空间有边缘吗？在地球上你之所以回到原点，是因为地球是圆的，是 有边界的，并且地球有引力俘获你。那么宇宙空间里，无限勇往直前的你还会回转到出发的起点吗？假设经历无限飞行跋涉的你回到了起点，那么使得你回转原点的边界和引力是什么？宇宙广袤，无穷无尽，但它究竟大到什么程度，它有内核和边缘吗？有时我会联想数学里空间几何的数学模型，比如一个立体的巨大抛物面锥体在空间里做旋转运动，且随着运动，巨大的锥体体身在一点点向锥顶点汇聚，形如在往顶点坍缩，最后汇聚成一个质量惊人的质点。那么宇宙是否也是在经历无限时空在继续运动坍缩呢？爱因斯坦提出的广义相对论似乎能说明宇宙运动的一些规律。其广义相对论认为，宇宙作为一个整体，是由引力支配的。引力是时空弯曲的结果，宇宙中物质的数量决定了时空的弯曲程度。宇宙按照明确的规律弯曲，或者膨胀，或者收缩。所以前段述说的无限直行遨游宇宙的你，终究也会被弯曲的时空拽回原点。后来的弗里德曼改进了爱因斯坦描述宇宙本性的方程，导出两种宇宙