宇宙的起源浅说.doc

探 索 宇 宙 的 奥 秘浅说宇宙的起源与演化Snow Wang摘 要宇宙是怎样形成的？我们人类又是从那里来的？我们该如何理解这个宇宙？它是偶然形成，还是精心设计的？这些高深的问题，该怎么回答呢？史蒂芬.霍金在其著作时间简史想破解这些谜团，但有一个问题困扰着他，这就是“该如何解释引力？” 引用多维度空间，可以解释引力问题。关 键 词大爆炸；红移；引力；黑洞；时空；生命诞生一、概 述宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的生存和种族的绵延，还一代代不懈地探索着存在和生命的意义。但是，人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德托勒密的地心说到哥白尼伽利略的日心说的演化就花了2000年的时间。令人吃惊的是，尽管人们知道世间的一切都在运动，只是到了本世纪20年代因哈勃发现了红移定律后，宇宙演化的观念才进入人类的意识。人们甚至从来没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表明，宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对论中，情况也好不到哪儿去，为了得到一个稳定的宇宙模型，他曾将宇宙常数引进理论中。他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。可见，宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中。 哈勃发现，从星系光谱的红移可以推断，越远的星系以越快的速度离开我们而去，这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时间上倒溯到过去，估计在100亿到200亿年前，曾经发生过一桩开天辟地的大事件，即宇宙从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生。伽莫夫在1948年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言，早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围，不过由于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只余下几度左右，在这种温度下，辐射是处于微波的波段。但在1965年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前，人们并不认真对待此预言。 一般认为，爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义相对论的框架里，霍金和彭罗斯证明了，在很一般的条件下，空间时间一定存在奇点，最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。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。只有给定了奇点处的边界条件，才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给 定，所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动力的问题。 如果空间时间没有边界，则就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量子引力论中才能做到。霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态，空间时间可看成一有限无界的四维面，正如地球的表面一样，只不过多了两个维数而已。宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。从一些简单的模型计算可得出和天文观测相一致的推论，如星系、恒星等等的成团结构，大尺度的各向同性和均匀性，空间时间的平性，即空间时间基本上是平坦的，并因此才使得星系乃至生命的发展成为可能，还有时间的方向箭头等等。有人曾经引用相对论观点，当物体的速度超过光速时，时间可以倒转，人就可以回到过去，这就是“时光隧道”。但相对论同时也告诉我们，当物体运动速度接近光速时，其质量会变成无穷大，要知道是没有一个力，能推动质量无穷大的物体运动的，因而，时间倒转是难于实现的。霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学，它是一个自足的理论，即在原则上，单凭科学定律我们便可以将宇宙的起源与演化方式都直观的展示出来。随着2010年4月欧洲大型强子对撞试验的成功，会为人类研究宇宙的起源与演化提供更多、更加直接的佐证支持。在137亿年前到底发生了什么？二、浅说宇宙的起源 宇宙是怎样形成的？我们人类又是从那里来的？我们该如何理解这个宇宙？它是偶然形成，还是精心设计的？这些高深的问题，该怎么回答呢？史蒂芬.霍金在其著作时间简史想破解这些谜团，但还有一个问题困扰着他，这就是“该如何解释引力？”也许你会说：“什么？引力也那么难解释？”我们都知道，我们的地球围绕太阳、月球围绕地球旋转，不能逃逸。就是因为在太阳与地球、地球与月球之间存在有万有引力，而且牛顿力学能精确知道引力与两物体的质量乘积成正比、与距离的平方成反比。问题是现在的引力与电磁力比较起来，是那么的弱小，比如一个曲别针，在地球的引力场作用下，掉落到地面，我们用一颗小小的磁石，就能把别针吸起来，一颗小小的磁石就强过了地球的引力作用。按说宇宙中存在的四种作用力：电磁力、引力、强作用力、弱作用力，他们的作用力大小应该是彼此相当的，为什么引力会变的这么小？这个问题困扰了霍金。三、 大爆炸前的宇宙在中学化学中，我们知道，原子是由质子、中子、电等组成。别看一个小小的原子，它与浩瀚无穷的宇宙有着千丝万缕的联系。在这个氦原子结构图中，我们注意到，在原子核那么小的空间里，两个中子和两个带正电的质子被强、弱作用力束缚在一起组成一个原子核，其实核内还有其他微观粒子，原子核以电磁力吸引着核外电子，组成一个相对稳定的微观粒子体系。我们现在假设，有某个因素干扰了原子的稳定性，使外围电子落回到原子核中，发生原子塌陷，使核内质子有机会得到电子而转化为中子，由此引发连锁反应，我们现在居住的直径12756千米这么庞大的一个地球，会立刻收缩成一个相当于乒乓球大小的球体，一个主要是由中子以及别的微观粒子组成的球体。“地球”体积虽然变小了，但其质量、引力并没有因原子的塌陷而改变，它强大的引力可以吞噬进入其引力场的一切星体，使自己的质量不断增大、扩张，质量越大，引力越强。硕大的引力甚至连路过的光线都会被吸引进去，因光线也无法逃逸出来，我们远观，就如同看到一个“黑洞”一样。宇宙黑洞并不是完全“黑”的，它会有次原子效应而产生微量的辐射，这说明其内部也是有运动存在的。在一个由一堆中子和别的微观粒子如：介子等组成的星团中，强作用力、弱作用力、电磁力、引力合并为一种单一的力超力。超力在这颗不是很大的星团里是完全对称的，超力把我们整个宇宙束缚成一颗不大的星团，强大的超力把其内部的“粒子”向内拉，慢慢的撕碎边沿粒子团，这是一个主要由中子以及其他微观粒子组成体，状况不是很稳定的宇宙“奇点”。四、 宇宙的形成这个不是很稳定的宇宙“奇点”内，单一、对称的超力使星团中心周围的“碎片”向“奇点”中心不断运动，碰撞，逐步积累能量。当许多“碎片的能量”足够大时，大能量的碎片发生碰撞，碰撞产生的力超出了超力的控制，因而使得该“奇点”猛然发生了剧烈的大爆炸。大爆炸使大量微观粒子向四周辐射，爆炸将完全对称、单一的超力分化成：束缚原子核的强作用力、弱作用力，电磁力、万有引力这样四种力。这四种力刚刚诞生时，它们力的大小是彼此相当的。超力分化出的强作用力与弱作用力立刻开始吸引质子和中子，将它们聚集成一个带正电的原子核，电磁力也立刻开始为原子核捕获带负电的电子，使电子在原子核周围一个特定区域运动，组成各种相对独立的原子。许多单一质子，靠电磁力捕获一个电子，就形成了氢原子（氕）。一个质子碰到一个中子，再捕获一个电子，就形成了重氢原子（氘），再多捕获一个中子就成超重氢（氚）。当八个质子碰到八个中子，再捕获八个电子，形成了氧原子。这样依此类推，就形成了我们今天看到的各种元素原子。为我们今天绚丽多彩的世界奠定了物质的基础，强作用力、弱作用力和电磁力功不可没，同时也打破了引力的对称性和物质分布的对称性。到了这时我们还没发现引力有什么作为呢，可见引力很特别，它要自己独立演化发展。在“奇点”发生大爆炸的数毫秒内，各种元素原子就已经形成了，它们在以“奇点”为中心迅速向四周膨胀，彼此距离在不断拉大。哈勃发现星系光谱的红移可以说明，越远的星系以越快的速度离开我们而去，这表明整个宇宙处于膨胀的状态。所谓的红移是说：如果你站在高速铁路边听火车鸣笛，当火车快速向你驶来时，你听到的笛声因波长变短而尖锐，当火车离你而去时，听到的笛声由会变的低沉，因火车离你远去使声波变长。光波和声音一样，是因为星体离我们远去，使光波变长，而发生红移，这就是多普勒效应。我们今天看到的宇宙，还在延续着大爆炸的膨胀中。五、 引力的演化过程由超力分化出的四种基本力中，只有引力特立独行。为了解释引力问题，有科学家提出了一个“弦论”， “弦论”认为我们的宇宙犹如一个演奏的琴弦。“弦论”是从一个完全不同的角度来看待我的宇宙，包括空间，时间乃至引力都是由微小的类似于弦的震动物质组成，仅仅是由于不同的振动方式而表现为不同的粒子，或许德布罗意发现光的波粒二象性有力的支持了该理论，我们的世界是由震动的弦编制成的一张网。“弦论”的妙处是将宏观理论与微观理论统一起来，弦的每一个震动代表的就是一种粒子，当弦震动时迫使空间和时间发生卷曲，这是一种量子理论。依照“弦论”的计算，我们的宇宙是一个具有11维度的体系，它包括我们熟知的时间、长度、宽度、高度这样的四维空间。而我们普通的生活感知仅仅是立体几何的三维空间，假设我们就是一条鱼，我们只知道可以向上、向下，向左、向右、向前，向后的三维空间内游动，外加一个描述寿命的时间，这就是我们经常说的时空概念。余下的7个维度对我们而言，会觉得是那么的陌生，显得得十分抽象，费解。在这一点上，我们就如同鱼缸中的鱼，对鱼缸外的空间、是否还有更大的水塘等都一无所知。因为我们的宇宙是一个多维度的世界，强作用力、弱里以及电磁力它们只需要在三维空间均匀分布，就够用了。只有引力作用需要分配到多维度空间中，维度越多，每个维度分配到的引力就越小。运用多维度观点能够解释引力变小的问题。但目前我们还没有证实其它维度存在的直接佐证，然而科学的发展和发现依赖于所使用的探测工具，关于宇宙多维度的证据有待欧洲大型强子对撞试验模拟宇宙大爆炸时情景去发现，去探知。在大爆炸中分化出的四大基本力，只有引力变的小了。多亏引力变的小了许多，否则地球巨大的引力会将月球拉回来，月球就会成为陨石砸向地球。同样我们的地球也会砸向太阳，地球就会毁灭啦，太阳系也不复存在，也就不会有地球生命的诞生啦。六、 星系的形成在宇宙大爆炸的一瞬间，时间维度开始出现，我们有了时间的概念，应该同时还有许多其他卷曲的维度出现，这些众多的维度分散了引力，使引力变的比较小。随着时间的推移，大爆炸后产生的极高温度开始下降，万有引力的作用开始显现出来。1：恒星的诞生首先是众多的氢的同位素（或核素）原子在引力作用下快速聚集在一起，质量迅猛增大，这些主要由氢核素组成质量巨大的星体。一个星体主要是由大量氢元素组成，这从统计学来看是一个小概率事件，但在宇宙的演化过程中是有它的特定性存在。该星体中心部在巨大的压力与元素放射性作用下，使其中心区温度逐步升高。超高的温度又直接引发了氢核的聚变反应，氢核聚变产生巨大的热量将整个星体点亮，照亮了整个星系，至此一个恒星诞生了。2：星系的诞生 在众多氢原子聚集成恒星的同时，周围众多元素原子在引力作用下，也开始聚集起来，形成一个一个的星体，这些星体被其较近恒星产生的引力俘获，开始围绕恒星旋转，组成一个个的星系。许多质量很大的行星发出的引力能俘获更小一些的星体围绕其运转，小星球围绕行星运转便形成卫星。在宇宙大爆炸后，会形成众多的星系，而我们的太阳系只是众多星系中的一个。七、 地球生命的诞生地球是我们知道目前唯一有生命的星球。地球生命是如何出现的？是偶然产生的？还是精心设计的？这些问题似乎用达尔文的进化论不能给出一个令人完全信服的答案，进化论也无法解释寒武纪生命大爆发。因为在宇宙中，类似于地球这样的行星、乃至类似太阳系这样的星系会有很多个，如果生命真是偶然产生的，然后仅仅依靠物竞天择、适者生存，优胜劣汰就能慢慢地进化出高等、有智慧的生物。那我们人类就不会再觉得孤单啦，许多的星球都会有外星人的，生命的诞生与演化似乎不是这样的简单。其实地球生命的诞生是在众多的偶然中，必然产生的，这也是一个小概率事件和事件的特定性决定的，因为有太多太多的偶然、太多太多小概率事件的发生，或许我们可以说：地球生命好像是精心设计产生的：1：首先我们的太阳系中，几大行星都在同一个平面绕恒星运行，只要有一个行星运行轨道轨道与平面有了夹角，都会给星系赵承造成极大的不稳定，都会毁灭地球生命。2：地球距离恒星的距离恰到好处，使我们地球上的水能以固体、液体、气体三种状态同时存在，适宜的温度适合生命生存。如果地球距离太阳再近一点，就会太热，海水会被蒸干；如果再远一点，又会太冷，使地球变成一个冷冻的地球。3：地球外面的木星质量巨大，木星的引力时常干扰了小行星以及彗星的运行轨道，使它们有可能碰触到地球，这些彗星经过茫茫太空时，太空中的多种因素会对彗星施加多种作用，比如宇宙射线照射，太阳风，宇宙粒子流的冲击等，这些作用能将彗星中的碳原子、氢原子、氧原子以及氮原子组合成氨基酸等简单的有机物分子。当彗星与地球交互时，如彗星碰撞地球，或彗星巨大的慧尾扫过地球，都会给地球带来大量的水，氨基酸等有机物。 4：月球的出现：地球在经历数亿年的时光中，曾经受到亿万颗诸如彗星等的碰撞，它们把大量的水、有机物带到地球，这些只是形成生命的物质条件，但是现在若形成生命还