宇宙的起源和演化

宇宙的起源和演化(MU6092009-04-07 13:38:10)

苦苦守着《⽂献检索与综述》的作业不知写什么好，偶然从同学那看到这霍⾦的《时间简

史》，然后⼼⾎来潮，就以宇宙为话题写下了这篇论⽂。也许这个假期最⼤的收获就是这个

吧，⼏天找了很多的资料，看很多的书和相关视频，当然也学习到了很多很多，个⼈对结果颇

感满意。

宇宙的起源和演化

前⾔：前⾔：关于宇宙起探,历史上曾经出现过各种各样的想象和神话传说。但宇宙的起裸本⾝却是⼀

个科学问题 。20世纪以来 ,⼈们在宇宙观侧中取得了越来越多的重⼤发现 ,从⽽逐渐建⽴起⼤姆

炸宇宙学模型。美国天⽂学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,⾸先发现了光谱的红

移,认识到了旋涡星云正快速远离⼈们⽽去。1929年哈勃把这种退⾏红移与星系的距离结合起来,

得出了著名的哈勃定律(星系的退⾏速度与它的距离成正⽐ ),即根据哈勃定律和后来更多夭体的

红移的测定,发现宇宙在长时间内⼀直在膨胀着,物质密度⼀直在变稀。由此反推:宇宙的结构在某

⼀时间前是不存在的,它只能是演化的产物因⽽年伽莫夫等⼈⾸先提出了⼤爆炸宇宙学模型:—宇

宙是由甚早期温度极⾼、密度极⼤、体积极⼩的物质迅速膨胀形成的这是⼀个由热到冷、由密

到稀,不断膨胀的过程，尤如⼀次规模极其巨⼤的超级⼤爆炸。

关键字：宇宙⼤爆炸 宇宙膨胀 暗物质

⼀、宙的起源

1）“宇宙⼤爆炸”假说

到⽬前为⽌，许多科学家倾向于“宇宙⼤爆炸”的假说。这⼀观点是由美国著名天体物理学家加莫

夫和弗⾥德曼提出来的。这⼀假说认为，⼤约在200亿年以前，构成我们今天所看到的天体的物

质都集中在⼀起，密度极⾼，温度⾼达100 多亿度，被称为原始⽕球。这个时期的天空中，没

有恒星和星系，只是充满了辐射。后来不知什么原因，原始⽕球发⽣了⼤爆炸，组成⽕球的物

质飞散到四⾯⼋⽅，⾼温的物质冷却起来，密度也开始降低。爆炸两秒钟之后，在100亿度⾼温下产⽣了质⼦和中⼦，在随后的⾃由中⼦衰变的11分钟之后形成重元素的原⼦核。⼤约⼜过了1

万年，产⽣了氢原⼦和氦原⼦。在这1万年的时间⾥，散落在空间的物质便开始了局部的联合，

星云、星系的恒星，就是由这些物质凝聚⽽成的。在星云的发展中，⼤部分⽓体变成了星体，

其中⼀部分物质因受到星体引⼒的作⽤，变成了星际介质。

现代宇宙学为“⼤爆炸”理论提供了可靠的观测事实和理论依据。

㈠ 哈勃定律

1929年⼀个美国天⽂学家叫哈勃，他就⽤了⼤型望远镜来估算斯⾥弗测量出谱线红移的46个星

云的距离，⽤这两个参数，⼀个是星云的距离，⼀个是这些星云离我们远去的运动速度，它⽤

这两组数据，这两个参数来得到了这样⼀个关系式，横坐标是哈勃估算出来的距离，他得到了

⼀个离我们越远的星云退⾏的速度越⼤的结果，它们呈线性关系，这个就被称之为哈勃定律。

他发现这些星系的谱线都存在明显的位移。根据物理学中的多普勒效应，这些星系在朝远离我

们的⽅向奔去，即所谓退⾏。⽽且，哈勃发现这些星系退⾏的速度与它们距离成正⽐。也就是

说，离我们越远的星系，其退⾏速度越⼤。这种观测事实表明宇宙在膨胀着。

经科学测量，地球外所有从星星上上传到地球上的光线，其频率都变⼩了（光谱向“红“的⽅向移

动），就像⼆列⽕车分开（反向⾏驰）时其声⾳变宽了频率变⼩。这说明：天际的各类星星现

在正在不断扩散，宇宙正在不断扩⼤，星星都在远离地球⽽去它们的光都向红端移动科学上称

之谓“红移”。例如：（“马卡良609”星系发出的光谱，在500纳⽶与650纳⽶处共有条光谱线与地

⾯实验室所得的5条光谱线⽐较，全都向长波⽅向移动了⼀些距离，根据这个位移距离，哈勃计

算出了它相对于地球的退移速度。他⼜将其他⼀些星系的光谱退移的速度与其离地球的距离绘

制于图上，结果得⼀条直线。他由此⽴了个公式：V=H*S（膨胀速度等于哈勃系数乘星系团与

地球的相对距离）。哈勃认为，宇宙正在膨胀，“倘若倒转历史⽅向，就应该发现宇宙从某个更

⼩、更密的状态其尺度为零变化⽽来。”这就是⼀次“⼤爆炸”。㈡ “3K微波背景辐射”的发现

1965年，美国贝尔实验室的两位科学家，研究星系的同步辐谢时，测到⼀种“过剩的噪⾳”，这

种噪⾳均匀地分布来⾃空间各个⽅向，不随时间改变，⼗分稳定，经测定，这种噪⾳是绝对温

度3K的微波段辐射。

普林期顿的⽪伯尔教授认为：如果起源于⼤爆炸，那就需要⼤量的辐射来了阻⽌有密集在⼀起

的粒⼦聚变成重元素，从⽽留下⾜够的氢氦以形成我们今天的宇宙中的恒星和星系，随着宇宙

的膨胀，辐射渐冷却下来，但仍以较弱的形式，弥漫于宇宙，这种辐射今天应该是可以观测到的，只要辐射在开⽒温标⼏度就可以。⽪伯尔的预⾔是被“3K微波背景辐射”所证实，这种背景辐

射是⼤爆炸的回声。

㈢⼤爆炸的核合成

宇宙中物质的种类⽐例与组成，如果⽤粒⼦数来说，90%是氢，10%是氦，其他所有的元素都不⾜1%。如果⽤质量来说，75%是氢，25%是氦，其他的所有不⾜1%。那么我们可以算出来，

宇宙中⼤体上有多少个恒星，这个恒星的年龄有多⼤？那么现在宇宙中应该有多少氢？有多少

氦？就算出来了。那算出来的结果和观测⾮常地不符合，如果说我们这个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。我们可以算出来，⽤这些正常的⼿段

是绝对产⽣不了宇宙中这么多氦的。那么最后的结论是什么呢？只有在当初通过⼀个⾮常时

期，也就是说⼀次⼤爆炸的过程，那么在⼤爆炸过程中就会迫使很多氢聚变成氦，然后在造我

们这个恒星的时候，就不单是纯粹由氢来造了。⽽是由氢再加上氦⼀起来造的这个恒星。所以

恒星在造的时候，已经就含了好多个氦的元素含量已经多了，因此我们现在测出来宇宙中的元

素含量才有了这么多的氦

⼤爆炸宇宙学棋型发展⾄今 ,特别是关于轻元索丰度的解释和徽波背景辐射的测 ,说明⼤爆炸

宇宙学模型正在⾛向成熟，但这并不能说明该理论⽆可挑剔。相反 ,⼤爆炸理论存在诸多包括视

界间题、平坦性间题现巳被暴涨理论所解释、奇性间题、磁单极⼦问题、重⼦不对称间题、暗

物质间题和字宙常数等间题等待进⼀步研究。相信这些问题的不断解决 ,将进⼀步完善⼤爆炸宇

宙学模型

2）“宇宙永恒”假说

这种假说认为，宇宙并不是像⼈们所说的那样动荡不定，⾃从开天辟地以来，宇宙中的星体、

星体密度以及它们的空间运动都处在⼀种稳定状态，这就是宇宙永远假说。这种假说是由英国

天⽂学家霍伊尔、邦迪和⼽尔特等⼈提出来的。霍伊尔把宇宙中的物质分成以下⼏⼤类：恒

星、⼩⾏星、陨⽯、宇宙尘埃、星云、射电源、脉冲星、类星体、星际介质等，认为这些物质

在⼤尺度范围内处于⼀种⼒和物质的平衡状态。就是说，⼀些星体在某处湮灭了，在另⼀处⼀

定会有新的星体产⽣。宇宙只是在局部发⽣变化，在整体范围内则是稳定的。

3）“宇宙层次”假说

这种假说是法国天⽂学家沃库勒等⼈提出来的。他们认为宇宙的结构是分层次的，如恒星是⼀

个层次，恒星集合组成星系是⼀个层次，许多星系结合在⼀起组成星系团是⼀个层次，⼀些星

系团组成超星系团⼜是⼀个层次。

综合起来看，以上种种假说虽然说明了模式的部分道理，但还缺乏概括性，还有继续探讨的

必要，宇宙的诞⽣之谜对充满了求知欲的⼈们来说有着⽆穷的吸引⼒。

⼆ 、宇宙的演化

⽬前宇宙不断在膨胀个不争的事实,具有充分的理论及观测证据。科学家估测在未来300亿年内

宇宙还是不断地膨胀。然⽽宇宙就这样⼀直会膨胀下去吗？宇宙会终结吗？这是天⽂科学必需

回答的问题。就⽬前⽽⾔，天⽂学家普遍认为宇宙会有三种可能的未来。⼀种命运，引⼒最终

占上风。由于物质⾜够得多，最后引⼒克服四向膨胀的⼒量，宇宙不再膨胀。宇宙不再膨胀之

后，当引⼒占上风，占⼀点点上风的时候，就开始收缩，我们的宇宙就开始⼤收缩，这是第⼀

种。第⼆种可能就是⼀直膨胀下去，按照哈勃的线性关系，⽆穷⽆尽地⼀直膨胀下去。第三种

它可能膨胀之后⼜收缩，收缩之后⼜膨胀，变成反复的脉动。

那到底什么决定宇宙未来⾛向哪条路呢？最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的

总体密度，⼀个被宇宙学家称之为Ω的值。平直宇宙，处于准确的平衡状态，其Ω值被定义为1。如果Ω⼤于1，哪怕仅超过⼀点点，宇宙就会拥有⾜够的质量也可以说是能量，从⽽靠其⾃

⾝引⼒阻⽌膨胀的趋势，把所有的物质拣回到⼀个难以想象的奇点，如果Ω⼩于1，宇宙正以快

与其"逃逸速度"的速度在膨胀，且会继续膨胀下去。⽽Ω值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呢，就收缩回来。那么宇宙中如果物质密

度⽐较低，宇宙就⼀直膨胀下去。

从理论上计算，要想终⽌膨胀宇宙的物质密度要达到10-31克/⽴⽅厘⽶，可是现在测定的平均

密度值是10－33/⽴⽅厘⽶，理论上讲就这么简单，但是还有⼀个问题需要天⽂学家注意，就是

宇宙中的暗物质。暗物质就是dark matter 的直译，dark matter是包括了⾏星，包括了⿊洞，凡

是你看不见的，探测不出来的，但是它存在着的，还有那些遥远我们⽬前⽆法观测的⼩星系。

根据引⼒作⽤来估量出来的发光天体，和其他有关的天体，包括星云等等都在内的，只占15%，⽽其他的暗物质应该占85%。然⽽是不是还存在很多我们⼈类⽬前⽆法观测的暗物质

呢。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。

参考⽂献：

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[2] 爱因期坦/著 杨润殷／译，《狭义与⼴义相对论》，北京⼤学出版社.

[3] 浩宇.宇宙到有多⼤.科学之窗

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[8] 吴中启／译. 宇宙起源与未来—⼤爆炸宇宙论简介.⼤庆职⼯⼤学.

[9] 宓海江，宓⽂浦.宇宙是⽆数次爆炸⽽形成的（空间系列⼆）. 科技信息.2008