宇宙起源的經過

宇宙的開始和終結



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1. 前言

　　宇宙不是永恆的 ,本人認為它是有始有終的。本報告是一份以宇宙的開始和終結為中心的,而宇宙是怎樣開始的?它的終結又是怎樣呢?這些問題本報告都會一 一解釋,現在讓我們揭示宇宙的神秘面紗令我們對宇宙的開始和終結有新體會新的看法吧!

2. 宇宙的起源

　　自古到今中外科學家都研究的問題 ,而在這方面有多種多樣的神話傳說,有一部份人提出是上帝創造了宇宙,又有人說是佛祖創造了宇宙,這些通通稱之為“創造論”,而又有一部份人提出不少的科學假說,其中似天文學家合伽莫夫的“大爆炸宇宙論”為現代宇宙天文學中的代表,也是目前普遍相信的一種宇宙起始理論之一。

3. 大爆炸宇宙論

　　而什麼是 “大爆炸宇宙論”呢? “大爆炸宇宙論”簡單來說就是,大約在一百五十至二百億年前,宇宙曾在一個體積無很小的點中把宇宙間的萬物集結到一個難以想像的地步 ,而當這個點不能再承受它自身的壓力時,就在這時候這個點突然在瞬間爆炸,時間就是在這時開始。

宇宙大爆炸一共可分為三個階段

3.1第一階段(維持了100秒)

　　宇宙大爆炸之後 1秒，宇宙的溫度為100億度 , 100秒後驟降為10億度, 這時宇宙間只有中子 ,質子,電子,光子還有中微子等基本粒子形態的物質。

　

大爆炸發生於一個體積無很小的奇點　　此時開始產生一些基本粒子



3. 2第二階段(維持了幾千年)

　　隨著整個宇宙體系不斷膨脹 ,溫度很快下降 。當溫度下降至 10億度時,宇宙就進入了第二個階段,化學元素就是從這時開始形成的。在這個階段溫度進一步下降至100萬度,這時,早期形成的化學元素的過程程就結束了。宇宙間的物質主要還是質子,電子,光子和一些比較輕的原子核,光輻射依然強烈,而且還是沒有星體存在。

　

由於溫度的下降一些早期的化學元素就於此時產生



3. 3第三階段(直至現在)

　　當溫度降到幾千度時 ,進入第三階段。由於溫度降低,輻射逐步減弱。宇宙間充滿了氣態物質,這些氣體逐漸凝聚成為星雲,再進一步形成各種各樣的恒星系統,然後成為我們今天所看到的五彩繽紛的宇宙。

　

從第三階段開始就有一部份的恒星系統出現



4. 支持大爆炸宇宙論的直接證據

　　每個新的理論最初出道時總是不太受到人們的重視 ,[大爆炸宇宙論]也不例外。但隨著科技的進步,有著足夠的證據證明[大爆炸宇宙論]是正確的,而有一部份的理據能夠直接支持該理論的準確性,分別是哈伯的紅移學說,氦元素的豐度以及3 K宇宙 背景輻射。



4.1哈伯紅移

　　宇宙紅移亦解釋了大爆炸理論 ,因為我們觀察到許多類星體與電波星系有巨大的紅移，套用哈伯定律的說法，是宇宙正在膨脹,而宇宙膨脹正是大爆炸宇宙論的一個預言。



4. 2氦元素的豐度

　　大爆炸發生一秒鐘以後，宇宙是由極高溫的基本粒子組成的，這時整個宇宙處於均勻的熱平衡態。隨著宇宙的膨脹和降溫，其中的一些粒子逐次與其餘部分粒子脫耦。此時產生的核反應使中子和質子聚合在一起，形成氦核，餘下的核子（沒有聚合的質子）自然就形成了氫核。精確的理論計算表明，當時應有 23．6％的物質質量聚合成了氦核。英國皇家格林尼治天文臺對眾多星系中原始星雲的發射光譜進行觀測的結果表明，宇宙中氦的實際豐度為23．5％。這一結果與大爆炸的理論預言極為相符。



4 . 3宇宙的背景輻射

　　大爆炸理論預言，現在的宇宙中應該存在著一種來自宇宙早期的均勻的、各向同性的微波背景輻射，它是宇宙早期的遺跡，頻譜應該符合普朗克黑體輻射公式，溫度約為 3K。後來，兩位貝爾電話實驗室的工程師，在檢測天線接收訊號的雜訊時，無意間發現了這個背景輻射，而證實了這個理論，此後亦為眾多科學家進一步證實。這一結果表明，宇宙早期曾一度處於平衡態，處處都有相同的溫度，而且物質分佈也是相當均勻的,大爆炸之後，宇宙才逐漸偏離熱平衡態。



宇宙背景輻射影像：紅色表示溫度高、藍色表示溫度低



5.宇宙的 終結

　　從上面的哈伯紅 移和宇宙的背景輻射中我們可以得知宇宙是正在以極快的速度膨脹著 ,但在遙遠的將來,到底我們的宇宙將來會怎樣呢?會是一直膨脹下去直至變成真正的'太空' ?還是會膨脹到一定程度下不再膨脹永遠如此?或是會膨脹到引力的極限時變成 “ 大崩陷 ”呢?這就取決於宇宙模型到底是開放的,還是平 坦的 ,或是封閉的 。



5.1開放宇宙

　　(如圖1 – 1所示)若質量密度比臨界值少 , 它會是一個空間曲率為負、馬鞍形的宇宙 , 如果一個宇宙質量不大，引力就不足以降低其膨脹速度， 我們稱之為開放宇宙 。 (如圖1- 1所示) 在開放的宇宙中，膨脹在無限制地繼續著，由於物質不斷散失和離開，黑洞間相撞的可能性也日益減少。這個掠奪者的命運只能是在黑洞蒸發現象中毀掉。



圖 1 – 1



圖 1 – 2



5. 2平坦宇宙

　　假若密度和臨界密度相等，空間曲率為零， 當 所擁有的物質足以使膨脹速度減緩，但又不發生坍縮的宇宙 , 宇宙如一張白紙般平坦而開放的宇宙。 (如圖 2 - 2) 即是說，宇宙是從細小的地區，經過爆炸和膨脹，發展到一個平坦和巨大的宇宙,而後是永不改變直至永遠。





圖 2 - 2

5. 3封閉宇宙

　　假若密度高於臨界密度，它則是一個空間曲率為正 ,球形的封閉宇宙(如圖1-1所示)。在封閉的宇宙中，黑洞不斷吸收物質並且不斷地增大。由於它們越變越大，因此就能找到更近的物質，之後與其他黑洞相撞?生更大的黑洞。最後把宇宙中的物體都吸進去，宇宙中只剩下它們自己。甚至可以說宇宙像是惟一的一個黑洞。但實際上， (圖3 – 2所示)封閉的宇宙有一定的年齡，到一定時期就開始收縮，在宇宙成?單一的黑洞之前，封閉的宇宙就會因收縮而毀滅宇宙會把世上的一切再次帶回到極高溫的”大崩陷”狀態。



圖 3 – 1



圖 3 – 2


6. 總結

　　我們要了解過去的宇宙才可以清楚現在的宇宙 ,再去推敲將來的宇宙,宇宙開始於大爆炸,我想沒有人會異議,言而宇宙的未來就有不同的說法,但宇宙將會怎樣呢?時間會證明一切,我想將來一定會有宇宙學家能夠解釋這些問題,而我將來也要當一位宇宙學家,說不定我就是那位解釋問題的宇宙學家呢!

宇宙的從無到有



根據經典的創世大爆炸理論， 宇宙的所有部分都是一下子開始擴大的。 那麼， 宇宙的所有部分是怎樣在同一個時間開始擴大的？是誰下的命令呢？

－安德列‧林德，宇宙哲學教授‧2

在一個世紀之前，大多數天文學家忽視了關於宇宙被創造的這個概念。究其原因，19世紀的科學認識傾向於關於宇宙恒久性的假設。研究宇宙的科學家們的多半以為，他們面對的是恒久以來就存在的同一個物質的整體，根本就沒有想過這只是宇宙的一個開始。

“恒久以來就存在”的說法是隨著西方唯物主義哲學一道出現的。在古希臘發展起來的這個哲學認為，除了物質之外，不存在任何別的東西，宇宙是恒久以來就存在的，也是無止無盡的。事實上，唯物主義在教堂占主導地位的中世紀被束之高閣。後來，隨著文藝複興之後，西方科學家和思想家們重新對古希臘文獻的熱衷，唯物主義重新開始有了市場。
（德國哲學家以馬內力.康得是在新世紀裏把'恒久宇宙'斷言首先提到日程裏的人物°不過, 科學發現證明康得的這個斷言站不住腳°）


著名的德國思想家以馬內利‧康得是在新世紀為唯物主義的宇宙觀辯護的第一人。康得認為，宇宙恒久以來就存在，在這種恒久的情形下，什麼都應該可能發生。繼承康得衣缽的人們繼續為這種宇宙觀和唯物主義思想辯護。到了19世紀，那種認為宇宙並沒有一個開始，即不是被創造的斷言，開始得到廣泛的接受。卡爾‧馬克思，弗萊德裏希‧恩格斯這樣的辯證唯物主義者熱烈信奉的這個斷言，被傳到了20世紀。

所謂的“恒久以來就存在”的論點，和無神論是息息相關的。因為說宇宙有一個開始就意味著宇宙被真主所創造，所以，在沒有任何科學根據的情況下，唯物主義者對此觀點預以反駁的唯一出路就是斷言：恒久以來就存在。堅持維護這種觀點的人士之一便是20世紀上半葉，著書立說鼓吹唯物主義和馬克思主義而聞名的喬治‧包利茲。他在其名為“哲學的基礎理論” 一書裏認為，“恒久宇宙”模式是行的通的，他是這樣反對真主創造論的：

“宇宙不是被創造的。如果它是被創造的，那麼，它應該是在某個時候被真主創造的，從而使它從無到有。要想接受這種觀點，那麼，首先得接受宇宙不存在之前有一個不存在時間的存在，然後，再接受宇宙從無到有。這是科學無法接受的一件事情。” 3
包利茲在反對真主創造論，主張恒久宇宙的論點時，以為科學在他的那一邊。然而，沒有過多久，科學發現推翻他的論點，證明瞭宇宙被真主創造的事實。

宇宙的膨脹和創世大爆炸理論的產生

20世紀20年代是現代天文學得以發展的重要年代。1922年，俄國物理學家亞力山大‧弗萊德曼根據愛因斯坦的普通相對論原理，經過計算得出了宇宙並非靜止，任何一個微小的相互作用都會使宇宙得到擴展或者縮小的結論。意識到弗萊德曼的這個結論的第一個人是比利時天文學家喬治斯‧勒馬太。他根據這個結論預測，宇宙肯定有一個開頭， 並從這個開頭起，宇宙一直在膨脹。另外，他還指出，在開頭時遺留下來的輻射將能夠得到探測。
(愛德文‧哈勃通過使用巨大的天文望遠鏡發現宇宙在膨脹°由此，哈勃推翻了‘恒久宇宙’這個神化傳說，給創世大爆炸理論找到了第一個證據。)


這些科學家們的理論性質的推算，在當時沒有引起人們的重視。不過，在1929年發現的一個證據後來在科學界引起動。那一年，在加利福尼亞的蒙特‧威爾遜觀象臺，美國天文學家愛德文‧哈勃作出了天文學歷史上最大的一次發現。哈勃通過其巨大的天文望遠鏡遙望天空時，觀測到星系根據他們的距離的遠近，朝著紅顏色的方向散發著光芒。這一發現給當時已被接受的宇宙觀造成了強烈震撼。

因為根據已知的物理定律，朝著參照物照射的光的光譜會朝著紫色的方向行進，遠離參照物的光的光譜會朝著紅色方向行進（好比遠離參照物的火車的笛聲會逐漸變弱那樣）。 哈勃的觀測用這個原理來解釋的話，就是星系在遠離我們生活的地球。沒有過多久，哈勃又有了重要發現：星星和銀河系不僅在遠離地球，同時，還在遠離對方。從這種現象得出的唯一的結論是：宇宙在膨脹。

在不久以前被喬治斯‧勒馬太預見的這個事實，實際上，很早以前也被20世紀的最偉大的科學家愛因斯坦提到過。1915年，愛因斯坦在提出普通相對論時，就得出了宇宙不可能靜止的結論。然而，對這種發現感到吃驚的愛因斯坦，為了否定這個“不恰當的”結論，給方程式添加了名叫“宇宙恒定”公式，因為在那個時候，天文學家們告訴他，宇宙是靜止的，所以，他認為他的概念應該符合這種模式。不過，到後來，他承認，“宇宙恒定”公式是“他職業裏的最大的敗筆”。

哈勃提出的關於宇宙膨脹的真理，觸發了另一個真理的誕生：既然宇宙在膨脹，那麼，時間要回流的話，宇宙會變得更小，直到縮成“一個點”。

儘管計算，包容宇宙萬物的這個“點”，在可怕的引力下，它顯示會具備“零體積”的能力。宇宙是在這個具備零體積的點發生爆炸後出現的。這個爆炸被稱為“創世大爆炸”，這個理論也因此得名。

創世大爆炸理論表明了一個重要的真理：既然零體積意味著“無”，那麼，宇宙是從“無 ”到“有”的。這表明了宇宙只是個開始，從而使唯物主義的所謂的“恒久以來就存在” 假設失去了依據。


“靜止狀態”試驗

由於創世大爆炸理論有足夠的證據證明自己，所以，很快開始得到科學界的承認。不過，那些對唯物主義哲學和根據這個哲學派生出來的所謂的“恒久宇宙”思想繼續進行維護的天文學家們，開始抵制創世大爆炸理論，同時，力圖不讓“恒久宇宙”思想失去陣地。唯物主義者、物理學家亞瑟‧愛丁頓便是個主要人物，他指出，“從哲學的角度來看， 目前這種所謂的秩序是突然出現的思想，令我感到厭惡”。從他的這番話，可以看得出他反對創世大爆炸理論的原因。4

對創世大爆炸理論感到不安的人士當中，著名的英國天文學家弗萊德‧霍伊爾爵士首當其衝。他在這個世紀的中葉拋出了一個名叫“穩步狀態”的進化模式，該模式基本上是19世紀流行的所謂恒久宇宙理論的繼續。雖然，他承認宇宙在膨脹，但是，他斷言，宇宙的規模和時間是恒久的，根據他提出的模式，隨著宇宙的膨脹，物質會根據數量的需要，自然而然會出現。這個模式的唯一目的顯然是為恒久宇宙論點進行辯護，因此，該模式和創世大爆炸理論是不相容的。

儘管，主張這個進化模式的人士對創世大爆炸理論進行了長期的抵制，然而，科學的進步證明瞭他們的失敗。

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結構形成
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歷史
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現代物理宇宙學一般認為宇宙起源於大爆炸，即約137億（±1%）年前由一個密度極大，溫度極高的狀態膨脹而來。對於大爆炸以前的宇宙，目前只有一些猜測性的理論。而最新的研究則認為宇宙年齡為156億年[2]，但是這個說法還未得到公認[3]。對於大爆炸以後的宇宙，則可以用較成熟的理論加以描述。一種典型的理論是：

10-43秒：宇宙從量子背景出現。
10-35秒：宇宙由夸克-膠子電漿體構成，強相互作用、引力與電磁相互作用/弱相互作用分開。
10-5秒：電子形成，宇宙主要包括光子、電子和中微子，溫度約1000億度。
10秒：質子和中子結合成氘﹑氦等原子核，溫度30億度。
35分鐘：形成原子核的過程（核融合，nucleosynthesis）停止，溫度3億度。
30萬年：電子和原子核結合成為原子。物質和輻射脫耦，大爆炸輻射的殘餘成為今天的3K微波背景輻射。
4億年：第一批恆星形成。
20億年：星系形成。
50億年：太陽系形成。
目前宇宙還在繼續膨脹之中，這在觀測上為哈伯定律所概括。


[編輯] 宇宙的大小
目前關於宇宙是否無限的問題還有爭議。如果整個宇宙的空間部分是有限的，那麼可以用一個距離來表示。對於均勻各向同性的宇宙來說，這就是三維空間的曲率半徑。但是，即使宇宙整體是無限的，宇宙的可觀測部分仍是有限的：由於相對論限定了光速為宇宙中信息傳播的最高速度，如果一個光子從大爆炸開始傳播，到今天傳播的固有距離為137億光年，由於宇宙在膨脹，相應的共動距離約為其3倍，具體數值與宇宙學參數有關，這一距離稱為今天宇宙的粒子視界。 另一個在物理學數量級估計中常用來表示宇宙大小的距離稱為哈伯距離，是哈柏常數的倒數乘以光速，其數值約為1.29 x 1028厘米，也恰為137億光年。科普和科技書籍中所說的宇宙的大小常指這個數值。哈柏距離可以理解為四維時空的曲率半徑。


[編輯] 宇宙的形狀

威爾金森探測器測量的宇宙微波背景輻射分佈。宇宙的形狀是宇宙學中一個未解決的問題。用數學的語言說就是：「哪一個三維形狀才能最好地代表宇宙的空間結構？」

首先，宇宙到底是不是「平坦空間」，即大範圍內遵守歐氏幾何的空間還未清楚。目前，大部分宇宙學家認為已知宇宙除了大質量天體造成的局部時空褶皺，是基本平坦的－就像湖面是基本平坦但局部有水波一樣。最近威爾金森微波各向異性探測器觀測宇宙微波背景輻射的結果也肯定了這一認識。

其次，宇宙是否是多重連接的尚未清楚。根據大爆炸理論宇宙是沒有空間邊界的，然而其空間大小可能是有限的。我們可以通過二維的概念類推：一個球面沒有邊界，但是它的面積是有限的（4πR2）。它是一個在三維空間有固定曲率的二維表面。數學家黎曼發現了四維空間中一個與此類似的三維球形「表面」，其總體積為有限（2π2R3）但三個方向都朝第四個維度彎曲。他還發現了一個「橢圓空間」和「圓柱形空間」，後者的圓柱形兩頭互相連接但沒有彎曲圓柱本身－這一現象在普通的三維空間是不可想象的。類似的數學例子還有很多。

如果宇宙真是有限但無邊界的話，人沿著宇宙中一條任意方向的「直線」走下去，最終會回到出發點，其路線長度可認為是宇宙的「直徑」（這個直徑是現在人類對宇宙的認識所無法想象的，因為它一定要比我們所見的宇宙部分大得多。）。


哈伯望遠鏡拍攝的高清晰度深場照片，顯示姿態年齡各異的河外星系。照片片上最小，顏色最紅的屬於人類看到的最古老的星系，在宇宙年齡約8億年的時候就已經存在。宇宙有可能具有多重連接的拓撲學結構。如果這些結構足夠小的話，人類，就如同在掛了多面鏡子的房間里，可能在不同方向看到同一天體的多個影像。而實際的天體數量就會比觀測所見少。從這個角度講，星體和星系應該稱作「所觀的影像」才合適。這個可能至今沒有被徹底否定，但最近的宇宙微波背景輻射研究結果認為是很不可能的。


[編輯] 宇宙的命運
根據天文觀測和宇宙學理論，可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。均勻各向同性的宇宙的膨脹滿足弗里德曼方程。多年來，人們認為，根據這一方程，物質的引力會導致宇宙的膨脹減速。宇宙的最終命運決定於物質的多少：如果物質密度（1）超過臨界密度，宇宙的膨脹最後會停止，並逆轉為收縮，最終形成與大爆炸相對的一個「大坍縮」（big crunch）；如果物質密度（2）等於或（3）低於臨界密度，則宇宙會一直膨脹下去。另外，宇宙的幾何形狀也與密度有關： 如果（1）密度大於臨界密度，宇宙的幾何應該是封閉的；如果（2）密度等於臨界密度，宇宙的幾何是平直的；如果（3）宇宙的密度小於臨界密度，宇宙的幾何是開放的。並且，宇宙的膨脹總是減速的。

然而，根據近年來對超新星和宇宙微波背景輻射等天文觀測，雖然物質的密度小於臨界密度，宇宙的幾何卻是平直的，也即宇宙總密度應該等於臨界密度。並且，膨脹正在加速。這些現象說明宇宙中存在著暗能量。不同於普通所說的「物質」，暗能量產生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情況下，宇宙的命運取決於暗能量的密度和性質，宇宙的最終命運可能是無限膨脹，漸緩膨脹趨於穩定，或者是與大爆炸相對的一個「大坍縮」，或者也可能膨脹不斷加速，成為「大撕裂」（big rip）。目前，由於對暗能量的性質缺乏了解，還難以對宇宙的命運做出肯定的預言。


[編輯] 多重宇宙
對於多重宇宙有不同的理解。一種理解是，位於可觀測宇宙之外的時空，構成了其它的宇宙。例如，在宇宙暴漲中形成的其它大量時空，或者我們宇宙中黑洞奇點內我們所無法理解的時空。這些不同的時空部分總體構成了多重宇宙。另一種理解則強調這些不同的宇宙不僅僅是時空區的獨立，而且其中的表現的物理規律也可能有所不同，例如其中的粒子也許具有不同的電荷或質量，其物理常數也各不相同。

有時人們也把平行宇宙與多重宇宙當作同義詞。不過，平行宇宙還有一種理解，即量子力學中的多世界解釋。這種解釋認為，在量子力學中，存在多個平行的世界，在每個世界中，每次量子力學測量的結果各自不同，因此不同的歷史發生在不同的平行世界中。


[編輯] 注釋
↑ Varun, Sahni (2006). "Dark Matter and Dark Energy" (PDF). Lecture Notes in Physics (653): 141-180.
↑ Bonanos, A. Z.; Stanek, K. Z.; Kudritzki, R. P.; Macri, L.; Sasselov, D. D.; Kaluzny, J.; Bersier, D.; Bresolin, F.; Matheson, T.; Mochejska, B. J.; Przybilla, N.; Szentgyorgyi, A. H.; Tonry, J.; Torres, G. (2006). "The First DIRECT Distance to a Detached Eclipsing Binary in M33". Astrophysics and Space Science Online First.
↑ 黃永明, 2006年世界天文學和天體物理學重要進展, 科技導報. 2007, 25 (3): 13-17.