地球科学概论论文

宇宙大爆炸

工程学院 410112030113 王小彤

大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔所采用的。宇宙大爆炸仅仅是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。 大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。宇宙大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，宇宙大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展。40年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形象地称为“原始火球”。所谓原始火球也就是一个无限小的点，现在的宇宙仍会继续膨胀，也就是无限大，有可能宇宙爆炸的能量散发到极限的时候，宇宙又会变成一个原始火焰即无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的一个主要流派，它能较满意地解释宇宙学的一些根本问题。1964年发现的宇宙微波背景辐射是支持大爆炸确实发生的重要证据，特别是当测得其频谱从而绘制出它的黑体辐射曲线之后，大多数科学家都开始相信大爆炸理论了。 一、 何处是中心

几千年来，人类观察宇宙的手段从肉眼到望远镜和人造卫星，视野从太阳系扩展到银河系和河外星系，而对宇宙的认识，则经历了蒙昧时期的神话和古代哲人的猜测以及文艺复兴以来的革命，直到20世纪，现代宇宙学的诞生。对于宇宙的诞生有最初的开端想法，圣经中，上帝用七天创造了世界。而在三国徐整著的《三五历记》中记录了盘古开天辟地的神话，其中记载为“未有天地之时，混沌状如鸡子，盘古生其中一万八千岁，天地开辟，阳清为天，阴浊为地。”

公元140年，希腊裔的天文学家托勒密提出了一个完整的地心体系，日、月、金木水火土它们沿着各自对离地球不同的距离的各自轨道东升西落，即顺时针方向运行，为了要解释观察到的天体的运动，把它们绕着地球运转的轨道称为本轮，为了更好地描述它们的运动，在本轮之上又有一个小圈叫均轮，行星除了在本轮上运动，还在均轮上运动，这就是托勒密的地心说，他用本轮与均轮很好的解释了天体运动。波兰天文学家哥白尼却提出了相反的观点，他认为是地球绕着太阳转，而不是太阳绕着地球转，并且太阳才是宇宙的中心。他的太阳中心说提出了月亮不仅绕太阳转还绕地球转，同时也否定了本轮与均轮的说法。开普勒为太阳中心说找到了证据，他在《新天文学》中宣布，发现行星是沿着椭圆轨道围绕太阳运动的，这打破了天体必须做匀速运动的观点，成为地心说的终结。牛顿认为支持行星运动的是重力，他用严格的数学计算得出，万有引力是维持天体运动的原因。哈雷提出用金星凌日测量地球到太阳的距离，法国潘格雷用金星凌日测出地球到太阳的距离为1.5亿公里。1842年，奥地利物理学家多普勒，通过三棱镜观察光谱，发现宇宙的秘密隐藏在光线里，夫琅和费用三棱镜做了大量的实验，哈勃运用光谱位移原理，在宇宙观察上作出了重大发现。1895年，英国天文学家哈金斯，通过观测光谱找到了钠、钙、镁化学元素的谱线，1880年前后，他

对太阳光谱中构成普贤的化学元素进行分析，以了解太阳和恒星都是有何种成分构成的，他得出结论，太阳和恒星都是由氢和氦构成。这一发现宣布了太阳只不过是一颗普通的恒星，人类因此了解到，太阳和地球都不是宇宙的中心。

二、给我证据

1923年，埃德温·哈勃用望远镜观测到三颗从未见过的星星，这一发现预示着人类的视野将超越银河系，走向一个广阔的宇宙中。

1925年，爱因斯坦提出了狭义相对论，十年后，又提出了广义相对论。广义相对论和量子论推动了二十世纪的物理革命，也为从整体上研究哈勃发现的星系宇宙奠定了理论基础。爱因斯坦还在广义相对论中提出了斥力，他称之为宇宙学常数引力与斥力保持平衡，空间便可以保持静止永恒了。1922年，俄国学者阿列克谢·弗里德曼提出宇宙不会静止不动，否定了爱因斯坦的宇宙静态模型。哈勃发现所有的星系都在远离我们，根据逆向推论得出，总有一个时刻，宇宙处于非常致密的状态，这便是那个起点，代表宇宙的诞生，这就是宇宙大爆炸。20世纪以后，物理学家发现原子是由中子和质子组成的。1946年，前苏联科学家伽莫夫提出了宇宙中的氦主要是在大爆炸后不久的高温条件下合成的理论。1948年，德国天文学家沃尔特·巴德作出了新的发现，他认为沙普勒与哈勃选用的变星光源有问题，这一发现纠正了哈勃测定结果，为大爆炸理论的确立扫除了一个障碍。霍伊尔认为大爆炸理论很荒谬，他提出所谓完美宇宙学的原理，认为宇宙不仅在空间上均匀，而且面貌不随时间改变。他认为宇宙大爆炸会在今天留下痕迹，可问题在于痕迹能找到吗？

三、宇宙的密码

针对霍伊尔的疑问，伽莫夫和他的同学开始寻找痕迹，他们得出宇宙大爆炸也许并不成立。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了宇宙大爆炸的痕迹，即宇宙微波背景辐射，证明了宇宙曾经的确处于与现在完全不同的高温高密状态，证实了勒梅特的没有昨天的那一天的猜想。彭洛斯曾研究爱因斯坦方程可能的导致的另一种结果，发现了一个区域，就是所谓的黑洞，黑洞的发现让所有的物理学定律失效，这就是所谓的时空奇点。霍金从数学角度研究爱因斯坦方程，结果支持了大爆炸理论，他和彭洛斯认为，黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事，都是不可避免的事。

宇宙微波背景辐射发现后，霍伊尔并没有肯定的接受这一观点，他认为星系发的光可以证明光谱但这是很困难的事。大爆炸理论已接近完整，但还有一个最重要的问题，如果不形成星系，最初的宇宙必须不是完全均匀的。乔治·斯穆特认为，宇宙微波背景辐射在各个方向上的微小变化，都可以使宇宙扩张及形成的秘密进一步解开。宇宙产生于一次大爆炸的理论在科学和宗教两方面上得到认同，然而，大爆炸理论并非就此完美无缺，仍然还有一些问题需要解决。

四、宇宙的摸样

阿伦·古思提出宇宙起源的新理论，使人们对宇宙大爆炸的认识又进了一步。 根据爱因斯坦的广义相对论方程，定义出了临界密度的概念，宇宙密度与临界密度有着一样的数量级。20世纪70年代，许多粒子物理学家对宇宙学发生了浓厚的兴趣，早期宇宙，温度极高，密度极大，与我们熟悉的大不相同。古思与戴自海合作，研究宇宙大爆炸中磁单

极产生的问题。1979年，古思等人在研究中发现，在宇宙大爆炸中有可能产生非常多的磁单极，并且一直存留到现在，古思还提出，解释这种结果的一种方法是，磁单极产生后，宇宙发生了一次极迅速的指数式膨胀。弗里兹·兹维斯提出了中子星等许多新奇的理论。1934年，他研究了星系团内星系的运动，首次提出了暗物质存在的可能性，通过引力，人们可以得出暗物质的总量，结果是普通物质加上暗物质总量只是临界密度的20%到30%，并没有达到临界密度。

爱因斯坦曾引入宇宙学常数，但并没有一种理论能够解释为什么会有宇宙学常数。许多暗能量的假说都不能很好的解释是它的性质。1998年，它被评为当年度世界十大科学发现之首。1998年12月29日，科学家们放飞了一个高灵敏度的氢气球，对数据的分析得出，宇宙的几何空间正如暴胀理论预言那样完全是平直的。

我们终于了解到宇宙时在大约140亿年前又一次大爆炸产生的，从牛顿时起，我们知道宇宙是无限而永恒的，在空间上没有范围，在时间上没有开始和结束。但大爆炸理论却告诉我们，宇宙不是永恒不变的，它有一个开始，而且处在不断膨胀之中。此外，我们还知道宇宙的空间是平直的，宇宙的成分30%是物质，而且大部分是看不见的暗物质，其余的70%是暗能量，宇宙在加速膨胀，有可能会永远膨胀下去。但暗物质与暗能量究竟是什么呢？我们现在还不能回答。