2021-12-30 10:00:53

宇宙的起源 - 所有空间、时间、物质以及事物的总称 免费编辑 修改义项名

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宇宙
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天文学认为,宇宙是所有的空间、时间、物质及其等所产生的一切事物的统称,是我们这个物质世界的整体,是物理学和天文学的最大研究对象。这一名词在现代学术界首先是以经典场、量子力学、相对论与引力场、量项维物基等一系列学术概念为基础的现代物理学定义。其次是以人类历史为背景的人文内涵,哲学上又叫世界。

基本信息

  • 中文名称

    宇宙的起源

  • 外文名称

    The origin of the universe

  • 基本特点

    运动

折叠 编辑本段 研究历史

空间、物质和时间的本质是什么?这是自古致今人们一直都在苦苦思索的问题。直到20世纪出现的基于观测事实的宇宙起源理论大爆炸学说对此作了一个比较实际的概括。20世纪20年代后期,爱德温·哈勃观测到的星系红移现象,20世纪60年代中期,阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威逊观测到的宇宙微波背景辐射和2014年美国物理学家观测到的宇宙原初引力波以及2019年相关科学组织观测拍摄到的黑洞照片,这些发现都给这一理论给予了最直接的观测依据。

折叠 编辑本段 相关理论

折叠 宇宙大爆炸学说

大爆炸宇宙论是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。大爆炸理论认为:宇宙是由一个致密炽热的奇点于约138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。大爆炸理论的建立基于了物理定律的普适性和宇宙学原理这两个基本假设以及科研工作者的实际观测。

许多人不知道的是,与大爆炸理论已经成为常识相比,在该理论刚刚提出之后的很长一段时间,世界科学界对其的态度是"嗤之以鼻"的。这种奇怪的现象,是因为这个理论与《圣经》所言,宇宙是有一个起点的这一说法具有一致性,当时的科学界受进化论推翻"上帝创造论"的哲学思潮影响,盲目地反对传统理论,不承认与《圣经》相似的这种说法,这一时期的西方科学界普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的。因此对于所有涉及说宇宙万物都"有一个起点"的理论一概不予承认。包括像爱因斯坦这样的大科学家也受其影响。爱因斯坦在总结引力场方程时发现这个Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式将推导出宇宙其实是一个有着从未停止的物质变化的动态宇宙,于是在该公式中又强加了一个"宇宙常数",以维持静态宇宙的计算结果。也就是说,最初的场方程其实是这样的:∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv,其中常数"∧"为宇宙常数。自从1922年美国天文学家埃德温·哈勃开始观测到"红移现象"开始,有关"宇宙膨胀"的观点开始形成。1929年,埃德温·哈勃总结出了一个具有里程碑意义的发现,即:不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去,而近处的星系正在向我们靠近。换言之,宇宙正在不断膨胀。这意味着,在早先星体相互之间更加靠近,似乎某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙处于一个密度无限的奇点。听闻此事的爱因斯坦很快来到哈勃工作的威尔逊天文台,在哈勃的带领下亲自进行了红移现象的观测。访问结束后,爱因斯坦公开承认了自己主观意识影响科学结论的错误,并去掉了场方程中的宇宙常数,于是就有了我们所熟知的爱因斯坦场方程(Einstein Field Equation)。就此,哈勃的这一重大发现直接奠定了以大爆炸为中的现代宇宙学根基。

在二十世纪四十年代末,大爆炸宇宙论的鼻祖伽莫夫认为,我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,其温度约为6K。正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气。1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师-彭齐亚斯和威尔逊在工作中发现的宇宙微波背景辐射使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与伽莫夫的理论预言的温度如此接近,正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持!这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇宙微波背景辐射的发现,为观测宇宙开辟了一个新领域,这一发现,使我们能够获得很多大爆炸早期的直接信息。

2014年3月17日美国物理学家宣布,首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。科学家说,原初引力波如同创世纪大爆炸的"余晖",将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期,即所谓"暴涨"。然而,广义相对论提出近百年来,源于它的其他重要预言如光线的弯曲、水星的近日点运动以及引力红移效应等都被一一证实,而引力波却始终未被直接探测到,问题就在于其信号极其微弱,技术上很难测量。美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜,观测宇宙大爆炸的"余烬"-微波背景辐时,计算到原初引力波作用到微波背景光子,会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的扰动,都产生不了这种B模式偏振,因此B模式偏振成为原初引力波的"独特印记"。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发现了比"预想中强烈得多"的B模式偏振信号,随后经过3年多分析,排除了其他可能的来源,确认它就是原初引力波导致的。2016年年初,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文台(VIRGO)的科学家联合宣布,他们探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞在13亿年前的并合产生的引力波,这一发现给大爆炸理论予以了新的有力证据。

2019年4月事件视界望远镜组织(Event Horizon Telescope Collaboration)在美国、比利时、智利、中国、日本同步发布首张基于观测事实的黑洞照片,这一照片给大爆炸理论又进一步增加了一个有利依据。

遗憾的是对于大爆炸的起点以及起点之前和大爆炸之后的最初阶段,相关的观测严重缺乏,最早期的宇宙物质以及能量的实际形式很大程度上仍只是猜测。

折叠 量项维物基

宇宙这一真实的存在表明它必然存在自身的组织成份以及基本面貌,近年国内学者利用数理方法在综合经典场、量子力学、相对论与引力场等理论的基础上提出了一个体现宇宙成份及之基本面的表达式:量项维物基 。描绘了以空间…星分子原子粒子…热光磁电力运动为核心的事物体系在宇宙结构层所起的关建作用,显示以空间…星分子原子粒子…热光磁电力运动为体系的产物是形成宇宙物质和时空存在的基本要素。

该学说是一个研究广宇自然及之人文现象的理论学说,其主旨在于描绘广宇自然的普遍规律。但该学说并没有就大爆炸等及其它相关结论作具体的形容和叙述,而是就广宇自然及之事物的过去、现时、未来以及相关组织、结构、成份、机理等给出了一个相关量的综合性的表达式 。

折叠 编辑本段 分析与概括

很明显大爆炸学说观测解析了广宇自然的一些现壮,量项维物基则进一步展现开能被实际观测和逻辑辨证的该些现壮的成因、成份、结构组织、机理等以及其与广宇自然其它因素的基本关系等事实。依照大爆炸学说、量项维物基共同刻画的能被实际观测和逻辑辨证的事实显示:宇宙是一个起源于自身结构组织,由其运动机理左右,具有多区域、广袤范围、渐变性、多重表现的可被思维认知的集聚体。

折叠 编辑本段 其它理论

折叠 宇宙恒稳态理论

稳恒态宇宙学是几位年轻的英国天体物理学家邦迪,戈尔德和福雷德·霍伊尔在1948年提出的。他们的观点是:在相对论中时空是统一的,既然宇宙学原理认为所有的空间位置都是等价的,那么所有的时刻也应该是等价的。也就是说,天体(物质)的大尺度分布不但在空间上是均匀的和各向同性的,而且在时间上也应该是不变的。也就是在任何时代,任何位置上观察者看到的宇宙图像在大尺度上都是一样的,这一原理称为"完全宇宙学原理"。

稳恒态宇宙学认为宇宙在时间和空间上都是无限的。它主张宇宙从未有过开始,或者更确切地说,宇宙乃是处于连续的创造过程之中。当宇宙膨胀之时,总密度减少,但会创造出更多的物质来使密度升高。因此当宇宙不断地膨胀时,新的物质便连续地在星体中创造出来以填补空隙。

稳恒态宇宙学最大的特点是要求物质和能量不守恒,要求物质不灭定律不成立。为此,霍伊尔提出修改爱因斯坦场方程,他认为新产生的物质是由新产生的真空由高能级向低能级跃迁引起的真空相变产生的。稳恒态宇宙学出台后曾经引起过轰动,但这种原则性的大改动是不能轻易采取的,除非新理论取得了大的成就,并且与观测事实符合得很好,但实际上稳恒态宇宙学与观测符合的程度并不好。

折叠 膜宇宙学

宇宙为什么爆发自一个密度无穷大的点,或者说奇点。但更没有人知道是什么触发了这场爆发:已知的物理定律不能告诉我们在那一刻到底发生了什么。加拿大滑铁卢市圆周理论物理研究所的天体物理学家Niayesh Afshordi表示:"所有的物理学家都知道,龙可能是从奇点飞出来的。"同时科学家很难解释如此激烈的大爆炸留下的宇宙何以拥有一个几乎完全均匀的温度,这是因为自从宇宙诞生以来似乎没有足够的时间达到温度平衡。

对于大部分宇宙学家而言,有关一致性最合理的解释是,在宇宙形成后不久,一些未知的能量形式使年轻的宇宙以超过光的速度膨胀。这样便得到了我们所看到的温度大致均匀的宇宙。但Afshordi强调:"宇宙大爆炸太过混乱,因此很难搞清是否真的存在这种膨胀现象。"。在arXiv预印本服务器上发表的一篇论文中,Afshordi及其同事转而将注意力投向了由包括德国慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的物理学家Gia Dvali在内的研究团队于2000年提出的一种假设。在这个模型中,我们的三维宇宙是一张膜,漂浮在具有四个空间维度的"体宇宙"之上。Afshordi的研究小组认识到,如果体宇宙包含有其自身的四维恒星,那么其中的一些恒星会塌缩,最终形成四维黑洞--这与我们的宇宙中大质量恒星的运作方式是类似的。这些四维恒星会像超新星一样爆发,并猛烈喷射出其外层物质,而它们的内层则塌缩为一个黑洞。

在我们的宇宙中,一个黑洞被一个名为视界的球面联系起来。鉴于普通的三维空间需要一个两维的物体(一个表面)来创建一个黑洞内部的边界,那么在体宇宙中,四维黑洞的视界应该是一个三维物体-- 一种被称为超球面的形状。当Afshordi的研究小组模拟了四维恒星之死后,他们发现,喷射的物质能够在三维视界周围形成一个三维膜,并缓慢膨胀。研究人员假设,我们生活的三维宇宙可能就是这样一个膜,而我们探测到的膜的生长被认为是宇宙的膨胀。Afshordi说:"天文学家观测到这种膨胀,并倒推宇宙必然由一个大爆炸开始--但这只是海市蜃楼。"。这一模型同时自然而然地解释了我们的宇宙的一致性。由于四维体宇宙可能在过去已经存在了无限长的时间,因此它有足够的机会使不同区域的四维体宇宙达到一种平衡,而我们的三维宇宙则很可能继承了这一点。

膜宇宙学是一个物理学上超弦理论和M理论的分支,专门研究宇宙膜,该理论认为宇宙其实是镶在一些更高维度的膜上。该学科同时研究那些更高维度的膜是怎样影响着我们的宇宙。

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