宇宙的起源和演化

苦苦守著《文獻檢索與綜述》的作業不知寫什麼好，偶然從同學那看到這霍金的《時間簡史》，然後心血來潮，就以宇宙為話題寫下了這篇論文。也許這個假期最大的收穫就是這個吧，幾天找了很多的資料，看很多的書和相關視頻，當然也學習到了很多很多，個人對結果頗感滿意。

宇宙的起源和演化

前言：關於宇宙起探,歷史上曾經出現過各種各樣的想像和神話傳說。但宇宙的起裸本身卻是一個科學問題 。20世紀以來 ,人們在宇宙觀側中取得了越來越多的重大發現 ,從而逐漸建立起大姆炸宇宙學模型。美國天文學家斯萊弗在研究遠處的旋渦星雲發出的光譜時,首先發現了光譜的紅移,認識到了旋渦星雲正快速遠離人們而去。1929年哈勃把這種退行紅移與星系的距離結合起來,得出了著名的哈勃定律(星系的退行速度與它的距離成正比 ),即根據哈勃定律和後來更多夭體的紅移的測定,發現宇宙在長時間內一直在膨脹著,物質密度一直在變稀。由此反推:宇宙的結構在某一時間前是不存在的,它只能是演化的產物因而年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙學模型:—宇宙是由甚早期溫度極高、密度極大、體積極小的物質迅速膨脹形成的這是一個由熱到冷、由密到稀,不斷膨脹的過程，尤如一次規模極其巨大的超級大爆炸。

關鍵字：宇宙大爆炸 宇宙膨脹 暗物質

一、宙的起源

1）「宇宙大爆炸」假說

到目前為止，許多科學家傾向於「宇宙大爆炸」的假說。這一觀點是由美國著名天體物理學家加莫夫和弗里德曼提出來的。這一假說認為，大約在200億年以前，構成我們今天所看到的天體的物質都集中在一起，密度極高，溫度高達100 多億度，被稱為原始火球。這個時期的天空中，沒有恆星和星系，只是充滿了輻射。後來不知什麼原因，原始火球發生了大爆炸，組成火球的物質飛散到四面八方，高溫的物質冷卻起來，密度也開始降低。爆炸兩秒鐘之後，在100億度高溫下產生了質子和中子，在隨後的自由中子衰變的11分鐘之後形成重元素的原子核。大約又過了1 萬年，產生了氫原子和氦原子。在這1萬年的時間裡，散落在空間的物質便開始了局部的聯合，星雲、星系的恆星，就是由這些物質凝聚而成的。在星雲的發展中，大部分氣體變成了星體，其中一部分物質因受到星體引力的作用，變成了星際介質。

現代宇宙學為「大爆炸」理論提供了可靠的觀測事實和理論依據。

㈠ 哈勃定律

1929年一個美國天文學家叫哈勃，他就用了大型望遠鏡來估算斯里弗測量出譜線紅移的46個星雲的距離，用這兩個參數，一個是星雲的距離，一個是這些星雲離我們遠去的運動速度，它用這兩組數據，這兩個參數來得到了這樣一個關係式，橫坐標是哈勃估算出來的距離，他得到了一個離我們越遠的星雲退行的速度越大的結果，它們呈線性關係，這個就被稱之為哈勃定律。他發現這些星系的譜線都存在明顯的位移。根據物理學中的多普勒效應，這些星系在朝遠離我們的方向奔去，即所謂退行。而且，哈勃發現這些星系退行的速度與它們距離成正比。也就是說，離我們越遠的星系，其退行速度越大。這種觀測事實表明宇宙在膨脹著。

經科學測量，地球外所有從星星上上傳到地球上的光線，其頻率都變小了（光譜向「紅「的方向移動），就像二列火車分開（反向行馳）時其聲音變寬了頻率變小。這說明：天際的各類星星現在正在不斷擴散，宇宙正在不斷擴大，星星都在遠離地球而去它們的光都向紅端移動科學上稱之謂「紅移」。例如：（「馬卡良609」星系發出的光譜，在500納米與650納米處共有條光譜線與地面實驗室所得的5條光譜線比較，全都向長波方向移動了一些距離，根據這個位移距離，哈勃計算出了它相對於地球的退移速度。他又將其他一些星系的光譜退移的速度與其離地球的距離繪製於圖上，結果得一條直線。他由此立了個公式：V=H*S（膨脹速度等於哈勃係數乘星系團與地球的相對距離）。哈勃認為，宇宙正在膨脹，「倘若倒轉歷史方向，就應該發現宇宙從某個更小、更密的狀態其尺度為零變化而來。」這就是一次「大爆炸」。㈡ 「3K微波背景輻射」的發現

1965年，美國貝爾實驗室的兩位科學家，研究星系的同步輻謝時，測到一種「過剩的噪音」，這種噪音均勻地分布來自空間各個方向，不隨時間改變，十分穩定，經測定，這種噪音是絕對溫度3K的微波段輻射。

普林期頓的皮伯爾教授認為：如果起源於大爆炸，那就需要大量的輻射來了阻止有密集在一起的粒子聚變成重元素，從而留下足夠的氫氦以形成我們今天的宇宙中的恆星和星系，隨著宇宙的膨脹，輻射漸冷卻下來，但仍以較弱的形式，瀰漫於宇宙，這種輻射今天應該是可以觀測到的，只要輻射在開氏溫標幾度就可以。皮伯爾的預言是被「3K微波背景輻射」所證實，這種背景輻射是大爆炸的回聲。

㈢大爆炸的核合成

宇宙中物質的種類比例與組成，如果用粒子數來說，90%是氫，10%是氦，其他所有的元素都不足1%。如果用質量來說，75%是氫，25%是氦，其他的所有不足1%。那麼我們可以算出來，宇宙中大體上有多少個恆星，這個恆星的年齡有多大？那麼現在宇宙中應該有多少氫？有多少氦？就算出來了。那算出來的結果和觀測非常地不符合，如果說我們這個宇宙中的氦完全是由每一個單個的恆星，通過氫聚變成氦的熱核反應產生的。我們可以算出來，用這些正常的手段是絕對產生不了宇宙中這麼多氦的。那麼最後的結論是什麼呢？只有在當初通過一個非常時期，也就是說一次大爆炸的過程，那麼在大爆炸過程中就會迫使很多氫聚變成氦，然後在造我們這個恆星的時候，就不單是純粹由氫來造了。而是由氫再加上氦一起來造的這個恆星。所以恆星在造的時候，已經就含了好多個氦的元素含量已經多了，因此我們現在測出來宇宙中的元素含量才有了這麼多的氦

大爆炸宇宙學棋型發展至今 ,特別是關於輕元索丰度的解釋和徽波背景輻射的測 ,說明大爆炸宇宙學模型正在走向成熟，但這並不能說明該理論無可挑剔。相反 ,大爆炸理論存在諸多包括視界間題、平坦性間題現巳被暴漲理論所解釋、奇性間題、磁單極子問題、重子不對稱間題、暗物質間題和字宙常數等間題等待進一步研究。相信這些問題的不斷解決 ,將進一步完善大爆炸宇宙學模型

2）「宇宙永恆」假說

這種假說認為，宇宙並不是像人們所說的那樣動蕩不定，自從開天闢地以來，宇宙中的星體、星體密度以及它們的空間運動都處在一種穩定狀態，這就是宇宙永遠假說。這種假說是由英國天文學家霍伊爾、邦迪和戈爾特等人提出來的。霍伊爾把宇宙中的物質分成以下幾大類：恆星、小行星、隕石、宇宙塵埃、星雲、射電源、脈衝星、類星體、星際介質等，認為這些物質在大尺度範圍內處於一種力和物質的平衡狀態。就是說，一些星體在某處湮滅了，在另一處一定會有新的星體產生。宇宙只是在局部發生變化，在整體範圍內則是穩定的。

3）「宇宙層次」假說

這種假說是法國天文學家沃庫勒等人提出來的。他們認為宇宙的結構是分層次的，如恆星是一個層次，恆星集合組成星系是一個層次，許多星繫結合在一起組成星系團是一個層次，一些星系團組成超星系團又是一個層次。

綜合起來看，以上種種假說雖然說明了模式的部分道理，但還缺乏概括性，還有繼續探討的必要，宇宙的誕生之謎對充滿了求知慾的人們來說有著無窮的吸引力。

二 、宇宙的演化

目前宇宙不斷在膨脹個不爭的事實,具有充分的理論及觀測證據。科學家估測在未來300億年內宇宙還是不斷地膨脹。然而宇宙就這樣一直會膨脹下去嗎？宇宙會終結嗎？這是天文科學必需回答的問題。就目前而言，天文學家普遍認為宇宙會有三種可能的未來。一種命運，引力最終佔上風。由於物質足夠得多，最後引力克服四向膨脹的力量，宇宙不再膨脹。宇宙不再膨脹之後，當引力佔上風，佔一點點上風的時候，就開始收縮，我們的宇宙就開始大收縮，這是第一種。第二種可能就是一直膨脹下去，按照哈勃的線性關係，無窮無盡地一直膨脹下去。第三種它可能膨脹之後又收縮，收縮之後又膨脹，變成反覆的脈動。

那到底什麼決定宇宙未來走向哪條路呢？最後的結局從宇宙開始就已決定了。它取決於宇宙的總體密度，一個被宇宙學家稱之為Ω的值。平直宇宙，處於準確的平衡狀態，其Ω值被定義為1。如果Ω大於1，哪怕僅超過一點點，宇宙就會擁有足夠的質量也可以說是能量，從而靠其自身引力阻止膨脹的趨勢，把所有的物質揀回到一個難以想像的奇點，如果Ω小於1，宇宙正以快與其"逃逸速度"的速度在膨脹，且會繼續膨脹下去。而Ω值主要取決於我們宇宙中的平均物質密度，也就是說我們宇宙中到底有多少物質。如果我們宇宙中平均的物質密度比較高，那麼它的引力的作用就會越來越大，那就有可能膨脹一段以後呢，就收縮回來。那麼宇宙中如果物質密度比較低，宇宙就一直膨脹下去。

從理論上計算，要想終止膨脹宇宙的物質密度要達到10-31克/立方厘米，可是現在測定的平均密度值是10－33/立方厘米，理論上講就這麼簡單，但是還有一個問題需要天文學家注意，就是宇宙中的暗物質。暗物質就是dark matter 的直譯，dark matter是包括了行星，包括了黑洞，凡是你看不見的，探測不出來的，但是它存在著的，還有那些遙遠我們目前無法觀測的小星系。根據引力作用來估量出來的發光天體，和其他有關的天體，包括星雲等等都在內的，只佔15%，而其他的暗物質應該佔85%。然而是不是還存在很多我們人類目前無法觀測的暗物質呢。21世紀物理學的一個重要的任務之一就是研究宇宙中的暗物質。

參考文獻：

[1] 史蒂芬.霍金/著 許明賢、吳忠超/譯，《時間簡史》，湖南科學科技出版社.

[2] 愛因期坦/著 楊潤殷／譯，《狹義與廣義相對論》，北京大學出版社.

[3] 浩宇.宇宙到有多大.科學之窗

[4] 周勛秀 ,焦善慶 ,黃 　慶.強黑洞(原生黑洞)的物理性質 [J ] .雲南大學學報(自然科學版) ,2002 ,24 (5) :358 – 361

[5] 焦善慶,許弟余,龔自正,江光佐. 宇宙起源及宇宙命運. 吉首大學學報(自然科學版)，1007-2985(2006)02-0046-04.

[6] 張邦固.宇宙奧秘 [M] .北京:科學出版社 ,2002.

[7] 梁英賢，羅自林.宇宙起源與未來.402160

[8] 吳中啟／譯. 宇宙起源與未來—大爆炸宇宙論簡介.大慶職工大學.

[9] 宓海江，宓文浦.宇宙是無數次爆炸而形成的（空間系列二）. 科技信息.2008