宇宙简史——宇宙膨胀理论

作者: 斐乐苏菲 | 来源:发表于2017-12-22 14:39 被阅读51次

“宇宙膨胀说”可以说人人皆知,但具体是如何得出的?膨胀的归宿又在哪里?斯蒂芬·霍金的《宇宙简史》告诉了我们。

一、关于宇宙的构想

对于宇宙的认识从古至今:

亚里士多德指出“地球是圆球”——哥白尼创立了“日心说”——开普勒预测“行星按照椭圆轨道运行”——牛顿发现了“万有引力”——20世纪20年代“宇宙不是静止不动的,或膨胀、或收缩”。


二、膨胀着的宇宙

20世纪20年代,天文学家发现:其他星系的恒星与我们的银河系恒星相同,也缺失了有特征的一组颜色,但它们都以相同的相对量向光谱的红端偏移。对此唯一合理的解释是,这些星系在离我们而去,因为由于多普勒效应,它们发出的光波频率降低,或者说发生红移。

目前的证据显示,宇宙可能将永远膨胀下去。这不应该使我们过于担心,因为在100亿年内宇宙还不至于塌缩,而到那时,除非我们已经在太阳系外有了殖民地,否则人类将早就随着太阳的死寂而灭亡了。

霍金的论文证明了:只要广义相对论正确,而且宇宙包含我们观测到的那样多的物质,则必定有过大爆炸奇点。也即宇宙必定有一个开端


三、黑洞

足够巨大而致密的星体具有如此之强的引力场,以至光都被拉了进来而无法逸出。这种星体称为黑洞。

奥本海默的工作给出了黑洞的图景:恒星的引力场使得光线在时空中的路径变得与该恒星不存在时不同。光锥标示着从其顶端发出的闪光在时间和空间中经过的路径,而在该恒星表面附近,光锥略微向内拐。随着恒星的收缩,其表面的引力场越来越强,而光锥则越来越向内拐。这使得恒星发的光越来越难于逸出。在远处的观测者看来,它 光显得越来越暗,越来越红。

最终,当这颗小恒星缩小到某个临界半径时,其表面的引力场强到使光锥向内拐的如此厉害,以至光再也无法逸出。

所以就有了这样一个事件集合、一个时空区域,要从那里逃逸而到达远处的观测者是不可能的。

这个区域就是我们现在所说的黑洞。它的边界成为事件视界。它与恰好不能从黑洞逸出的光线路径相重合。


四、黑洞不太黑

黑洞仿佛是由温度的物体一样,应该发射粒子和辐射,而这只与黑洞的质量有关:质量越大,温度越低。

黑洞的质量越小,其温度就越高。因此随着黑洞质量的丧失,它的温度和发射速率就会升高。于是它的质量就减少得更加快。

当黑洞质量最终变得非常小时,最合理的结果猜测是,它会在一次可怕的、相当于几百万颗氢弹爆炸的最终发射爆发中完全消失。


五、宇宙的起源于归宿

热大爆炸模型:

在大爆炸的那一刻,宇宙的大小为零,因而必定是无限热。但随着宇宙的膨胀,辐射的温度会下降。这时宇宙可能主要包含光子、电子和中微子,以及它们的反粒子,同时还要一些质子和中子。

随着宇宙的膨胀和温度的下降,碰撞产生电子和电子对的速率会下降得低于它们湮没而消灭的速率。因此大多数电子和反电子会互相湮没而产生更多的光子,只剩下少量的电子。

大爆炸后100秒时,质子和中子开始结合在一起,形成包含一个质子和一个中子的氘原子核。继而结合形成各种原子。

宇宙作为整体还会继续膨胀并冷却。

无边界条件:

“宇宙的边界条件就是它没有边界”

时间和空间应该有限而无界的想法还只是一个设想。真正的检验是,它作出的预言是否与观测相符。


六、时间的方向

时间箭头,至少有三种:

第一种是热力学时间箭头——这是无序度或熵增大的时间方向。

第二种是心理学时间方向。这时候我们感觉到的时间流逝的方向——我们记得过去但不记得未来的时间方向。

第三种是宇宙学时间箭头。这是宇宙在膨胀而不是在收缩的时间方向。

心理学箭头是由热力学箭头所决定的,而且这两种箭头总是指向相同的方向。

如果接受宇宙的无边界假设,它们就都与宇宙学时间箭头有关,虽然它们可能并不指向同一方向。


七、万有理论

真的会有统一的万有理论吗?可能性似乎有三种:

①确实存在一种完备的统一理论,如果我们有足够智慧,就会有发现它的那一天。

②不存在终极的宇宙理论,有的只是理论的无穷序列,序列中的理论把宇宙描述得越来越准确。

③根本没有什么宇宙理论。超出某个范围,事件就不可预测,它们只是以无规则的、任意的方式出现。

迄今为止,大多数科学家都太过专注于发展描述宇宙“是什么”的新理论,而不关心“为什么”的问题。

另一方面,其任务是提问“为什么”的人——哲学家,却没有能力跟上科学理论的进展。

如果我们发现了这个问题的答案,它就会是人类理性的最终胜利。那时我们就会知道上帝的意指。

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