鍾銘聊科學
宇宙的開始和終結
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恆星系統,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恆星系統出現
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,氦元素的丰度以及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氦元素的丰度
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，宇宙中氦的實際丰度為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<strong>
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，它是宇宙早期的遺蹟，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。
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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<strong>
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 – 2
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6. 總結
<strong> 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!
泛泛科學
先砸答案：宇宙大爆炸學說是眾多宇宙模型之一，目前被絕大多數天文學家所認可。
宇宙大爆炸這個問題如果細說的話實在是太複雜，可以寫一本書了，所以本文只做個概述。
一、宇宙學和宇宙大爆炸
宇宙學是天文學的一個分支，相對論宇宙學有是宇宙學的一個分支。它包括：基於愛因斯坦場方程的動力學宇宙理論，膨脹宇宙模型，大爆炸模型和暴脹模型。所以我們看到宇宙大爆炸模型是廣義相對論宇宙學眾多宇宙模型中的一個。
二、相對論宇宙學的進展
1、相對論宇宙學原理
愛因斯坦根據觀測事實總結出一條原理：在宇觀尺度上（10^8光年以上），宇宙中的物質始終均勻各向同性地分佈著。
2、愛因斯坦的“有限無邊靜態宇宙”模型
這是一個三維宇宙空間。這個三維宇宙不是一個實心球，它是四維時空中的一個三維超球面。在這個有限無邊的三維宇宙中，時間可以是無頭無尾無止境的，所謂的有限無邊指的是三個空間維度。
3、宇宙學常數
愛因斯坦希望用自己的場方程求解出來自己的宇宙學模型，但是，他的場方程是牛頓引力公式的推廣，只有引力沒有斥力，這個宇宙就不可能是穩定的，不是靜態的，所以他在自己的方程中加了一個所謂的宇宙項，這個項就是宇宙學常數。
4、膨脹宇宙模型和脈動宇宙模型
1922年，前蘇聯物理學家弗裡德曼用沒有宇宙項的場方程得到了一個嚴格解，這是一個動態的脈動或膨脹的宇宙模型。1927年，一位比利時神父勒梅特得到了類似膨脹或脈動的宇宙模型。於是兩個模型得到了學術界的認可，愛因斯坦承認了他們兩人是對的，並且表示放棄自己的靜態模型。事實上，愛因斯坦的靜態模型是膨脹或者脈動模型的一種特殊情況。
5、哈勃定律
天文學家早就發現，絕大多數遙遠星系發射的光的光譜線都向紅端移動，只有極少數的星系光譜線發生藍移。1929年，美國天文學家哈勃通過天文觀測總結出一條規律：星系的宇宙學紅移與星系與地球的距離成正比。
三、大爆炸宇宙模型
6、火球模型
最早提出宇宙爆炸、演化思想的是比利時神父勒梅特。他認為宇宙最初是一個熵很小、有序度極高的一個蛋。這個宇宙蛋不斷膨脹、混亂度不斷增加，最後演化成我們這個宇宙。他用熱力學而不是廣義相對論描述了這個演化，他認為自己的工作解決了“上帝創造宇宙”和“宇宙膨脹模型”之間的矛盾。後來俄國物理學家伽莫夫完善了這個模型的形成過程。這一個“火球模型”，被反對它的人嘲笑為“大爆炸模型”。
這個模型的重點其實不是這個模型本身，而是它首創了宇宙演化的理念。
7、觀測結果對大爆炸宇宙模型的支持
有三個觀測結果支持大爆炸宇宙模型：1）哈勃定律；2）宇宙中氦元素的丰度；3）宇宙微波背景輻射。粒子物理和廣義相對論首次出現了攜手並進的局面。
四、大爆炸宇宙模型的矛盾和疑難
大爆炸宇宙模型取得了空前的成功，並且得到了觀測事實的支持，但是它也存在一些矛盾和疑難，只不過，這些矛盾和疑難只涉及大爆炸後遠小於1秒的極早期宇宙。
8、大爆炸宇宙模型的視界疑難
我們今天觀測到的宇宙是均勻的，可是根據大爆炸宇宙模型逆推，在極早期宇宙的許多區域之間又不可能有因果聯繫，那麼今天的均勻性是怎麼形成的呢？這就是所謂的視界疑難，也稱均勻性疑難活因果性疑難。
9、大爆炸宇宙模型的平直性疑難
物理學家按照宇宙演化的規律逆推，認為普朗克時期結束時的宇宙物質密度和臨界密度必定在很多位有效數字上相同，而又恰巧不完全相等。否則我們的宇宙就不可能經過漫長的演化而具有今天的準平坦性。根據大爆炸宇宙模型，我們現實宇宙的初始條件竟然會如此特殊，人們稱對初始條件的這個要求為平直性疑難，也稱微調疑難。
10、宇宙早期的暴漲模型
根據大統一理論，宇宙在誕生早期溫度和能量極高，電、弱、強相互作用是統一的。隨著宇宙的演化，溫度降低到臨界溫度以下，宇宙內部的對稱性將自發破缺，強作用與弱、電作用才表現出不同。
大統一理論利用希格斯標量場的自作用有效勢能密度來解釋對稱性自發破缺的出現，以及宇宙普朗克時期結束後暴漲模型的能量來源。
總結：應該說大爆炸理論還是很成功的，它給出了今天的宇宙空間幾何非常接近平直的結果。
雖然我們還無法從這個結果中確切得知宇宙空間是否封閉的問題，但這個大爆炸模型告訴我們，今天的宇宙可能是非常接近於臨界態，但是沒辦法確定它是處在臨界態的哪一側。
補充：由於宇宙核合成的研究已經推斷出宇宙學密度在早期無限小於1，因此暴漲模型還強烈地暗示了這個宇宙的主要組分是非重子物質。多年的研究已經使科學家們相信，我們的宇宙中除了佔比極小的重子物質之外，還存在大量的暗物質和暗能量。
郭哥論道
炸個錘子，天天搞這些炒冷飯吹牛逼話題，主要目的是想出名當專家，爆炸能量消失何來新生？支持的全是廢話，說白了就是不要臉，想出名想瘋了。
