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解密宇宙为何需要膨胀:越远星系外扩越快

来源:2010-03-24 10:15 北京日报       更新时间:2010-3-27 11:19:32
 
大型强子对撞机
示意图显示了大量能量从一个星系中心的超大质量黑洞里倾泻出来
宇宙背景探测卫星得到的微波背景分布图

  宇宙始于何时?它将如何演变?生命是怎样出现的?这是宇宙留给人类最神秘、也最难解的谜题。

  著名天体物理学家霍金教授在他的《时间简史》中探讨了宇宙起源,研究宇宙无中生有的创生机制,使我们一步步接近问题的答案。

  宇宙简史:年龄137亿岁

  约90亿年前太阳系形成

  根据最新研究的结果,宇宙的年龄是137亿岁。137亿年前,宇宙从一个奇异的点开始了它的演化过程。从普朗克时间开始,(10-43秒,此时温度为10的32次方K,这温度约是太阳温度的10的26次方倍。)我们掌握的物理规律才起作用,这是量子力学的限制。K是绝对温度单位,中文叫“开尔文”或“开”,它与通常说的摄氏温度相差273.15摄氏度,即摄氏零度是273.15K。

  宇宙刚一诞生,就有过一个急剧膨胀的阶段,这就是暴涨。然后接着膨胀,温度逐渐降低,开始宇宙只有辐射,没有物质。随着温度降低,开始出现中子、质子和电子等物质。

  到达3分钟,温度降为10亿摄氏度时,元素开始形成,质子捕捉到电子形成氢原子,聚变反应使部分中子和质子生成氦原子和少量锂原子。

  到38万年时,温度降到3000K,这时宇宙变得透明,辐射可以无阻挡地在宇宙中穿行,正是这时的辐射成为现在的微波背景辐射。

  1亿年后,由于物质密度分布的微小差异,开始聚集,逐渐形成星系。

  约90亿年后,太阳生成,地球等行星也几乎同时诞生了。又过了约20亿年,地球上出现了原始生命,开始了惊心动魄的生命大演义,最后出现了人。

  爱因斯坦早期不信宇宙是动的

  广义相对论中设“宇宙常数”

  按照一般人的观念,宇宙是静态的、不动的,也是不能动的,因为理性不易接受变动的宇宙。就连创立广义相对论的爱因斯坦早期也不相信宇宙是动态的,他认为宇宙不收缩,也不膨胀,所以在描述宇宙运动的广义相对论方程中,人为加上一个“宇宙常数”(宇宙项),以便平衡宇宙的膨胀。

  广义相对论是关于空间和时间以及引力的一种物理学理论,是20世纪两个物理学的支柱理论之一。除了微观领域(服从量子力学),宏观也受广义相对论支配。根据广义相对论,空间可以伸长或收缩,时间可以加快或减慢。

  虽然爱因斯坦在1915年建立广义相对论方程时“画蛇添足”了,但在1922年,一位前苏联数学家和物理学家阿列克谢·弗里德曼不相信宇宙是不变的,他假设宇宙在大尺度上物质均匀分布且是各向同性的,去掉了宇宙常数对广义相对论方程进行求解,从而得出宇宙有可能在膨胀的结论。弗里德曼得到的理论结果是,宇宙要么膨胀,要么收缩,必须是“动态的”。爱因斯坦最初完全不赞同弗里德曼得出的结论。

  哈勃定律证实宇宙在膨胀

  越远的星系运动速度越快

  1929年,埃德温·哈勃在使用望远镜对星系进行大量观测的基础上,获得了一项改变历史的重大发现。这就是,宇宙中的星系都在远离我们而去;离我们越远的星系,背离我们向远处运动的速度越快。这个事实,现在称为“哈勃定律”。

  凭什么说星系在远离我们而去呢?直接的证据就是光谱的红移。光也是一种波,同声波一样,也有多普勒效应。天体朝向地球运动,它发出的光的波长变短;背离地球运动,光的波长变长。不同的波长对应不同的颜色。光的波

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