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現代宇宙學是天文學和物理學的分支學科,它從整體的角度研究宇宙的結構、運動和演化。愛因斯坦證明,空間和時間(時空)皆與物質不可分離。宇宙作為演化著的整體被確認,在現代自然科學的發展中具有非常重要的意義。

1任務

大爆炸宇宙學和暴脹宇宙論圖冊

大爆炸宇宙學和暴脹宇宙論圖冊
現代宇宙學的任務是探索比星系更高的宇宙層次,研究觀測所及的大尺度宇宙的時空特性、物質及其運動規律。近幾十年來,科學家們提出了一些較有價值的宇宙理論。主要有:愛因斯坦的靜態宇宙模型、穩恆態宇宙學、膨脹宇宙模型、物質—反物質宇宙模型、大爆炸宇宙學和暴脹宇宙論。靜態宇宙模型已被天文觀測所否定。穩恆態宇宙學未被廣泛接受。

2探索

20世紀以來,天文學家們建立起多種宇宙模型。概括起來主要有兩大派別:一類叫穩恆態宇宙模型,它認為宇宙在大尺度上的物質分佈和物理性質是不隨時間變化的,穩恆不變。不僅在空間上是均勻的,各向同性的,而且在時間上也是穩定的。這是1948>年英國天文學家邦迪等人提出的;另一類叫演化態模型,它認為宇宙在大尺度上的物質分佈和物理性質是隨時間在變化的。這是1922年,蘇聯數學家弗里德曼在解愛因斯坦引力場方程時得到的。
進入20世紀以來,由於人類科學技術的飛速發展,天文觀測手段出現一次又一次的革命性
熱大爆炸宇宙學認為,大約在150億年前,在一個緻密熾熱的奇點發生了驚人的熱大爆炸。這的進展,觀測到了上百億光年的宇宙空間,了解到天體的上百億年的時間演化。天文學家們對這樣的大尺度空間和悠久的時間裡的物質演變產生了濃厚的興趣。如何解釋已觀測到的許許多多客觀事實,如何利用現代物理學對這許許多多觀測事實給予科學的說明?這些就是現代宇宙學的任務,它是天文學中的一個分支。也就是說,現代宇宙學從整體上研究大尺度的時空性質,物質運動的規律。它是當代天文學中最活躍的前沿陣地之一。現代宇宙學的最大特徵是必須尊重觀測到的客觀事實,不能憑想象。而且必須能在理論物理學的基礎上給予科學的說明。它涉及到恆星的起源和演化,星系的起源和演化,元素的起源和演化等多方面的基礎理論問題。人們最想知道的是:宇宙是什麼樣子呢?宇宙有多大?宇宙的結構如何?宇宙有沒有誕生之日和終結之時?

3宇宙模型

在眾多的宇宙模型中,影響較大的是熱大爆炸宇宙學說。場爆炸后,形成迅速的膨脹,逐漸形成了我們今日可見的宇宙。這就告訴我們,不僅宇宙間的萬物在演化,大尺度的宇宙本身也是演化的主體。那麼,有沒有觀測到的事實來支持這個觀點呢?上面介紹的有關星系的紅移現象和哈勃定律等,都支持了宇宙還在膨脹之中的論點。另外,20世紀60年代天文學中的四大發現之一的微波背景輻射認為,星空背景普遍存在著2.7K微波背景輻射,這種輻射在天空中是各向同性的。這同由理論預言的熱大爆炸遺留下的餘熱相符,有利地支持了大爆炸宇宙學的觀點。但是,熱大爆炸宇宙學也有些根本性問題沒解決。如大爆炸前的宇宙是什麼樣,大爆炸是怎麼引起的、宇宙的膨脹未來是什麼結局?……。關於宇宙的問題雖然沒有解決,但是,我們可以看到兩個偉大的事實:一、人是宇宙物質演化的結果。而人的思維又反過來認識宇宙間的萬物,充分體現了人的智慧和力量的偉大;二、人類對宇宙的認識,特別是近幾十年來在觀測事實和理論分析中都有巨大的飛躍,它預示著未來會有突破性的偉大成就,這是人類社會和科學發展的規律,我們每個人都不是局外人。

4發展

從古至今,人們一直渴望了解大千世界的來龍去脈。在終於了解我們定居的這顆星球不過是茫茫宇宙無數星體中的一個以後,天文學家開始致力探索宇宙的起源。幾十年來,粒子物理學家和天文學家聯手勾畫出一種可能的宇宙早期圖像:宇宙發端於距今150多億年前的大爆炸。
大爆炸宇宙學的建立經歷過三度輝煌:第一次是在本世紀20 - 40年代,哈勃發現了宇宙中遙遠天體的整體退行,也就是正在離我們而去,伽莫夫由此建立了熱大爆炸宇宙學的基本框架;第二次是1964年,兩位美國工程師意外地發現了宇宙大爆炸遺留下來的原始火球即微波背景輻射,它的冷卻溫度(3K)符合伽莫夫的理論預言:這一劃時代的發現榮獲1978年諾貝爾物理學獎;第三次便是1998年,人們第一次確定了宇宙的組成——40%的物質和60%的「黑色」能量。而在這40%的物質中,僅有5%是人們熟知的「普通」物質,其餘35%則為不可視的「暗物質」。

5三大佐證

大爆炸宇宙學的提出建立三大天文觀測之上:宇宙天體的彼此膨脹,高度各向同性的微波背景輻射和構成宇宙萬物的原始物質丰度。三大基礎相互密切聯繫。
根據宇宙大爆炸學的觀點,大爆炸發生后,宇宙中的物質開始是聚集在一個小的體積內,溫度很高(即原始火球)。而隨著宇宙的膨脹溫度逐步下降,大約3分鐘后質子與中子開始結合形成輕元素氫和氦,即今天宇宙中主要的兩種物質組成,其比重是氫佔77%,氦佔23%。這一推斷與天文觀測完全相符。
除這三大佐證之外,各種天文觀測都從很多角度對大爆炸宇宙學進行了全面細緻的檢驗,例如用U-2飛機把敏感無線電天線送到接近地球大氣層頂部進行的觀測已經表明,背景輻射大體上在所有的方向都一樣強;以美國COBE衛星為代表的許多探測器發現遺留在微波背景上的溫度起伏只有萬分之幾。這一方面說明微波背景輻射的高度各向同性,同時又證明了這一微小漲落正是造就今天宇宙各種大尺度結構的「種子」。另一重要的驗證是大爆炸宇宙學所預言的宇宙年齡(通常用哈勃常數度量)與宇宙中存在的古老天體完全一致。今天,大爆炸宇宙學已經成為天體物理乃至物理學中最成熟的理論體系之一。
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