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宇宙是否真的起源于一场大爆炸?

两千多年前正是中国的先秦时期,有个山东人尸子(杂家的代表人物)是这样描述宇宙(Universe)的:“四方上下曰“宇”,古往今来曰“宙”,就是说“宇”是指空间,“宙”是指时间,宇宙也就是空间、时间及所有物质的统一体。当时在中国有“天圆地方”之说,人们都认为宇宙是圆的(像个半圆的大锅盖),整个大地总体是平坦的,走到尽头可能会掉进宇宙深渊。

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先秦名人---尸子

就是在那个时代,古希腊的科学家亚里士多德(Aristole)通过观测月食,推断地球是圆球状的,但却认为地球是宇宙的中心,由此产生了“地心说”(Geocentric )。直到2000年后的1543年,波兰天文学家哥白尼在临终时发表了《天体运行论》,才完整地提出了“日心学说”(Heliocentric Theory)的理论。这个理论认为,太阳是整个宇宙的中心,一切行星都围绕太阳旋转。地球也是一颗行星,自转的同时又和其他行星一样围绕太阳转动。虽然日心学说,只是将宇宙的中心从地球移到了太阳,但却是一项伟大的创举,推翻了长期以来居于统治地位的地心说,实现了天文学的根本变革。从认识的角度看,从“地心说”到“日心说”一直到现代天文学的发展,说明人类的认识是在不断发展深化的。

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地心学说

大多数现代的天文学家认为,宇宙根本没有中心,可能是一个封闭的正曲率空间,在这个宇宙中的任何一点向四方上下看去,看到的情形都是完全一样的。无论能看得有多远,光线也会沿着正曲率的空间折返。通过现代的天文望远镜观测计算,可观测的宇宙半径为465亿光年的区域,这就是所说的可观测宇宙。因此,理论上,我们现在所能看到的最远天体距离地球为465亿光年,由此推断整个宇宙的直径是930亿光年。宇宙就像个硕大气球,将空间、时间以及所有物质都罩在里面。那么宇宙是如何产生的呢?宇宙的年龄究竟有多少岁?

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日心学说

关于宇宙的起源问题,自古以来人们都一直认为宇宙是唯一的,与生就有的,没有起始点也不会有终点,同时认为宇宙广阔无垠,无边无际。直到上世纪三十年代比利时天文学家乔治·勒梅特(Georges Lematre)首次提出“宇宙起源于一场大爆炸”的假说,这在当时简直是一场“大霹雳”,颠覆了所有人的认知。该假说认为整个宇宙最初聚集在1个“原始原子”中,大约在138亿年前的某一时刻发生了大爆炸,碎片向四面八方散开,形成了我们现在的宇宙。美籍俄国天体物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)第一次将广义相对论融入到宇宙理论中,提出了大爆炸宇宙学模型,宇宙开始于高温、高密度的原始物质,最初的温度超过几十亿度。这两人是“大爆炸理论”的创始者,大爆炸是当代最有影响力的宇宙学说。

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乔治·伽莫夫(George Gamow)

大爆炸之前那个“原始原子”就是宇宙奇点(singularity of the universe),是指宇宙引力大坍缩灭亡的“0”维空间的点,也是宇宙大爆炸诞生的“0”维空间的点。在奇点宇宙没有空间,宇宙半径尺趋近于零。奇点是一个密度无限大,热量无限大,温度无限高,压力无限大,时空曲率无限大,体积无限小的“点”。在奇点宇宙处于高密、高温、高压的可逆动态热平衡“0”维空间状态,宇宙引力能量和宇宙斥力能量瞬间先后处于无穷大。按照这个学说的推断,一瞬间就形成了最初的宇宙。

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大爆炸后的奇点模型

宇宙大爆炸(Big Bang)的理论依据主要有以下三点:1)哈勃红移:在地球上观测遥远星系时,几乎所有星系的光谱都存在红移现象,说明所有星系都在远离地球,这个现象的唯一解释就是“宇宙在膨胀”;2)宇宙微波辐射:大爆炸后一直残留着背景辐射;3)根据宇宙微波背景辐射值建立的宇宙膨胀与冷却模型计算的宇宙年龄,与其它方法计算的数值基本一致;4)大爆炸后的部分能量转换成质量,主要是氢和氦元素,然后在恒星内部聚集成聚变能量。

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宇宙的年龄

对于“大爆炸理论”,学术界质疑的声音也不少,比如:1)原始的奇点从哪里来?是无中生有的吗?2)宇宙之外是否还有宇宙,如果有多重宇宙,自身都在膨胀不会发生冲突吗?3)是一种什么样的力能将宇宙压缩成一个奇点?又是什么样的力使它发生爆炸的呢?4)美国普林斯顿大学的保罗•斯坦哈特(Paul Steinhardt)教授团队认为,宇宙不曾经历过大爆炸,宇宙的起源与所谓的“奇点”无关。

目前,人类正在加快探索外太空的脚步,月球在50年前已经留下人类的足迹,不久的将来开发月球资源造福地球人类已成必然趋势。另外,人类又将火星当作地球的备份星球,探索其生存环境和演化历史,或许可以揭示地球的更多奥秘和人类的起源。至于宇宙的起源和最终的归宿,是否真的经历过一场大爆炸,还是个遥远的研究课题,大致了解足矣。

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