关于宇宙的资料~
2011 年04月21日
智能公交管理系统
“宇宙到底是什么样子？”目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬•霍 金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如， 我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极 走到南极，你始终不可能到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。 实际上，我们都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。
怎么理解宇宙比地球多了几维呢？举个例子：一个小球沿地面滚动并掉 进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类 是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在 了！它消失了。为什么会得出这样的结论呢？因为它生活在“二维”世界里，对
“三维”事件是无法清楚理解的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界 里，对于比我们
双端面机械密封多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。这也正是对于“宇宙是 什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。
1、均匀的宇宙
长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过 来，他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则 镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的 太阳。
无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。
教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙•是无限的，从而挑起 了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而 停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢 ？”这个问题确实 不容易说清楚。主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢 ？ ”这个
问题同样也不好回答。
随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒 星是遥远的太阳。人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系， 我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒 250千米，围绕银心转一圈约需 2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年，而 银河系的直径则高达10万光年。银河系由手机充电站
1000多亿颗恒星组成，太阳系在银 河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。后来又发现，我们的银河系还与 其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为 107光年（1000万光年）。目 前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团 存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地 分布着。这就是说, 在10的7次方光年的尺度以下，物质是成团 分布的。卫星绕着行星转动，行星、 彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三 个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系，有三个以上 太阳的称为聚星系。成千亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的 恒星（太阳系）都围绕着共同的重心一一银心转动。无数的银河系组成星系团， 团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有 成团结构。各个星系团均匀地 分布着，无规则地运动着。从我们地球上往四面 八方看，情况都差不多。粗略地说，星系固有点像容器中的气体分子，均匀
分
布着，做着无规则运动。这就是说，在 10的8次方光年（一亿光年）的尺度以上, 宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀 分布的。由于光的传播需要时间， 我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。 所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。 从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地 分布着。
因而我们可以认为，宇观尺度上（10的5次方光年以上立云购物商城）物质分布的均 匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。
于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说， 在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学 原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜 看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不 仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。
2、有限而无边的宇宙
爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可 能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天 体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。
爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相 对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中， 宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是 有边，无限就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。 一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是 有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面 爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二 维空间。如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个 欧氏平面是无限无边的二维空间。
我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为 r，那么球面的面积是4 n r的2次方，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的。假如有一个小 甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。所以，篮球面是一个有限无边的二维 空间。
按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。 爱因
斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度 应该相同，即应该有相同的曲率。由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。 三维空间也应是弯的而不应是平的。 爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维 超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有 限有边的，体积是4/3 n r的3次方，它的边就是二维球面。三维超球面是有限 无边的，生活在其中的三维生物（例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物 ）， 无论朝哪个方向前进均碰不到边。假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。
宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。 爱因斯坦觉得其中最简单阶情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇 宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。
爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下， 救解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件 （宇宙最初
碳纤维尾翼
的情况）和边界条件（宇宙边缘处的情况）才能求解。本来，解这样的方程是十分 困难的事情，但是 爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然 就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也 就不需要了。再加上对称性的限制（要求三维空间均匀各向同性），场方程就变 得好解多了。但还是得不出结果。反复思考后， 爱因斯坦终于明白了求不出解
的原因：广义相对论可以看作万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包 含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效 应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要 想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”， 叫做宇宙项。这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有 限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时 间变化的、是有限无边的。看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上 一个句号了。
3闸道机、膨胀或脉动的宇宙
几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙 项的场方程，得到一
个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间 上也是均匀、各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化， 分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的 曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正 的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大 值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩 因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼 的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得 到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋。 他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。
同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误 的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像
“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人没有理睬 爱因斯 坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种 不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。
早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个 别星系的光谱还有紫
移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而 去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线 红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光 源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应 相似。许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳，远 离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应，迎面而来 的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波， 我们则感到其频率降低。
如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离 我们，只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现，那些个别向我们靠近 的紫移星系，都在我们自己的本星系团中（我们银河系所在的星系团称本星系 团）。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是 红移了。
1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经 验规律，河外星系（即我们银河系之外的其他银河系）的红移大小正比于它们离 开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所 以，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比：
V= HD
式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。 这个定律称为哈勃定律，比例常数 H称为哈勃常数。按照哈勃定律，所有的河 外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。
哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以 这样解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数 星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。
哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年 哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中， 哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定 这些点应该描绘成一条直线呢？一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛 开了细节。另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为 自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越 集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测所确认。
4、宇宙有限还是无限
现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限还是无限 ？有边还是无边？ 对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。
满足宇宙学原理（三维空间均匀各向同性）的宇宙，肯定是无边的。但 是否有限，却要分三种情况来讨论。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议