【科普讲座】-宇宙起源及其命运剖析

宇宙起源及其命运,宇宙起源及其命运,制作.讲解:刘益民,科普讲座,江苏省宝应县中学 刘益民,【科普讲座】,三.宇宙的命运,1.宇宙的演化,2.宇宙的命运,四 黑洞,一.一个古老的传说,二.宇宙的诞生,1.传统的宇宙图象,2.哈勃发现宇宙在膨胀,3.宇宙在大爆炸中诞生,古印度的舍罕王，有意重赏,国际象棋 的发明人,宰相西萨班达依尔。舍罕王让达依尔自己选择一项奖品。达依尔跪在国王面前说：“陛下啊，请您在棋盘的第一格赏给我一粒麦子，在第二格赏给我二粒麦子，在第三格赏给我四粒麦子，照这样下去，每一格内的麦子数都比前一格加一倍。陛下啊，就把这摆满棋盘所有64 格的麦子，赏给您 的仆人罢。”,舍罕王暗自高兴，自己对如此奇妙的发明所许下的慷慨许诺，却只需要一棋盘麦子就能打发，未免也太便宜了。于是便高兴地说：“爱卿，您当然会如愿以偿的。”,一。一个关于宇宙命运的传说,它等于全世界在,两千年内所生产的全部麦子,！,然而，事实上，国王最后没能兑现自己夸下的海口。因为这个奖项所包含的麦粒数为：,还是在古印度，还有一个和上述巨大数字相关的关于宇宙命运的传说。那是在印度北部的贝拿勒斯神庙里，放有一块黄铜板，板上插有三根一尺多长的宝石针。梵天（印度教的主神）在创造世界时，在其中一根针上按下大上小的顺序放了大小不同的64张金片，这就是所谓梵塔。梵天创世后立下训谕：不论白天、黑夜，都由一名值班僧人把这些金片在三根针上移来移去，,但移动时必须保证小片总在大片之上,，当所有64张金片从梵天创世时所放的那根针上移到另一根针上时，世界的一切将在一声霹雳中化为乌有。,这里需要说明的是：1。梵天要求僧人一刻不停地移动这些金片，2。移动的目的是将金片按下大上小的顺序从一根针上移到另一根针上，3。移动的规则是每次只能移动一片，而且必须保证小片总是在大片之上。为此，僧人可借助第三根针。,比如，我这里有一个由三张金片组成的小梵塔，,我必须移动1次.2次.3次7次，才能完成这项使命。,同学回去后不妨找十张大小不同的纸片试一下，当你完成这个实验时，恐怕一个晚上的时间便悄悄地溜过去了。细心的同学可能己经看出，或者回去后稍加比划思索便可看出，移动梵塔所需的操作次数，和达依尔向舍罕王所索取的麦粒数是完全相同的。如果僧人一秒钟移动一片金片，僧人们日夜不停、雷打不动、前仆后继、坚持不懈地移下去，那么完成这项工作需要约580亿年。也就是按照这个传说，世界从创生到消亡将历时约580亿年。我们当然不会相信这种迷信传说。然而，按照现代科学观点，我们生活在其中的太阳系大约己诞生了50亿年，它还有100多亿年的寿命，比580亿年要短得多，而宇宙己诞生了约100多亿年，它的寿命将比580亿年要长得多。,1。人们传统观念中的宇宙图象,且不去说各种早己过时的宇宙观点。从较为近代的科学层面上来说，人们传统观念中的宇宙是一个静态的模型 。对此，我们可作这样一番表述：我们生活在一个称为地球的星球上，地球一方面在自转，一方面又在绕太阳公转，地球自转一周，即为一个昼夜，地球绕太阳公转一周即为一年。而太阳又带着地球、金星、木星、火星、土星等绕着银河系中心旋转，太阳系绕银河系中心旋转一周约需两亿年。在银河系中有着许许多多的类似太阳系的星系。银河系是直径约10万光年，厚度约1万光年的碟状星系。而银河系之外，又有许许多多的类似银河系的巨大星系，这便构成了宇宙。其中，那些类似太阳的星体称为恒星，我们一直认为恒星间的相对位置是不变的。,二。宇宙在一次大爆炸中诞生,宇宙总还是那个宇宙吗？,这正如一首歌中唱到的：,星星总还是那颗星星，月亮也还是那个月亮，山也还是那座山，梁也还是那道梁,。,因此，在传统观念中的宇宙，是一个己存在了无限长的时间，并将永恒地存在下去的；无边无际、广袤无垠的；动中有静、静中有动，从整体来说是静态有序、永恒不变的系统。,在介绍哈勃 的发现之前，我们先来认识,多普勒现象,。当波源朝观察者以一定的速度靠近时，这时观察者观测到的波的频率比波源的实际频率要高一些。反之，若波源以一定速度远离观察者而去时，观察者观测到的波的频率比波的实际频率要低，这就是多普勒现象。我们最熟悉的例子便是，当你站在公路旁时，从远处而来的汽车的汽笛声听起来特别尖，而向远处驶去的汽车的汽笛声听起来格外低沉。,。哈勃发现宇宙正在膨胀,我们知道光也是一种波。白光是包括红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光的复色光。其中红光的频率最低，紫光的频率最高。,根据多普勒效应，当光源以较大的速度朝我们运动而来时，我们看到的光的频率会变高，即光会向蓝色方向偏移；当光源以较大的速度远离我们而去时，我们看到的光的频率会变低，即光会向红色方向偏移。,20世纪20年代，哈勃在对宇宙中的星系进行观察时，发现观测到的来自宇宙中星系的光大都发生了,红移,，这和他原先预期观测到的红移的光和蓝移的光将各占一半的情形大相庭径，哈勃还发现来自越远的星系的光红移的越利害。哈勃由此意识到，周围的星系正在急速 地远离我们而去，越远的星系远离我们而去的速度越大！后来人们还发现，无论你在宇宙中的任何一个地方朝任何方向去观察，其结果都将是相同的。哈勃的这一发现表明，宇宙并非是静止不变的，而是正在膨胀着！,既然宇宙正在膨胀 着，那么它的过去又是怎样的呢？对此，科学家们曾作过两种推测：其一，是认为宇宙在膨胀前曾经历过和膨胀相反的收缩过程，宇宙物质在收缩到最小体积时，恰好相互擦肩而过，并不相互碰撞；其二，便是认为宇宙的所有物质都曾集中于一点，并处于极度的高温状态下，温度极高的物质以极大的速度相互分开，形成了一次大爆炸，宇宙便在这次大爆炸中开始了它的演化历程。这两种推测的关键差别在于膨胀开始时宇宙是否具有极高的温度。,3。宇宙在一次大爆炸中诞生,如果宇宙产生于大爆炸，那么膨胀开始时的宇宙应是非常密集并炽热化的。这些炽热的宇宙物质在大爆炸时以极大的速度从宇宙中心向外抛洒，同时由于高温,它们要向外辐射电磁波即光。因为高温物质辐射的电磁波谱是和物质所处的温度相对应的，所以人们可以通过对物质辐射的电磁波谱的分析去准确地推知物质的温度。此外因为宇宙中的星体距离我们很远，它们发出的光到达我们这里需要一定的时间，比如离我们最近的恒星半人马星座，它的光到达我们地球需约4年时间，而天狼星的光到达我们地球需约8.7年。因此我们现在看到的天狼星和半人马星座应是它们4年和8.7年前的情况。而我们看到的众多更为遥远的星体应是它们更为久远的过去，乃至是远古的情况。,由于来自遥远天体的光发自远古，,所以我们能观察到远古的宇宙。,据此，美国的科学家罗伯特狄克和詹姆斯皮帕尔斯指出，如果地球诞生于大爆炸，我们应该仍然能看到宇宙早期的白热状态。同时，他们着手准备去寻找这些从远古的宇宙向我们走来的光。当他们把自己的这一见解公诸于世时，美国的另外两位科学家彭齐亚斯和威尔逊突然意识到，他们在1965年做过的一个探测,微波辐射,的实验，正好能用以印证狄克和皮帕尔斯的想法，而且他们当时在实验中探索到的来自宇宙的各个方向的几乎强度相等的强大的微波辐射，正是狄克和皮帕尔斯所要找的光。,这些能反应宇宙曾处于相当高温状态的光，因剧烈的红移变成了微波辐射,。彭齐亚斯和威尔逊因此于无意之中捷足先登，获得了1978年的诺贝尔物理奖。而且，由此便确立了宇宙起源的大爆炸说。,当然，人们自然要问：为什么会有这次大爆炸？在大爆炸前的宇宙又是什么样子的？对此，科学家们是这样说的：因为发生大爆炸的一刻，宇宙处于极度的异常状态之下，现有的所有科学理论在这种异常状态之下均己全部失效，即使在此之前曾发生过什么事情也不可能对以后的宇宙产生任何影响。因此，,我们的宇宙的科学科理论只能包含到大爆炸这一刻为止,。大爆炸就是我们的宇宙诞 生之时，因而宇宙的时间应从这一刻算起。这一刻距离现在己有100多亿年。,大爆炸那一刻，宇宙的体积几乎为零，温度无限之高。爆炸后一秒钟，温度降至100亿度,这大约是太阳中心温度的1千倍,即氢弹爆炸所达到的温度，此时宇宙中主要包含光子、电子和中微子及它们的反粒子,还有一些质子和中子.大爆炸后约100秒钟,温度降到10亿度,在此温度下,质子和中子不再有足够的能量逃脱核力的吸引，开始结合产生氘核，并进而结合成氦核，还产生了少量锂和铍。,1.宇宙的演化,三。宇宙的演化和命运,大爆炸发生的几个小时后到约100万年左右的时间内，宇宙仅仅是继续膨胀并降温，并没有生成新的物质形态。当爆炸发生100万年后，宇宙的温度己降到几千度。此时，电子和核子不再有足够的能量去抵抗电磁吸引力，开始结合成原子。并且由于在整体上密度的不一致，在一些密度略大些的区域，因物质间的引力，使局部区域的膨胀变慢，以至局部区域内膨胀最终停止并开始坍缩旋转形成气态星云。,气态星云坍缩时，由于原子碰撞使温度升高,并发生热聚变反应,聚变释放的热形成压力以平衡物质间的引力,使星云不再收缩,同时聚变释放的能量以光和热的形式向外辐射,这便是第一代恒星.当恒星的核燃料耗尽时,会稍微收缩，并进一步变热，同时将氦聚变成碳和氧这样的更重的元素，恒星因继续坍缩而演化成中子星或黑洞。在此过程中，在恒星的外部区域有时会形成超新星爆发，这时除发出极强的光外，还把重元素抛回气态星云之中，为下一代恒星的形成提供原料。我们的太阳系便是50亿年前由超新星抛出的气态物质旋转凝聚形成的，其中的大部分气体形成了太阳，少量重元素气体集聚在一起，形成了地球等行星。,初始的地球温度非常高，并且没有大气。当它冷却下来时，从岩石中溢出的气体形成了地球的原始大气，可是其中并没有氧气，而是含有硫化氢之类的有毒气体。然而，这一条件孕育并繁衍了 生命的原始形式。它们是原子偶然结合成的宏观大分子结构，它们能在海洋中使其他原子聚集成类似的结构，从而复制了自己，产生了原始的繁殖。然而，复制常常会有误差。这些误差在多数情况下会使新产生的宏观分子丧失复制能力，并最终被消灭；而有些误差不仅使新产生的宏观分子保持了复制本领，而且复制能力表现得更为优越完善，进而逐渐取代了原先的宏观分子，生命的进化过程便真正开始了.,这些原始生命消化了硫化氢，放出氧气，改造了地球大气，随之生命逐渐由低级向高级发展 。所有这些都是在近30亿年间发生的。,人类生活在其中的宇宙无边无际,无始无终,她大约诞生于200亿年前的一次大爆炸.爆炸的实体是在数学上称为奇点,在物理上则是一个密度极大而体积极小的质点.随着一声骇人听闻的巨响,时间和空间产生了,物质世界诞生了.,在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。,随着时间的推移,宇宙逐渐冷却,基本粒子聚合成原子,原子结合形成分子,不同的分子组成形态各异的物体.银河系及河外星系诞生了.太阳系也应运而生.地球几乎与太阳系同时诞生.由于某种目前尚未弄清的原因,生命诞生了,生物界的进化产生了植物,动物和人.,银河系,太阳系,地球,我们己经知道，宇宙诞生后便在膨胀着。而宇宙天体间的万有引力有阻止宇宙膨胀，甚至使宇宙转入收缩状态的趋势。那么，宇宙的命运将会是怎样的呢？,2。宇宙的命运,我们先来看一个简单的例子。设想有两个大质量物体正以一定的速度相互离开。而物体间的万有引力将使物体减速，但万有引力和物体间的距离的平方成反比，万有引力对物体运动速度的影响将随物体间距离的增大而减小。这样一来，这两个物体的运动情况的变化将存在三种可能：其一，若物体分开时的初速度较小，引力将使物体分离速度逐渐减小到零，并立即转而以越来越大的速度相互靠近；其二，若物体分开时的初速度足够大，物体间越来越大的距离使引力对物体的减速作用越来越弱，以至相当时间后引力对物体的减速作用会减到可忽略不计的程度，最后两物体将以恒定的速度永远地分离下去；其三，若物体分开时的初速度恰好为某一临界值，当物体分离的速度越来越小 时，越来越弱的引力总仍能对物体的,减速产生足够的影响，则物体将以越来越小的速度永远地分离下去.,同理，宇宙的命运也存在着和上述情况相似的三种可能结局。其一，是先经历一个大膨胀的过程，转而进入一个大挤压的过程，末了时，宇宙物质又将挤回当初大爆炸发生处；其二，是宇宙膨胀速度逐渐减小，最后将以趋于稳定不变的速度永远地膨胀下去；其三，是宇宙膨胀速度将一直减小，但膨胀速度永远不会减小为零，即宇宙将以越来越小的速度永远地膨胀下去。 决定宇宙命运的两个因素是：宇宙物质膨胀的初速度和宇宙物质的总质量。随着科学技术的飞速进步，人类对宇宙命运的认识己越来越清淅，越来越准确。据2000年4月27日新华社伦敦电称，天文学家 于 4月27日在英国自然杂志上发表论文，宣布根据最新观测表明，,宇宙将以越来越小的速度永远地膨胀下去。,四.黑 洞,黑洞的模拟图,黑洞的示意图,:,(一)黑洞是怎样形成的?,1971年，霍金指出,宇宙诞生之初的大爆炸,产生出 “迷你”黑洞(如下图)。爆炸产生的巨大冲击力，将物质挤压成普通显微镜根本看不见的“迷你”黑洞。这些黑洞被称为“原始”黑洞。,1908年6月30日早晨7点14分，俄罗斯北部的西伯利亚，发生了一次非常奇怪的空中大爆炸。至今，爆炸的原因还没有查出来。科学家猜测，爆炸原因之一可能是一个,质量比小行星大而体积比原子还小的迷你黑洞的造成的。,1.宇宙诞生于一次大爆炸:,2.黑洞产生的条件和过程:,A:,恒星的演化:,恒星 红巨星 白矮星 中子星 黑洞,B:,当,Ms3M,日,时,恒星将演变成黑洞,不然将演变成白矮星和中子星.,天鹅座,X-1,附近一颗真正的黑洞,3.黑洞的特点和半径:,特点:,黑洞的质量极大,所以它的引力极强.它不断吸引周围的其他宇宙物质,甚至连光也无法逃脱它的引力.,半径:,法国物理学家史瓦西根据爱因斯坦的广义相对论计算了黑洞的半径.,设黑洞的质量为,M,引力恒量为,G,光的速度是,C,请您运用中学物理知识估算黑洞的半径是多少.别怕,试试看,您肯定行.,提示:,由,F=GMm/R,2,=mv,2,/R,得:,R=(GM/v,2,),(二)黑洞是怎样相互作用的?,为了理解黑洞是怎样使内部的所有事物逃不出边界，我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在,1916,年提出来的这一学说，简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。,1.大质量物体使时空弯曲:,让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先，考虑时间（空间的三维是长、宽、高）是现实世界中的第四维（虽然难于在平常的三个方向之外再画出一个方向，但我们可以尽力去想象）。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。,爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。,同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如,10,块石头比,1,块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。,如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方,，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。,右图所示是哈勃太空望远镜拍摄的黑洞周围物体的情况.,2.弯曲时空使其他物体向弯曲中心运动:,现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，,一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获,。,而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。,设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，,若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。,右图中两个星系(暹罗双子星系)正在互相吸引,能否演变成黑洞要看今后的作用情况.,(三)黑洞其实并不“黑”:,英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。通过科学家的观测，黑洞周围存在辐射，而且很可能来自于黑洞，也就是说，黑洞可能并没有想象中那样黑。,根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时，同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律，当黑洞失去能量时，黑洞也就不存在了。霍金预言，黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸，释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。,仙女座星云的中心是否有黑洞呢?,著名的金牛座蟹状星云，公元1054 年爆发的超新星的遗迹，距地球约 6000 光年.它有可能是一次黑洞消失时的大爆发.,(四)黑洞是否真的存在呢?,“黑洞”已是大家最熟悉的天文名称之一了，但有关黑洞是否存在的争议却一直没停止过。很长一段时间里，有人认为黑洞只是比大学生的练习题复杂的一个假想物体和一种数学构思。但随着近年黑洞证据越来越多的出现，人们开始重新认识黑洞。,目前，因为黑洞的不可见性，大部分关于黑洞的证据还是间接的。而且许多证据是通过观察落入黑洞的物质而获得的，用这种方法探测黑洞，就仿佛通过观察火焰的影子，来确定篝火中是否有炭一样。,天文学家一直在猜测距我们5000万光年的,M87,星座中心存在巨大的黑洞。1994年夏天，通过空间望远镜的大视角照相机摄的照片，表明在,M87,星座的中心有大量高速旋转的发光气体。该观测终于证实,M87,星系的中心确实存在着超大密度的黑洞。,在银河系核心也发现了太阳大小的不明物质，该物质的质量是太阳的三倍，并且放射出的不寻常的超声波，超大密度、放射射线，这些都可以证明银河系核心确有黑洞存在。科学家认为大多数星系的核心都藏有黑洞，除了银河系之外，仙女座及,M32,星座中都已发现黑洞存在的证据,。,(五)可怕的黑洞之旅:,假设有宇航员去黑洞探险，你能想象会是什么情形吗？,首先，当宇航员靠近黑洞时，就会感受到强大的能量。当他的脚进入黑洞时，黑洞内外的压力差就会将宇航员的身体拉伸。如果不幸的宇航员又碰到一个原子，那么他的身体在拉伸之后又将遭受重重的挤压。经过拉伸和挤压后的宇航员看起来就像一根面条。,用不怕挤压的机器人去黑洞并为这个机器人装上一个时钟和光源。机器人进入宇宙，我们会发现一个奇怪的现象。机器人反射的光的颜色在变，刚开始看到机器人是蓝色的，逐渐地变成绿色、黄色的，在靠近黑洞时，则变成红色的。,机器人到黑洞边缘时，时钟开始发生奇怪现象，根据爱因斯坦的相对论，时间在引力异常区域会变慢，越靠近黑洞，时钟会越慢。但若有一个人带着这个时钟，他并不会觉察到时钟变慢，对他来说可能一切还是正常的。,当到达黑洞的边缘时，时钟会完全停下来。看上去时间被冻结住了。这时，人也许在一丝觉察，但他已被黑洞巨大的引力粘住，并以迅雷不及掩耳之势拖进黑洞中，被挤压成密度无穷大的黑洞中的一部分。,探索宇宙,其乐无穷!,同学们再见!,本讲座的主要参考资料：,时间简史英史蒂芬*霍金,