现代物理学基础的思考之九——大爆炸理论的思考.doc

现代物理学基础的思考之九-大爆炸理论的思考 目录 第一章 大爆炸理论1、经典力学框架下的宇宙观2、宇宙背景辐射3、哈勃定律的提出4、大爆炸理论简介5、大爆炸理论的实验根据6、大爆炸理论的经典力学基础7、大爆炸理论的广义相对论基础8、大爆炸理论与现代物理学基本原理之间的矛盾9、 相对性原理和宇宙学原理的疑难10、大爆炸理论与广义相对论的矛盾11、大爆炸理论的天文学困难 12、局爆宇宙学及其实验证据13、局爆宇宙学的困难 14、宇宙自然选择学说简介第二章 宇宙无限论 1、宇宙论中时间箭头的争论 2、量子力学与热力学中的随机性 3、光度佯谬及其解释 4、引力佯谬及其解决 5、宇宙无限论的实验基础 6、宇宙无限论的理论基础 第一章 大爆炸理论 1、经典力学框架下的宇宙观 遂古之初，谁传道之？ 上下未形，何由考之？ 圜则九重，孰营度之？ 翰维焉系？天极焉加？ 八柱何当？东南何亏？九天之际，安放何属？ 隅隈多有，谁知其数？ 天何所沓？十二焉分？ 日月安属？列星安陈？ -屈原，天问 物理学家弗里敦说过：“所有的物理学定律最终都是从宇宙中获取信息的，从牛顿定律到量子力学的所有原理都可以用同一种方法推导出来.”亚里士多德认为时间既是事物运动的尺度也是事物静止的尺度，实质上已得出了时间是物质持续性的量度，时间既不是运动，又不能脱离运动，它依赖于物质的运动而客观存在着.时间是无限的，即时间在量上是无限的，又是无限可分的.宇宙既不生成，也不可能消灭，是单一的和永恒的，它的整个时期既无开端也无终结，在自身包含着无限的时间.【1】16世纪前，人们只能凭肉眼看到六、七千颗星体.1539年哥白尼提出日心说，人类对宇宙的认识进了一大步. 波兰天文学家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473-1543）1536年写成天体运行论，1543年公开出版.认为太阳是宇宙中心，而地球只是一颗普通的行星，这样恒星的东升西落，行星的打圆圈的视运动都能解释了.他对宇宙分成若干天层；太阳静止于中心，挨着是水星天、金星天、带月亮的地球天、火星天、木星天、土星天和恒星天等.地球不是宇宙的中心而是围绕太阳运行的普通行星,其自身又以地轴为中心自转.哥白尼的日心说推翻了统治天文学1000多年的地心体系（即地球是宇宙中心的学说），引起了全世界的轩然大波，人们不得不重新审视自身在宇宙中所扮演的角色.在此之后，天文学上的发现不断地突破人们所建构的关于宇宙中心的知识体系，地球不是中心，太阳也并非就是，银河系也不是，随着爱因斯坦广义相对论的提出，人们才认识到宇宙根本没有中心.17世纪，天文望远镜问世、开普勒三定律和牛顿万有引力定律的建立，标志人类进入掌握行星层次天体运动规律的阶段，为进入工业社会奠定了必要的科学基础.开普勒在弟谷观察的资料基础上，于年发表了新天文学一书，叙述了行星运动的两条定律.第一条定律提出所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运行，太阳位于椭圆的一个焦点上.第二条定律指出每一颗行星的向径在相同时间里扫过的面积相等.后来又在宇宙谐和论中补充了第三定律，行星绕太阳公转的恒星周期平方和行星轨道半长径的立方成正比.为牛顿发现万有引力定律铺平了道路.牛顿从苹果落地事实启示联想到一个人站在山崖上，把一块石头轻轻地放开，石头会直落到地面，如果他用力把石头抛向远处，石头就会向前跑一段再成一个弧形落到地上.如果他用力更大，落下更远.若力足够大时，这就不会再落到地面上，而围绕地球公转起来.地球没有引力，该石头就会朝着他抛出的方向照直飞去.引力就像一头拿在小孩手中，一头拴着小石头的绳子一样，从小孩手中牵引着小石头转圈.这样只要证明地球对月球的吸引力确实就是月球绕地球运行所需的向心力.经过十几年的努力，终于找到计算引力的公式，后来跟力学三定律一起发表于自然哲学的数学原理一书中.牛顿提出：物体的每个分子吸引其它分子，这个引力强度与其质量成正比和被吸引的分子之间的距离平方成反比.但牛顿无法解释星体为何一开始就作如此运动.因此，就把上帝作为第一推动者.天体为什么会按哥白尼体系运动，笛卡尔曾提出过以太旋涡理论.后来为康德与拉普拉斯吸收了牛顿引力理论构成旋涡星云演变说.1900年美国的钱伯林提出星子说，认为有一颗恒星运行到太阳附近，在太阳的正面和背面掀起两股巨大的潮，从太阳喷出的物质逐渐汇合成围绕太阳的气盘，并逐渐凝聚成行星和卫星.1916年英国金斯提出“潮汐说”，认为一恒星接近太阳，从太阳表面引出潮汐隆出物，这雪茄烟形长条逐渐脱离太阳并形成行星.杰弗里认为恒星与太阳相撞，撞出物形成行星系.1944年苏联施密特认为太阳通过暗星云时俘获物质，形成绕太阳旋转的星云盘，逐渐形成行星和卫星.同年德国魏扎克认为绕太阳旋转的气体尘埃盘中出现规则排列的旋涡，在次级旋涡中形成行星.稳恒态宇学认为宇宙在时间和空间上都是无限的.它主张宇宙从未有过开始，或者更确切地说，宇宙乃是处于连续的创造过程之中.当宇宙膨胀之时，总密度减少，但密度存在一个下限值，宇宙不会在密度低于此值的情况下存在.当宇宙接近这个下限值时，便会创造出更多的物质来使密度再度升高.因此当宇宙不断地膨胀时，新的物质便连续地在星体中创造出来以填补空隙.新形成的物质就是构成星系的氢.每个新星系团将随着宇宙的不断膨胀而逐渐衰老以致死亡，但又形成新的星系团.新星系形成，老星系死亡，但宇宙的总密度不变.并且总是存在有各种不同年龄的星系.因此，宇宙在任何时期检验都是一样的.尽管个别星系团有所变化，但总体图象是始终如一的.牛顿在自然哲学之数学原理的“总释”里还写道：“六个行星在围绕太阳的同心圆上转动,转动方向相同,而且几乎在同一个平面上;鉴于慧星的行程沿着极为扁平的轨道跨越整个天空的所有部分,不能设想单纯力学原因就能导致如此多的规则运动:因为它们以这种运动轻易的穿越了各行星的轨道,而且速度极大;在远日点,它们运动最慢,滯留时间最长,相互距离也最远,因而相互吸引造成的干涉也最小.这个最动人的太阳、行星和慧星体系，只能来自一个全能全智的上帝的设计和统治.如果恒星都是其他类似体系的中心，那么这些体系也必定完全从属于上帝的统治”.牛顿的原文中仅有：“.我用重力解释了天体运行和海洋的潮汐，但我还不能指出重力自身的原因.”.中世纪文艺复兴以来,生气勃勃的新兴科学,以哥白尼为开端的日心说,向教会写了宣战书!以牛顿自己也表示：“我不知重力自身的原因.上帝设计一切和统治一切”这段话为终结，向教会高悬免战牌！牛顿的星体引力场理论清楚地给出了万有引力定律:在星体时空中,给出了物体由与星体间引力相互作用产生的运动规律.爱因斯坦广义相对论也是星体的引力场理论，核心是:星球告诉周围时-空如何弯曲;时空告诉其中的物体如何运动.由于后者考虑了时空参考系的相对性原理,从而比前者更苻合天文观测的实际结果.这两个引力场理论,对质点在星体引力场中运动的几何轨迹,都给出了很好的描述，并且后者由于满足时空相对性原理而更准确些.参考文献：【1】物理第31卷第2期117页. 2、 宇宙背景辐射(cosmic background radiation) 定义：来自无明显分立源天区的各向同性电磁辐射.在不同波段，辐射有不同的起源，并可具有非宇宙学起源. 所属学科：天文学（一级学科）；星系和宇宙（二级学科） 百科名片:宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射.特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同.频率属于微波范围.宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年.大爆炸宇宙学说认为，当宇宙发生大爆炸时，开始时宇宙的温度是极高的，之后慢慢降温，刚到现在约150亿年后大约还残留着3K左右的热辐射.   概念:宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射.二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统.1964年，他们用它测量银晕气体射电强度.为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声.他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K.1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖金.   特征：微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3厘米75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到.从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射.黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件.因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱.由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前.微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息.微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性.这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性.在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.20.3；其次是大尺度上的各向同性.沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3.各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系.  起因：1964年，美国贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯（Penzias， A. A .）和威耳逊 （Wilson，R . W .）为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统.他们安装了一架卫星通讯用的喇叭形天线.这架天线有很强的方向性，即喇叭口对向天空中某方向时，地面及空中其它方向电磁波干扰都很微小.为了检验这台天线的低噪声性能，他们避开噪声源而将天线指向天空进行测量，在波长7.35厘米处所作的测量已经表明，无论天线指向什么天区，总会接收到一定的微波噪声.这种噪声相当显著，并且与方向无关.他们日复一日，月复一月地进行测量，结果都是一样.它既没有周日变化，也没有季节变化.与地球的自转和公转运动也没有明显关系.起先，他们怀疑这种噪声来自天线系统本身.1965年初，他们又对天线进行了彻底检查.他们拆卸了天线的喉部，发现有个鸽子窝，他们又把鸽子窝清除掉.虽然做了种种努力，仍无法把噪声降下来.从而排除了这种噪声来自天线系统本身的可能性.就是说，这种噪声应当是来自空间的一种辐射.这种辐射相当于绝对温度在2.54.5K之间的黑体辐射，通常称之为3K宇宙微波背景辐射.由于天顶方向和地平方向的大气厚度明显不同，彭齐亚斯和威尔逊测得的这种辐射与方向无关，排除了地球大气层起源的可能性.由于银河系物质分布不均匀，因而也排除了银河系起源的可能性.微波背景辐射只可能来自广阔的宇宙.更精确地说，微波背景辐射是高度各向同性的温度约为2.7K的黑体辐射，这是一种充满宇宙各处的均匀辐射.彭齐亚斯和威尔逊在进行这项重要工作时，只是为了测试他们的天线的性能.作为工程师，在完成这项工作后以在4080兆赫上额外天线温度的测量为标题在天体物理杂志上发表他们的结果，意思是说，他们在频率4080兆赫（即波长7.35厘米）处对天线噪声测得的有效温度比预期值高2.54.5度.1965年他们又将其修正为3K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖.宇宙微波背景辐射是无处不在的3K热(黑体)辐射， 因其峰值在微波区而得名.那问题就来了，这个背景辐射只是一个3K的低温热辐射而已，而我们周围可是有一层厚厚的大气，温度在300K左右.根据黑体辐射公式，大气的热辐射在微波区要比3K的背景辐射强得多，我们怎么可能观测得到这个背景辐射呢? 哪里才是解释的关键呢?因为地球大气的辐射95以上的能量集中在3120微米内，只要测量远大于120微米波长的辐射，可以认为不受大气辐射的影响.但波长大于1米，会受到银河系高频辐射的影响.从那以后，已经有许多人对微波背景辐射作了详细的研究，在相当宽的波长范围内得到了支持黑体辐射谱的结果.也证明了高度各向同性.1989年11月宇宙背景探索卫星（COBE）升空，获得了丰富的数据，证明实测的微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，观测数据与黑体辐射理论曲线的符合情况极好，卫星同时证明，这种辐射具有高度各向同性.1965年初，彭齐斯和威尔逊与狄克小组进行了互访，最后共同确认这个相当于3K的宇宙背景辐射就是“原始火球”的残余辐射.这是对大爆炸理论的强有力支持，从此，大爆炸理论又获得了新生.这一发现终于被狄克、皮伯斯、劳尔和威金森等人作为宇宙大爆炸理论的证据.也就是说，宇宙大爆炸后约200亿年的今天，在宇宙间还残留着3K左右的辐射. 1948年, 美国科学家阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman)预言，宇宙大爆炸产生的残系辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上5开，或者说5K(绝对零度等于摄氏零下273度，即-273).但是他们的预言并未引起人们的普遍重视.   发展：但是多年以后，即1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)却十分意外地发现了这种宇宙辐射场，当时他们正在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线.与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特·迪克(Robert Dicke)领导的一个科学家小组已独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言，并着手设计一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射.他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声，并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射.它相当于在电磁波谱的微波部分波长为735厘米的某种无线电波信号；如果假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度-这与阿尔弗和赫尔曼富于灵感的估计非常接近.它被称为"宇宙微波背景辐射".宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论以有力的支持. 恩格斯说“只有证明了由辐射而散失到空间的能量可以汇聚起来并重新参与活动，才能彻底证明唯物论成立.” 据2010年11月25日出版的科技日报记者常丽君报道，2010年11月23日美国物理学家组织网公布，在宇宙微波背景辐射中发现了一种圆环结构；科学家解释说，发现宇宙微波背景辐射中存在圆环结构并不是对大爆炸理论的否定，而是支持可能存在多次大爆炸.这是英国牛津大学物理学家罗杰·彭罗斯和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫·古萨德扬最近的发现. 3、哈勃定律的提出1929年哈勃在美国国家科学院会议文集上发表了"河外星云的距离与视向速度之间的关系"，在该文中，哈勃根据有关旋涡星云距离的定量数据，提出著名的哈勃定律：V=DH，其中V就是星云的视向速度，D是星云的距离，H是哈勃常数.这是一个简明的线性关系，而且天文观测的数据又吻合得极好，很快大家都接受哈勃的想法. 4、Big Bang Cosmology 的简介20世纪最重要的宇宙学理论有5个：1. 大爆炸模型理论；2.恒稳态模型理论；3.准恒稳态模型理论；4.马赫原理模型理论；5.大数定律模型理论.它们都必须与宇宙学观测实验数据尽可能符合，都必须符合所谓宇宙学原理：宇宙大尺度是均匀的各向同性的加速膨胀的：小尺度有结团（星系，星系团，超星系团等等）；量子宇宙是封闭的没有奇点的膨胀与收缩振荡的.目前，21世纪主流科学认可的是大爆炸模型理论.实际上，宇宙大爆炸说真正的思想起源可以追溯到更远的时期.对于大爆炸学说的思想起源，霍金在时间简史中写道：当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过.根据一些早先的宇宙论和犹太人基督教穆斯林传统，宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻.对这样一个开端，有一种议论是感到必须有“第一原因”来解释宇宙的存在.（见时间简史第17页）现代宇宙系中最有影响的一种学说，又称Big Bang Cosmology宇宙学，与其他宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实.它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史.在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化.这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发.根据Big Bang Cosmology宇宙学的观点，Big Bang Cosmology的整个过程是：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.但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降.当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的.温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）.宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核.当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙.“初始状态可能对于宇宙特征有过根本的影响，也许甚至影响到基本粒子和力的性质.” 【1】美国物理学会前会长和哲学学会前会长Weeler教授认为：我们的宇宙开始于所谓“普朗克量子”，而终止于“黑洞”-“大千世界源自量子比特”！参考文献：【1】 史蒂芬·霍金. 果壳里的宇宙 M.湖南：湖南科学技术出版社，2005.1. 5、大爆炸理论的实验根据Big Bang Cosmology模型能统一地说明以下几个观测事实：（1） Big Bang Cosmology理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年.各种天体年龄的测量证明了这一点.（2） 在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%.用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦.而根据Big Bang Cosmology理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实.（3） 根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度.Big Bang Cosmology理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度.1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特·威尔逊(Wilson)在一次检测天线噪音性能的实验中偶然发现了太空中存在波长为7.35cm的微波辐射，并且是一个各向同性的讯号.这个信号既没有周日的变化也没有季节的变化.这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射，对应到约为3K 的宇宙空间黑体辐射.彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖.根据1989年11月升空的宇宙背景探测者（COBE，Cosmic Background Explorer）测量到的结果，宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.726±0.010K 的黑体辐射谱 .继COBE之后，比COBE角分辨率高近70倍的WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeNASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）于2001年进入太空，对宇宙微波背景辐射进行更精确的观测，WMAP测量到的结果显示宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.725±0.002K 的黑体辐射谱，因此WMAP的功劳在于清晰地确认了COBE的成果.Big Bang Cosmology理论 认为宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生.科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现，其温度确实比现在的温度要高.澳门发现，背景温度约为-263.89摄氏度，比现在测量的-273.89摄氏度的宇宙温度要高.早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒(Doppler)红移，这些“星云”在朝远离我们的方向运动.如果运用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映.随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系.1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究.当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系.现代精确观测已证实这种线性正比关系v = H0×d，其中v为退行速度，d为星系距离，H0为比例常数，称为哈勃常数.这就是著名的哈勃定律.哈勃定律揭示出宇宙是在不断膨胀的.这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀.因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大.当观测者或观测器面对星空时，他（或它）就位于R = 0T C（t）dt 的球心位置，C（t）是星际空间的光速，T就是他（或它）观测星空的时刻，以C（t）t为半径的球面处的景象是在T时刻前t时发出的光带来的景象映射，T C（t）为半径的球面处的景象是在观测前T时刻（也就是0时刻）发出的光带来的景象映射，这些景象是在T时刻同时映射到他（或它）的观测点的.可见在他（或它）的面前展现的是一幅时间间隔为0到T的宇宙景象的历史画面.离他（或它）越近的是时间越接近其观测时刻的景象，离他（或它）越远的是时间越遥远时的景象.近期的景象信号越强又最接近，故细节观测得越清楚；遥远的信号传输的时间和距离越久远，信号就最弱，越难分辨其面目.所以，任何观测者在任何地点、任何时候面对星空时，他都感觉自己是处于宇宙的中心，离它观测的时刻越久远，它看到的宇宙的范围就越宽广；离它观测的时刻越近，它看到的宇宙的范围就越窄小，他永远也看不到宇宙在他观测时刻的实时全景！从而，不同的观测者在任何地点、任何时候看到的宇宙景象，只有时间越久远的，才看得越一致；时间越近的，各人看到的差别就越大.就全景而言，各人的观察是不全相同的.一个人在平地上平视的视野不超过3公里，站在200米的高塔或山顶上，视野不超过30公里，这样的范围内他接受到的光信息时间差不足0.1毫秒，而通常人视觉的时间分辨率仅为10毫秒（如果一个人对距离一米处的图象能分辨1毫米的细节，那他对一公里外的物体，三米大小内的景象就无法辨明了，只有靠望远镜来提高空间分辨率）.从而，人们都以为在他视野中看到的一切都是瞬间发生的，都是他在观测的时刻发生的，是与他同时存在的事物.而以此经验去观测星空，他也以为离他多远的星体只是距离问题，没意识到时间上的差异.这也说明观测实际上已包含着光的性质（光速），如果光速是无穷大的，就没此问题；如果光速与声速一样，也只每秒数百米，那么信息传输的延迟现象就会非常明显了.我们也就不会先见闪电后闻雷声，或先见超音速飞机后听到飞机的轰鸣了.（4） 在1998年,由美国加里福里亚大学的劳仑斯伯克莱国家实验室的Saul Perlmutter教授和澳大利亚国立大学的Brain Schmidt所分别领导的两个小组通过对Ia型超新星爆炸的观测发现了我们宇宙的加速膨胀,他们指出那些遥远的星系正在加速地离开我们. 【1】有许多实验的结果已与Big Bang Cosmology的预言相符，比如早在1948年，科学家预言Big Bang Cosmology后散落的残余辐射因为宇宙的膨胀而冷却，如今它的温度应为绝对零度以上5度.而在1965年，美国两位无线电工程师意外地发现了无线电接收器中无法阐明原因的噪声，后来知道它就是宇宙微波背景辐射，它的温度是绝对温度以上2.7度，与1948年的预言差不多.两位工程师因此获得了诺贝尔物理奖.拟用超导超级对撞机“模拟宇宙Big Bang Cosmology的space-time和物质状态”，为的是“验证”由相对论衍生出来的宇宙爆炸理论.洛弗尔指出：“人们常认为Big Bang Cosmology理论中的单子是由宇宙一致性假说产生的数学难题.”标准的Big Bang Cosmology宇宙模型有极好的的数学对称性，一些物理学家认为这就是以数学方程解析Big Bang Cosmology初始零点时会出现单子的原因.为了修正这个理论，有人就在模型中引入了和观测到的宇宙类似的不规则性，希望这能使起始状态有足够的不规则性而不至于一切都缩致一个点.然而霍金和埃利斯指出，根据他们计算，在已观测到的范围内，物质分布具有不均匀性的Big Bang Cosmology理论在起点处仍会有单子.为了回避整个关于宇宙起源的问题，一些科学家提出了所谓达到“无限脉动宇宙模型”，即宇宙不断膨胀，收缩至单子，再膨胀，再收缩至单子，永远进行下去.然而物理学家温伯格在最初的三分钟里指出，随着每一次连续脉动，宇宙必产生某种递进的变化，因此必须有个起点，而不是可以无限回归，物质世界一直存在着，仍然面对着宇宙起源问题.奇点物质是能级无限大的物质.根据相对论理论的宇宙能量方程V+UK/2，当物质半径R0时，曲率K，能量V+U，其中动能V0，势能U.R0时的物质状态就是没有质点（没有大小）的奇点.据英国星期日泰晤士报 报道，霍金与其合作者、英国剑桥大学数学物理教授图罗克最新提出的"开放暴胀"理论认为，宇宙最初的模样像一个豌豆的物体，悬浮于一片没有时间的真空，"豌豆"状的宇宙存在的时间与"大爆炸"相隔一个极短瞬间.该理论认为，"豌豆"状的宇宙在"大爆炸"前的瞬间内经历了被称为"暴胀"的极其快速的膨胀过程.宇宙在大爆炸后不到秒的时间里膨胀了大约倍，大约和橘子一般大小，然后开始以较稳定的速率膨胀，直到现在，大约亿年，成为目前的样子.另外，霍金和图罗克还根据"开放暴胀"理论推断，宇宙最终将无限地膨胀下去，而不是像一些天文学家所认为的，膨胀到一定程度后会在引力作用下收缩.在这个过程中，物质“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命.这个模型暴胀期的长短是个关键.若稍短，物质为充分散开，原生宇宙就有重新坍缩为起点；若稍长，原生宇宙的物质则过于分散，形不成星系和恒星，自然也就不会出现生命和人类.年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型，两个大宇宙通过一个细“管子”连接起来，这个细管子称为“虫洞”，大宇宙为母宇宙，可能存在着从母宇宙分岔出去的另一端是自由的虫洞，这样的管子成为子宇宙、婴儿宇宙.就是说除了我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙.年，萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说.母宇宙是空间闭合的，犹如一个黑洞，该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点，奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙.这个学说的要点是，子宇宙中的物理常数较之母宇宙的物理常数会有小的、或强或弱的随机变异，新生的婴儿宇宙在再次坍缩成奇点前能膨胀到几倍普克郎长度大小，随机变异的物理常数有可能允许小小的暴胀，子宇宙可变的较大，当它足够大时，可分隔为两个或更多的不同区域，每个区域又坍缩为一个新的奇点，新奇点又触发下一代的子宇宙，如此时代相传，有的小宇宙重又坍缩，有的具有某些基本常数值的宇宙能更有效的产生许多黑洞，从而较具有其他某些基本常数值的宇宙留下更多的后代，借用生物进化论的术语，它们是被“自然选择”下来的，经“选择”作用，产生越来越多的黑洞，也就形成了更多的宇宙.如果宇宙确是由以前的宇宙世代经过这种“自然选择”而产生的话，那么应该预期我们生存在其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数值.这个学说的另一要点是关于恒星的存在.在许多情况下，恒星是黑洞的前身.在气体和尘埃云中，恒星仍在形成.在碳尘埃微粒表面进行着的化学反应使气体冷却并促使气云坍缩.但碳尘埃粒子是从那里来的呢？斯莫林指出，碳元素是由核聚变反应产生的这一情况只有在质子的质量稍大于中子的质量时才会发生，如果两者质量之差比氦核的结合能大的多，则质子和中子不可能粘在一起形成氦核.没有氦，聚变反应链在第一阶段便终止了，根本形不成更重的元素，从而使恒星将少得多，自然也不会有多少黑洞，因此在任何一个宇宙中，若其中质子与中子的质量相差较大，将只能产生很少的宇宙，也就没有什么“选择”的余地了.下面是science上关于宇宙形状的近期报道：  时空结构将宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要结构连在了一起.但是究竟时空结构是什么，而CMB的测量又能告诉我们什么呢？在爱因斯坦的广义相对论中，空间和时间被连接在一个有弹性的“簇拓扑空间”一个数学对象中，这个拓扑空间的每个小片粗看象一个四维的橡胶片.光线沿拓扑空间的轮廓前进，这个轮廓被叫做测地线.在一个平坦的平面上，从一个远距离对象发出的平行光将保持和它们接近一个观测者时同样远近的分隔.但是在一个有正曲率的表面，如一个球，接近的光线将移动更远的间隔，使得远处的物体看起来比正常物体更大.在一个有负曲率的表面，如一个马鞍，平行光束将更紧密的结合在一起，使得物体看起来更小.因为弯曲的簇拓扑空间对光的扭曲不同于扁平的簇拓扑空间，所以弯曲的簇拓扑空间也应该产生不同种类的CMB.用微波探测器（叫做BOOMERANG）观察到的1-degree-wide波正好是理论预言的扁平宇宙所应该有的，对于这个结论大部分物理学家至少希望用微波各向异性探针的（MAP'S）图象证实.一些研究者希望MAP将给出关于宇宙大小和形状的更多详细而精确的信息.“当我们看微波背景的时候，我们基本上留意到了球的表面，” 普林斯顿大学的一个天体物理学家和MAP科学队的一个成员David Spergel解释道.如果宇宙是无限的，那么“最后散射的表面”将不能给出关于它的形状的线索.但是如果宇宙是有限的，那么时空和安置在时空当中的散射表面必需使它们自身向后弯.一个足够巨大的球将会把自己相交贯穿至少形成一个圆周，正如一个围绕着销子搭接起来的圆盘一样. 实际上，Spergel说，因为光能通过不止一个路径穿过弯曲的时空，所以天文学家将看到一个交叉点不是一次而是两次，与一对圆周在天空的不同部分描绘出冷点和热点的方式相同.在美国的Spergel组和在巴黎天文台由Jean-Pierre Luminet领导的组正在研制一些运算法则以搜索在MAP数据中的这种信号.其间，数学家Jeff Weeks，一个纽约州的自由记者已经写了一个把一对圆周转化为宇宙模式的计算机运算法则.Weeks说，对形象化最容易的是一个“曲面（toroidal）”宇宙比最后散射的表面小.他指出，在包围着一个圆环面的两维宇宙中，天文学家看起来将在假想出的空间的盒子的相对的两个壁上看到同样的点.相似的，在三维曲面（toroidal）宇宙中，天文学家将在相对的方向看到三对圆周. toroidality仅仅是对扁平的有限宇宙来说10个不同toroidality之中最简单的一个.如果宇宙被证实是弯曲的这一点在当前还不是事实那么对Weeks的运算法则来说将会有无限多的可能性去尝试.“我们将开始尽可能快的关注任何可用的数据，”Weeks说.如果宇宙合作，他们可以不用等太长时间，Spergel说：“两年后，我们就能知道我们住在一个有限的宇宙中.” 注解：CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波.这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射.CMB也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景霍金和图罗克的新理论在科学界引起了不同的反应."暴胀"理论权威之一、俄罗斯物理学家林德对霍金等的理论提出了批评.林德称，宇宙自始至终存在，试图发现一个起点和所谓的终点是没有意义的.而英国的一些著名天文学家则出言谨慎.他们指出，霍金的新理论完全是按照物理学定律纯理论推算的结果，它是否揭示了宇宙的本质还有待干实际观测的考验.据悉，美国将于两年后发射一颗卫星来测量宇宙大爆炸遗留的微波辐射，这很可能为霍金的理论提供检验.霍金曾经花了很长一段时间去研究宇宙大挤压(反演)，爱因斯坦的宇宙学公式曾预言也许有这么一个演化阶段存在.那是一个逆演着的时空过程，物理理论几乎全部翻了过来，得出的结论也太荒谬.最后，霍金也不得不放弃他的这个研究.对于这个“宇宙学的黄金时代”，科学出版社出版的10000个科学难题（物理学卷）一书开篇，中科院理论物理研究所的李淼教授也把大爆炸之前宇宙是什么样子回答清楚了.李淼教授说，大爆炸之前宇宙是什么样子？现在流行的看法是，在物质产生之前，宇宙经过一个剧烈膨胀时期，叫暴涨时期.研究暴涨时期的“之前”有物理意义.因为，即使时间不复存在，我们可以问取代时间的概念是什么？近年来关于量子引力的研究结果建议我们用抽象的代数来取代几何概念，就是说，不但时间不复存在，就是空间也不复存在了.这种抽象概念无法用寻常的图像来解释，就像温度这个宏观概念，用到极端如越来越小的体系时，温度会不在适用，而更加正确的概念是分子原子的运动.不过，我们现在还不能肯定暴涨之前时间和空间肯定消失了，因为还存在一些其他理论.其次，一门学科成熟的标志是研究进入误差很小的定量化阶段，2006年诺贝尔物理学奖授予20世纪90年代初的一项实验发现，授奖的一个重要原因是，这项发现再次证实了大爆炸理论，因为大爆炸理论预言了微波辐射的涨落.按照爱因斯坦的论述（1919年），理论有两大类.一类他称为“构建性理论”，气体动理论就是这类理论的一个范例.另一类他称为“原理性理论”，经典热力学和相对论是这类理论的范例.笔者认为，大爆炸理论应当为“构建性理论.”附录： 1、 “据美国发现杂志网站记者Adam Frank2001年 6月25日报道，美国莱切斯特(Rochester)大学激光能量实验室(Laboratory for Laser Energetics)的天体物理学家们人工构造了一个宇宙诞生初期的环境，并将在这一环境中尝试让一个新的宇宙诞生.”“据该文报道，这个实验室足足有一个足球场那么大，内有几百吨重的玻璃、钢和塑料，这些材料被混合在一起形成世界上最大的激光源，称作Omega激光源.而且，为了验证这一激光源的强大威力，每隔一小时，这一强大的能量库就会通过一个超强的闪光灯发射出15000伏特的电流，同时产生60束分离的中子流，这些中子流呼啸着穿过180英尺长的玻璃架，到达一个灼灼闪光的分隔为两层的目标分隔实验间内.在一个巨大的蓝色球体的中心，60束激光聚焦在空间上的一点，精确度是千分之一英寸.紧接着，所有巨大的能量都释放出来，在这一瞬间，科学家可以创造出只有在一个恒星内部才有的压力和温度.这时候，在只有针尖大小的一点上集中了60000亿瓦特的电流，这简直是不可思议的，比整个美国任何时候所需要的全部电流都要大.”2、新华社电 日本名古屋大学日前公布，由该校研究生院专家参与的一个研究小组在银河系附近大小麦哲伦星云之间发现个能演变为星系的分子云，为“星系仍在不断诞生”的观点提供了证据.   研究人员利用位于智利的南天射电望远镜观察连接