科学史十五讲第15讲-大爆炸与宇宙起源

第15讲大爆炸与宇宙起源1引子：亘古不衰的问题蓝天白云，碧空广袤浩瀚；群星璀璨，河汉深不可测；宇宙为何是这个样子？它从何处而来？又向何处而去？宇宙会有开端吗？时间会有终结吗？2一个著名的传说相传罗素在作过一次关于宇宙起源的演讲后，听众中的一位老妇人站了起来，老妇人说：“你说的这些全是废话，这个世界是驮在乌龟背上的一块平板！”罗素问道：“那么这只乌龟站在什么地方呢？”老妇人说：“年轻人，你很聪明！不过，这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟塔啊！”3一、简短的历史回顾印度：“象-龟”模型中国：盘古开天辟地希腊：地球在水上浮动基督教：上帝的创生4上帝在创造宇宙之前做什么？有人问奥古斯丁：上帝在创造宇宙之前做什么？奥古斯丁的回答：—“他正在为问这个问题的人准备地狱！”5乔尔丹诺·布鲁诺（1548-1600）需要说明的是，将布鲁诺送上火刑架的主要原因并不是他对哥白尼学说的信仰，而是他的《论无限的宇宙和多世界》，被罗马教会宣布为“异端邪说”！笛卡尔的“漩涡学说”宇宙空间充满了物质微粒—“以太”，以太的漩涡运动促使物质向中心聚集，从而形成太阳，其余物质慢慢形成了地球和其他行星，残余的物质则形成了透明的天空。7康德-拉普拉斯的“星云假说”1755年德国哲学家康德出版他的著作《自然通史和天体论》，在该书中他提出了太阳系演化的星云假说。后来，为拉普拉斯修正和完善。至今，这个假说仍被视为对哲学和自然科学有巨大影响和推动作用的学说。(ImmanuelKant，1724-1804)8太阳系一开始可能是一团巨大的旋转星云随着星云中无数粒子的相互吸引，行星和卫星从中凝聚出来该假说可以说明所有行星和卫星都围绕着太阳从同一方向从西向东在同一平面内旋转的事实。910困扰人们的问题？走出太阳系，放眼宇宙，首先遇到的问题是：恒星距离我们有多远？银河系的结构是怎样的？银河系之外是怎样的世界？整个宇宙是有限的？还是无限的？11宇宙是无限的吗？两个悖论如果宇宙是无限大的，其中就有无数个恒星，按照牛顿万有引力定律，宇宙空间中任何给定两点的引力就可能很大或无限大，因此，任意一点的引力势就无法确定。—西利格之谜如果宇宙是无限的，并且恒星的数量也是无限的，而且是均匀分布的，那么黑夜则不复存在，因为你向任何一个方向望去，总能看到一个恒星。—奥伯斯之谜12无限的宇宙没有黑夜！Olbers13宇宙是有限的吗？如果宇宙是有限的，那么宇宙的边界和中心在何处？边界以外又是什么？卢克莱修的“飞矛”：如果宇宙是有限的，倘若一个人一直走到它的边上，猛掷一根飞矛，那么试问：它将飞向何处？爱因斯坦的困惑：宇宙究竟是无限伸展的？还是有限封闭的？海涅：一个白痴才希望有个答案。1415爱因斯坦的失误1917年，爱因斯坦在“根据广义相对论对宇宙学所作的考查”一文中通过求解广义相对论引力场方程，引入了宇宙常数项，建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型。静态：从大尺度来考察，宇宙空间中的物质基本上是静止不动的；有限无界：宇宙空间是三维的，它的大小有限，光线在这个空间中沿着弯曲路径传播，始终不会有它的终点，即这个空间没有边界。16圆极限图中所有的天使、所有的魔鬼在非欧度量下都是全等的！17“宇宙常数项是没有必要的”1922年苏联科学家弗里德曼重新求解了爱因斯坦的引力方程，认为爱因斯坦引入的“宇宙常数项”完全没有必要，并建立了“弗里德曼宇宙模型”，认为宇宙的演化与宇宙物质的平均密度和临界密度有关。18弗里德曼的膨胀曲线开平闭开放的宇宙永远膨胀，闭宇宙膨胀后会再次收缩开：双曲型开放宇宙，宇宙曲率为负平：欧几里得型平直的开放宇宙，曲率为零；闭：没有边界、体积有限的闭合宇宙，宇宙空间曲率为正。19又是一个挑战！我们生活于其中的宇宙会不断的膨胀，或者到了一定的时候还会收缩，由此意味着宇宙有个开端，或者还有末日！这实在是太奇妙了。爱因斯坦认识到弗里德曼工作的重要意义，认为自己在引力方程中引入“宇宙项”的做法是最愚蠢的。但是，这种“膨胀的宇宙”如何能得到证明呢？20二、转折：哈勃发现星系红移大概从1910年起，天文学家们在研究河外星系的光谱时，发现有系统的红移现象(redshift)。到1917年，事情变得很清楚，除了少数几个离地球近的星系，所有其他星系都显示出红移现象。星系越远，红移越显著。1929年美国天文学家哈勃提出了著名的“哈勃定律”，宣布星系的退行速度与距离大致成线性关系V=H0D，H0称为哈勃常数，现在确定其值为50公里/（秒·百万秒差距）。21多谱勒效应(DopplerEffects)多谱勒效应速度和波长的关系；日常经验：飞驰而来的火车，音调升高，当背你而去时，音调降低。音调：波长（波峰之间的距离）和频率（每秒钟的波动数目）22多谱勒效应对应于光波也是正确的23星系红移哈勃是继哥白尼以后最伟大的天文学家，他发现了星系，指出它们具有宇宙大规模尺度的特征。后来又发现了宇宙的膨胀，这些都是非常伟大的里程碑，确定了他在科学史上的重要位置。EdwinHubble,1889-195324“诺贝尔奖”的遗憾20世纪40年代和50年代初，由于哈勃在天文学方面的巨大贡献和影响，有人倡议授予哈勃诺贝尔物理学奖。但诺贝尔奖评委会中一些保守者说，获奖学科不能随便跨越。于是，哈勃终于与诺贝尔奖无缘。但是到了1953年哈勃去世后，瑞典的评委会却追悔莫及：哈勃不能获奖不但是他本人的遗憾，也是诺贝尔奖的遗憾。但去世的人不能得奖，这个原则又是不能改变的。25永存太空遨游太空的哈勃望远镜直径2.4米，长13米，重9.98吨。1990年由“发现者”号送上天空。2627三、大爆炸宇宙论的提出星系红移（redshift）逆向思维：在过去的某一时刻，宇宙中所有物质应该彼此紧密地聚集在一点！2829“给我一个原子，我就可以用它建造出一个宇宙”—勒梅特1932年，比利时的主教、天文学与宇宙学家勒梅特根据哈勃的发现，提出了原始原子爆炸的宇宙模型，他认为，现在观测到宇宙是由一个极端压缩状态的巨大的原始原子通过一系列相继的裂变过程而形成的。这一过程经历了三个膨胀阶段：快速膨胀期、慢速膨胀期、加速膨胀期。描述了一个膨胀着的、物质分布均匀的、各项同性的宇宙。30伽莫夫：大爆炸学说的真正奠基人1948年美籍苏联物理学家伽莫夫提出“大爆炸”宇宙学说。这种理论认为，今天所看到的宇宙的膨胀现象，如果随着时间追溯上去，将开始于一次强烈的爆炸，爆炸时的宇宙是极其致密的，而且处于一种超高温状态。31一个预言伽莫夫预言：现今宇宙背景中应当留有当初大爆炸残留下来的热辐射。伽莫夫的学生阿尔弗和核物理学家赫尔曼经过推算指出：早期宇宙遗留下来的背景辐射至今已经很微弱了，其谱分布大体对应于绝对温度为5K的黑体辐射—“坑灰虽冷，余烬犹在”！。但是，人们对这一预言并没有在意，就是作者本人也没有继续走下去！而两位与此毫不相干的无线电通讯工程师却发现了，并因此而获得诺贝尔奖！3220世纪60年代，为了实现通过人造卫星进行无线电通讯的目的，美国贝尔电话实验室研制低噪声接受系统，首先要找出空间中存在的各种可能干扰通讯的噪声源。实验室中的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊的工作任务就是如何降低来自各种可能的噪声，为此，他们改进了一个喇叭形无线电接受器，并使其保持在绝对温度在4K的温度下，这样，电路各部件的噪声温度大大降低，从而提高了测量的精度。他们听到了……33测量背景辐射的喇叭天线34“天籁之音！”1964年5月，他们发现了波长7.35厘米微波噪声（相当于3.5K的黑体辐射），这个噪声的特点：各向同性、无偏振、不随季节变化！他们无法解释：因为这种噪声没有辐射源。一天，彭齐亚斯为别的事打电话给MIT射电天文学家伯克教授，顺便谈到他们了一直使他们感到烦心的“噪声”，没想到，伯克说“你们的发现太重要了！”建议他们同普林斯顿大学的物理学家迪克谈谈，因为，他正在读迪克小组的一篇关于宇宙学论文的预印本，其中谈到了宇宙背景的噪声！35迪克的遗憾！原来，迪克领导一个宇宙学研究小组，在测量月球、太阳的微波辐射时，发现天体背景也有辐射，辐射温度上限约为20K,他们设想，这可能代表了宇宙中所有星系物质的总辐射。1964年他们将这一发现写成论文发表在《物理学评论》，但是，他们不知道，20年前，这份杂志已经发表了伽莫夫的论文，其中一个推论就是宇宙中可能存在残余的微波背景辐射。20年后，伽莫夫的“预言”引起关注，既然存在宇宙背景辐射，就能够捕捉到这种“噪声”。他们准备用喇叭形天线装配一台灵敏的辐射计，用以测量宇宙背景辐射。—这是一项可以获得诺贝尔奖的工作36大爆炸“余烬”的存在被首次证实！但是正当他们刚刚开始这项工作的时候，接到了彭齐亚斯的电话！迪克立即带领一个小组访问了贝尔电话实验室，他们发现，彭齐亚斯和威尔逊发现的“噪声”不是别的，正是他们自己准备寻找的宇宙背景辐射！六个月后，迪克小组用自己的辐射计在3.2厘米波长处也发现了3k背景辐射！371978年，贝尔实验室彭齐亚斯和威尔逊因首次测量到3K宇宙背景辐射而获得诺贝尔物理学奖。“无心插柳”38大爆炸理论的检验一、河外天体的谱线红移（哈勃）二、宇宙年龄的推算（小于200亿年）三、氦元素的丰度（25%）四、宇宙微波背景3K辐射—“这是一项带有根本意义的发现，它使我们能够获得很久以前、在宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。”（瑞典科学院颁奖辞）—但这对于伽莫夫、迪克似乎有点不公平！3940“宇宙的创生”大爆炸开始时130－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。大爆炸后10-43秒宇宙从量子背景出现。大爆炸后10-35秒同一场分解为强力、电弱力和引力。大爆炸后10-5秒10万亿度，质子和中子形成。大爆炸后0.01秒1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。大爆炸后0.1秒300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。41大爆炸后1秒100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。大爆炸后13.8秒30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。大爆炸后35分钟3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30万年3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。424344“宇宙蛋”（宇宙背景的不均匀辐射）45没有完结的历史在解释宇宙起源上，大爆炸学说取得了很大的成功，但是，仍然有许多的疑难尚未解决。其中最大的困难是宇宙的“奇点”问题。宇宙的膨胀有一个开端，在开端处，时间和空间缩为一点，物质密度为无限大，温度为无限高，这一点在数学上称为“奇点”（singularity）。对宇宙“奇点”的研究，引出了又一位科学巨人！46四、霍金与黑洞理论471642年，伽利略去世同年，牛顿诞生，并在剑桥大学完成了巨著《自然哲学的数学原理》三百年后，1942年1月8日，霍金降生在剑桥，他会给世界带来什么惊喜呢？48从牛津到剑桥霍金八岁的时候，全家搬到了伦敦以北20英里外一个叫圣奥尔本斯(StAlbans)的小镇上。11岁时，斯蒂芬上了圣奥尔本斯学校，后来去了牛津大学，这也是他父亲的母校。斯蒂芬想学习数学，他父亲则希望他学医，但是当时牛津大学没有数学系，所以最后他选择了物理。在三年工作量并不巨大的学习之后，他获得了一等自然科学荣誉学位，之后进入剑桥大学研究宇宙学，当时牛津大学还没有宇宙学这个专业。49寻舟出航1962年牛津大学的8人划船队，右1是霍金—舵手50磨难！霍金在攻读宇宙学方向的博士学位过程中遇到麻烦。由于在牛津大学期间没有认真学数学，在做广义相对论的复杂计算时碰到障碍，他的研究迷失了方向。而他也在这个时候被诊断患上了肌萎缩性硬化症，一种罕见而且难以治愈的疾病。这种疾病会影响控制运动功能的那部分大脑，当肌萎缩蔓延到全身后，就会引起瘫痪。不过，大脑的思维和记忆等高级功能