大爆炸與宇宙起源

1、第11講 大爆炸與宇宙起源,引子：亙古不衰的問題,藍(lán)天白云，碧空廣袤浩瀚； 群星璀璨，河漢深不可測； 宇宙為何是這個樣子？它從何處而來？又向何處而去？宇宙會有開端嗎？時間會有終結(jié)嗎？,一個著名的傳說,相傳羅素在作過一次關(guān)于宇宙的演講后，聽眾中的一位老夫人站起來， 老夫人說：“你說的這些全是廢話，這個世界是馱在烏龜背上的一塊平板！” 羅素問道：“那么這只烏龜站在什么地方呢？” 老夫人說：“年輕人，你很聰明！不過，這是一只馱著一只一直馱下去的烏龜塔??！”,一、簡短的歷史回顧,中國：盤古開天辟地 印度：“象-龜”模型 希臘：地球在水上浮動 基督教：上帝的創(chuàng)生,上帝在創(chuàng)造宇宙之前做什么？,有人問奧古斯

2、?。荷系墼趧?chuàng)造宇宙之前做什么？,奧古斯丁的回答： “他正在為問這個問題的人準(zhǔn)備地獄！”,笛卡爾的“漩渦學(xué)說”,宇宙空間充滿了物質(zhì)微粒“以太”，以太的漩渦運(yùn)動促使物質(zhì)向中心聚集，從而形成太陽，其余物質(zhì)慢慢形成了地球和其他行星，殘余的物質(zhì)則形成了透明的天空。,康德-拉普拉斯的“星云假說”,1755年德國哲學(xué)家康德出版他的著作自然通史和天體論，在該書中他提出了太陽系演化的星云假說。后來，為拉普拉斯修正和完善。至今，這個假說仍被視為對哲學(xué)和自然科學(xué)有巨大影響和推動作用的學(xué)說。,(immanuel kant，1724-1804),太陽系一開始可能是一團(tuán)巨大的旋轉(zhuǎn)星云 隨著星云中無數(shù)粒子的相互吸引，行星和

3、衛(wèi)星從中凝聚出來 該假說可以說明所有行星和衛(wèi)星都圍繞著太陽從同一方向從西向東在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的事實(shí)。,困擾人們的問題？,走出太陽系，放眼宇宙，首先遇到的問題是： 恒星距離我們有多遠(yuǎn)？ 銀河系的結(jié)構(gòu)是怎樣的？ 銀河系之外是怎樣的世界？ 整個宇宙是有限的？還是無限的？,宇宙是無限的嗎？,兩個悖論 如果宇宙是無限大的，其中就有無數(shù)個恒星，按照牛頓萬有引力定律，宇宙空間中任何給定兩點(diǎn)的引力就可能很大或無限大，因此，任意一點(diǎn)的引力勢就無法確定。西利格之謎 如果宇宙是無限的，并且恒星的數(shù)量也是無限的，而且是均勻分布的，那么黑夜則不復(fù)存在，因?yàn)槟阆蛉魏我粋€方向望去，總能看到一個恒星。奧伯斯之謎,無限的宇宙沒

4、有黑夜！,olbers,宇宙是有限的嗎？,如果宇宙是有限的，那么宇宙的邊界和中心在何處？邊界以外又是什么？ 盧克萊修的“飛矛”：如果宇宙是有限的，倘若一個人一直走到它的邊上，猛擲一根飛矛，那么試問：它將飛向何處？ 愛因斯坦的困惑：宇宙究竟是無限伸展的？還是有限封閉的？ 海涅：一個白癡才希望有個答案。,愛因斯坦的失誤,1917年，愛因斯坦在“根據(jù)廣義相對論對宇宙學(xué)所作的考查”一文中通過求解廣義相對論引力場方程，引入了宇宙常數(shù)項(xiàng)，建立了一個“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙模型。 靜態(tài)：從大尺度來考察，宇宙空間中的物質(zhì)基本上是靜止不動的； 有限無界：宇宙空間是三維的，它的大小有限，光線在這個空間中沿著彎曲

5、路徑傳播，始終不會有它的終點(diǎn)，即這個空間沒有邊界。,圓極限,圖中所有的天使、所有的魔鬼在非歐度量下都是全等的！,“宇宙常數(shù)項(xiàng)是沒有必要的”,1922年蘇聯(lián)科學(xué)家弗里德曼重新求解了愛因斯坦的引力方程，認(rèn)為愛因斯坦引入的“宇宙常數(shù)項(xiàng)”完全沒有必要，并建立了“弗里德曼宇宙模型”，認(rèn)為宇宙的演化與宇宙物質(zhì)的平均密度和臨界密度有關(guān)。,弗里德曼的膨脹曲線,開,平,閉,開放的宇宙永遠(yuǎn)膨脹，閉宇宙膨脹后會再次收縮,開：雙曲型開放宇宙，宇宙曲率為負(fù) 平：歐幾里得型平直的開放宇宙，曲率為零； 閉：沒有邊界、體積有限的閉合宇宙，宇宙空間曲率為正。,又是一個挑戰(zhàn)！,我們生活于其中的宇宙會不斷的膨脹，或者到了一定的時候

6、還會收縮，由此意味著宇宙有個開端，或者還有末日！這實(shí)在是太奇妙了。 愛因斯坦認(rèn)識到弗里德曼工作的重要意義，認(rèn)為自己在引力方程中引入“宇宙項(xiàng)”的做法是最愚蠢的。 但是，這種“膨脹的宇宙”如何能得到證明呢？,二、歷史轉(zhuǎn)折：哈勃發(fā)現(xiàn)星系紅移,大概從1910年起，天文學(xué)家們在研究河外星系的光譜時，發(fā)現(xiàn)有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象(red shift)。到1917年，事情變得很清楚，除了少數(shù)幾個離地球近的星系，所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。星系越遠(yuǎn)，紅移越顯著。1929年美國天文學(xué)家哈勃提出了著名的“哈勃定律”，宣布星系的退行速度與距離大致成線性關(guān)系v=h0d，h0稱為哈勃常數(shù)，現(xiàn)在確定其值為50公里/（秒百萬秒差

7、距）。,多譜勒效應(yīng)(doppler effects),多譜勒效應(yīng) 速度和波長的關(guān)系； 日常經(jīng)驗(yàn)：飛馳而來的火車，音調(diào)升高，當(dāng)背你而去時，音調(diào)降低。 音調(diào)：波長（波峰之間的距離）和頻率（每秒鐘的波動數(shù)目）,多譜勒效應(yīng)對應(yīng)于光波也是正確的,哈勃是繼哥白尼以后最偉大的天文學(xué)家他發(fā)現(xiàn)了星系，指出它們具有宇宙大規(guī)模尺度的特征。后來又發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹，這些都是非常偉大的里程碑，也確定了他在歷史上的位置。,edwin hubble,1889-1953,“諾貝爾獎”的遺憾,20世紀(jì)40年代和50年代初，由于哈勃在天文學(xué)方面的巨大貢獻(xiàn)和影響，有人倡議授予哈勃諾貝爾物理學(xué)獎。但諾貝爾獎評委會中一些保守者說，獲獎學(xué)

8、科不能隨便跨越。于是，哈勃終于與諾貝爾獎無緣。但是到了1953年哈勃去世后，瑞典的評委會卻追悔莫及：哈勃不能獲獎不但是他本人的遺憾，也是諾貝爾獎的遺憾。但去世的人不能得獎，這個原則又是不能改變的。,遨游太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡,直徑2.4米，長13米，重9.98噸。1990年由“發(fā)現(xiàn)者”號送上天空。,三、大爆炸宇宙論的提出,星系紅移（redshift）逆向思維：在過去的某一時刻，宇宙中所有物質(zhì)應(yīng)該是彼此緊密地聚集在一點(diǎn)的！,“給我一個原子，我就可以用它建造出一個宇宙”勒梅特,1932年，比利時的主教、天文學(xué)與宇宙學(xué)家勒梅特根據(jù)哈勃的發(fā)現(xiàn)，提出了原始原子爆炸的宇宙模型，他認(rèn)為，現(xiàn)在觀測到宇宙是由一個極端

9、壓縮狀態(tài)的巨大的原始原子通過一系列相繼的裂變過程而形成的。這一過程經(jīng)歷了三個膨脹階段：快速膨脹期、慢速膨脹期、加速膨脹期。描述了一個膨脹著的、物質(zhì)分布均勻的、各項(xiàng)同性的宇宙。,伽莫夫：大爆炸學(xué)說的真正奠基人,1948年美籍蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫提出“大爆炸”宇宙學(xué)說。這種理論認(rèn)為，今天所看到的宇宙的膨脹現(xiàn)象，如果隨著時間追溯上去，將開始于一次強(qiáng)烈的爆炸，爆炸時的宇宙是極其致密的，而且處于一種超高溫狀態(tài)。,一個預(yù)言,伽莫夫預(yù)言：現(xiàn)今宇宙背景中應(yīng)當(dāng)留有當(dāng)初大爆炸殘留下來的熱輻射。 伽莫夫的學(xué)生阿爾弗和核物理學(xué)家赫爾曼經(jīng)過推算指出：早期宇宙遺留下來的背景輻射至今已經(jīng)很微弱了，其譜分布大體對應(yīng)于絕對溫度為

10、5k的黑體輻射“坑灰雖冷，余燼猶在”！。 但是，人們對這一預(yù)言并沒有在意，就是作者本人也沒有繼續(xù)走下去！而兩位與此毫不相干的無線電通訊工程師卻發(fā)現(xiàn)了，并因此而獲得諾貝爾獎！,20世紀(jì)60年代，為了實(shí)現(xiàn)通過人造衛(wèi)星進(jìn)行無線電通訊的目的，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室研制低噪聲接受系統(tǒng)，首先要找出空間中存在的各種可能干擾通訊的噪聲源。 實(shí)驗(yàn)室中的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜的工作任務(wù)就是如何降低來自各種可能的噪聲，為此，他們改進(jìn)了一個喇叭形無線電接受器，并使其保持在絕對溫度在4k的溫度下，這樣，電路各部件的噪聲溫度大大降低，從而提高了測量的精度。,他們聽到了,測量背景輻射的喇叭天線,“天籟之音！”,1964年5

11、月，他們發(fā)現(xiàn)了波長7.35厘米微波噪聲（相當(dāng)于3.5k的黑體輻射），這個噪聲的特點(diǎn)：各向同性、無偏振、不隨季節(jié)變化！他們無法解釋：因?yàn)檫@種噪聲沒有輻射源。 一天，彭齊亞斯為別的事打電話給mit射電天文學(xué)家伯克教授，順便談到他們了一直使他們感到煩心的“噪聲”，沒想到，伯克說“你們的發(fā)現(xiàn)太重要了！”建議他們同普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家迪克談?wù)劊驗(yàn)?，他正在讀迪克小組的一篇關(guān)于宇宙學(xué)論文的預(yù)印本，其中談到了宇宙背景的噪聲！,迪克的遺憾！,原來，迪克領(lǐng)導(dǎo)一個宇宙學(xué)研究小組，1945年，在測量月球、太陽的微波輻射時，發(fā)現(xiàn)天體背景也有輻射，輻射溫度上限約為20k,他們設(shè)想，這可能代表了宇宙中所有星系物質(zhì)的總輻

12、射。1946年他們將這一發(fā)現(xiàn)寫成論文發(fā)表在物理學(xué)評論，但是，他們不知道，20年前，這份雜志已經(jīng)發(fā)表了伽莫夫的論文，其中一個推論就是宇宙中可能存在殘余的微波背景輻射。 20年后，伽莫夫的“預(yù)言”引起關(guān)注，既然存在宇宙背景輻射，就能夠捕捉到這種“噪聲”。因此，他們準(zhǔn)備用喇叭形天線裝配一臺靈敏的輻射計，用以測量宇宙背景輻射。這是一項(xiàng)可以獲得諾貝爾獎的工作,大爆炸“余燼”的存在被首次證實(shí)！,但是正當(dāng)他們剛剛開始這項(xiàng)工作的時候，接到了彭齊亞斯的電話！ 迪克立即帶領(lǐng)一個小組訪問了貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，他們發(fā)現(xiàn)，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的“噪聲”不是別的，正是他們自己準(zhǔn)備尋找的宇宙背景輻射！ 六個月后，迪克小組用自己

13、的輻射計在3.2厘米波長處也發(fā)現(xiàn)了3k背景輻射！,1978年，貝爾實(shí)驗(yàn)室彭齊亞斯和威爾遜因首次測量到3k宇宙背景輻射而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。,“無心插柳”,大爆炸理論的檢驗(yàn),一、河外天體的譜線紅移（哈勃） 二、宇宙年齡的推算（小于200億年） 三、氦元素的豐度（25%） 四、宇宙微波背景3k輻射 “這是一項(xiàng)帶有根本意義的發(fā)現(xiàn)，它使我們能夠獲得很久以前、在宇宙創(chuàng)生時期所發(fā)生的宇宙過程的信息?！保ㄈ鸬淇茖W(xué)院頒獎決定） 但這對于伽莫夫、迪克似乎有點(diǎn)不公平！,“宇宙的創(chuàng)生”,大爆炸開始時 150200億年前，極小體積， 極高密度，極高溫度。 大爆炸后10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。 大爆炸后10-35

14、秒 同一場分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10萬億度，質(zhì)子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 1000億度，光子、電子、中微子 為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一， 熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和 密度不斷下降。 大爆炸后0.1秒 300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降 到0.61。,大爆炸后1秒 100億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子 湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和 質(zhì)子。 大爆炸后13.8秒 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化 學(xué)元素）形成。 大爆炸后35分鐘 3億度，核過程停止，尚不能形成中 性原子。 大爆炸后30萬年 3000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形 成，宇宙主要成分為氣態(tài)物

15、質(zhì)，并逐步 在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體 云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。,“宇宙蛋”（宇宙背景的不均勻輻射）,沒有完結(jié)的歷史,在解釋宇宙起源上，大爆炸學(xué)說取得了很大的成功，但是，仍然有許多的疑難尚未解決。其中最大的困難是宇宙的“奇點(diǎn)” 問題。 宇宙的膨脹有一個開端，在開端處，時間和空間縮為一點(diǎn)，物質(zhì)密度為無限大，溫度為無限高，這一點(diǎn)在數(shù)學(xué)上稱為“奇點(diǎn)” （singularity） 。 對宇宙“奇點(diǎn)”的研究，引出了又一位科學(xué)巨人！,四、霍金與黑洞理論,1642年，伽利略去世 同年，牛頓誕生，并在劍橋大學(xué)完成了巨著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 三百年后，1942年1月8日，霍金降生在劍橋，他會給世界帶來什

16、么驚喜呢？,從牛津到劍橋,霍金八歲的時候，全家搬到了倫敦以北20英里外一個叫圣奧爾本斯(st albans)的小鎮(zhèn)上。11歲時，斯蒂芬上了圣奧爾本斯學(xué)校，后來去了牛津大學(xué)，這也是他父親的母校。 斯蒂芬想學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，他父親則希望他學(xué)醫(yī)，但是當(dāng)時牛津大學(xué)沒有數(shù)學(xué)系，所以最后他選擇了物理。在三年工作量并不巨大的學(xué)習(xí)之后，他獲得了一等自然科學(xué)榮譽(yù)學(xué)位，之后進(jìn)入劍橋大學(xué)研究宇宙學(xué)，當(dāng)時牛津大學(xué)還沒有宇宙學(xué)這個專業(yè)。,尋舟出航,1962年牛津大學(xué)的8人劃船隊，右1是霍金舵手,磨難！,霍金在攻讀宇宙學(xué)方向的博士學(xué)位過程中遇到麻煩。由于在牛津大學(xué)期間沒有認(rèn)真學(xué)數(shù)學(xué)，在做廣義相對論的復(fù)雜計算時碰到障礙，他的研究迷

17、失了方向。而他也在這個時候被診斷患上了肌萎縮性硬化癥，一種罕見而且難以治愈的疾病。 這種疾病會影響控制運(yùn)動功能的那部分大腦，當(dāng)肌萎縮蔓延到全身后，就會引起癱瘓。不過，大腦的思維和記憶等高級功能不會受到影響。幸運(yùn)的是，霍金研究理論物理學(xué)，真正需要的工具就是大腦。,轉(zhuǎn)折點(diǎn)！,霍金的博士學(xué)位也面臨威脅。以他前兩年多的研究進(jìn)展，他很可能通不過博士學(xué)位的審定。而一次偶然的機(jī)遇，他的命運(yùn)發(fā)生了新的轉(zhuǎn)折。這使得他不僅可以成為霍金博士，而且從此走上超級科學(xué)明星的道路。 這本來可能只是一念之差。在參加完倫敦一個學(xué)術(shù)會議返回劍橋的列車上，霍金的同學(xué)們正在熱烈討論會議中的一個數(shù)學(xué)問題。而沉默的霍金將視線離開車窗，突

18、然一個念頭閃過：“如果將會議中的奇點(diǎn)理論應(yīng)用于整個宇宙，不知道會發(fā)生什么情況？”,他們也是這么想的！,這個故事似乎在牛頓和愛因斯坦的身上都發(fā)生過。 牛頓在想：“為什么蘋果不會拋向空中，而是落向地面？” 愛因斯坦則在思考：“如果人騎在光上飛行，將會看到怎樣一個世界呢？”,什么是黑洞？,愛因斯坦預(yù)言：質(zhì)量大于太陽3倍的物體，將會發(fā)生坍縮，以致于到這一程度，它的周圍的時空發(fā)生彎曲，從而使星體中央的物質(zhì)無法逃逸出來。光線從它的附近經(jīng)過將會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此光輻射中的光子或電磁能量束將圍繞恒星的中心運(yùn)動，這就意味著即使是光也無法從中逃逸。其結(jié)果將是一顆冰冷或黑暗的星。即后來所稱的“黑洞”。,引力坍縮形成黑洞

19、。,1965年，在劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位； 1974年提出霍金輻射,1974年3月1日，霍金在自然上發(fā)表論文，闡述了自己的新發(fā)現(xiàn)黑洞是有輻射的。在幾個星期內(nèi)，全世界的物理學(xué)家都在討論他的研究工作（霍金所指的輻射被稱為霍金輻射）?；艚鸬男掳l(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是多年來理論物理學(xué)最重要的進(jìn)展。該論文被稱為“物理學(xué)史上最深刻的論文之一”。 19751976年間，在其獲得6項(xiàng)大獎中有倫敦皇家天文學(xué)會的埃丁頓勛章、梵蒂岡教皇科學(xué)學(xué)會十一世勛章、霍普金斯獎、美國丹尼歐海涅曼獎、麥克斯韋獎和英國皇家學(xué)會的休斯勛章。1978年他獲得物理界最有威望的大獎阿爾伯特愛因斯坦獎。 1979年，被任命為劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教授。,霍

20、金的重要貢獻(xiàn)是建立了黑洞的力學(xué)定律，即“奇點(diǎn)理論” 宇宙的膨脹是從奇點(diǎn)開始的。,1981年梵蒂岡宇宙學(xué)會議，教皇保羅二世的大會演講：在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但是人們不要去過問大爆炸本身，因?yàn)槟鞘莿?chuàng)生的時刻，是上帝的事務(wù)。,“黑洞無毛”？a black hole has no hair,1975年，霍金以數(shù)學(xué)計算的方法證明黑洞由于質(zhì)量巨大，進(jìn)入其邊界的，也即所謂“活動水平線”的物體都會被其吞噬而永遠(yuǎn)無法逃逸。黑洞形成后，就開始向外輻射能量，最終將因?yàn)橘|(zhì)量喪失殆盡而消失。 霍金認(rèn)為，這種輻射并不包含黑洞內(nèi)部物質(zhì)的信息，一旦黑洞消失，這些信息也就喪失了，這便是所謂的“黑洞悖論”“黑洞無毛

21、”。而該理論與量子物理學(xué)的理論背道而馳。 量子物理學(xué)認(rèn)為，類似黑洞這樣質(zhì)量巨大物體的信息是不可能完全喪失的。,黑洞不是那么黑的black holes aint so black,2004年7月21日，霍金在都柏林舉行的“第17屆國際廣義相對論和萬有引力大會”上提出了新的理論。面對世界各國著名的物理學(xué)家，霍金說，“30年來，我一直在思考這個問題，現(xiàn)在我有了答案?！?他說，“黑洞只是看上去處在形成之中。后來，它就會向外輻射其吞噬的物質(zhì)的所有信息。不過，這些信息已經(jīng)被黑洞撕碎、打破和重整了?！?in and out ?,霍金在國際廣義相對論和萬有引力大會上修正了自己30年前的理論,宇宙探索之路漫長而修遠(yuǎn),為什么我們的宇宙空間是三維的？ 為什么時間是一維單向流逝的？ 為什么宇宙中有多種對稱性？為什么物質(zhì)的運(yùn)動速度不能超過光速？ 自然界的基本常數(shù)會不會變化？ 我們的宇宙會不會有終結(jié)？,霍金的“無邊界理論”,“無邊界理論”指出：宇宙的歷史可以想象為在地球上從北極到南極的旅行。在這個宇宙中沒有時間的邊緣。宇宙沒有開始，也沒有終結(jié)，它只有“存在”。,1985年：實(shí)行氣管造口手術(shù)失去語言能力，使用帶語音合成器的計算機(jī)。 1988年：時間簡史：從大爆炸到黑洞出版