2、現(xiàn)代宇宙學(xué)中的幾個問題解析

、現(xiàn)代宇宙學(xué)中的幾個問題在所有科學(xué)學(xué)科中，宇宙學(xué)是最吸引公眾的學(xué)科之一?？档抡f過：“有兩種事物，我們愈是沉思，愈感到它們的崇高和神圣，愈是增加虔誠與信仰，這就是頭上的天空和心中的道德律?！惫糯煳膶W(xué)，以天體測量為主，主要研究天體在空間的位置及其運動；至牛頓時代，牛頓創(chuàng)立牛頓力學(xué)，使天文學(xué)出現(xiàn)了一個新的分支--天體力學(xué)，這是天文學(xué)發(fā)展歷史上的一個巨大飛躍；以愛因斯坦提出廣義相對論為標志，天體物理學(xué)自此誕生并一躍成為天文學(xué)研究的主流…?，F(xiàn)代宇宙學(xué)從整體上研究大尺度的時空性質(zhì)，物質(zhì)運動的規(guī)律。它是當代天文學(xué)中最活躍的前沿陣地之一?，F(xiàn)代宇宙學(xué)的最大特征是必須尊重觀測到的客觀事實，必須能在理論物理學(xué)的基礎(chǔ)上給予科學(xué)的說明。它涉及到恒星的起源和演化，星系的起源和演化，元素的起源和演化等多方面的基礎(chǔ)理論問題。1、量子引力如何幫助解釋宇宙起源？現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論是標準模型和廣義相對論.前者利用量子力學(xué)來描述亞原子粒子以及它們所服從的作用力，而后者是有關(guān)引力的理論.很久以來，物理學(xué)家希望合二為一，得到一種“萬物至理”--即量子引力論，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何隨著大爆炸自然地誕生的.實現(xiàn)這種融合的首要候選理論是超弦理論，或者叫M理論--這是其名稱的最新“升級版”，M代表“魔法”(magic)、“神秘”(mystery)或“所有理論之母"(motherofalltheories).宇宙真的是在不斷膨脹嗎？宇宙真的是由一次熱大爆炸中形成的嗎？如果真的是，那么大爆炸之前的所謂數(shù)學(xué)奇點是什么東西？它是怎么形成的？大爆炸前一秒鐘的激發(fā)機制又是什么？有證據(jù)表明，在最初的時刻，宇宙經(jīng)歷了又一次的巨大爆炸，稱為膨脹，這樣宇宙中的最大星體就起源于亞原子量子態(tài)的絨毛微細結(jié)構(gòu)。這一膨脹的根本物理原因是個謎。Sloan數(shù)字尋天項目是利用美國新墨西哥州的ApachePoint觀測站2.5米的天體望遠鏡來觀測可見宇宙的實驗。該項目完成對整個天空四分之一的系統(tǒng)測繪任務(wù)后，產(chǎn)生詳細的圖像，確定一億個以上的天體的位置和絕對亮度，將在某種程度上闡明膨脹之謎。該實驗還將測量距100萬多個最近星系的距離，通過一個比我們到目前探索大100倍的體積，給出宇宙一個三維圖像。最后，使我們前所未有地了解到可見宇宙邊緣的物質(zhì)分布情況。這會提供質(zhì)量密度中原始波動情況，膨脹的結(jié)果應(yīng)該是這樣。如果自然界的4種力量事實上是在幾百萬度以下表現(xiàn)為不同形式的一種力，那么大爆炸時期溫度極高、密度極大的宇宙中，重力、強力、粒子和反粒子之間就沒有什么區(qū)別了，愛因斯坦的物質(zhì)和時空理論是以更普通的水準點為基礎(chǔ)，因此無法解釋宇宙初始時炙熱的彈丸之地是如何膨脹成今天我們看到的景象的，我們甚至不知道宇宙為什么充滿了物質(zhì)，根據(jù)當今物理學(xué)的看法，早期宇宙中的能量應(yīng)該產(chǎn)生了數(shù)量相當?shù)奈镔|(zhì)和反物質(zhì)，之后它們會互相湮滅，而某些神秘而作用巨大的物理過程使天平傾向了物質(zhì)，于是足夠的物質(zhì)產(chǎn)生了充滿星球的星系。幸運的是，初期宇宙還留下了一些線索，一個是宇宙微波本底輻射，這是大爆炸的余輝，幾十年來，不管天文學(xué)家從宇宙的哪個角度測量，這種微弱的輻射都是一樣的，天文學(xué)家相信，這種統(tǒng)一性說明，大爆炸是伴隨著比光速還快的時空膨脹開始的。宇宙學(xué)觀測表明宇宙是膨脹著的。通過對微波背景輻射和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等的觀測，宇宙的歷史可以追溯到極早期發(fā)生的大爆炸。我們所知的基本物理，比如廣義相對論和粒子物理標準模型，在那里都不適用。為理解宇宙起源，需要了解大爆炸時期的基本物理。2、黑洞信息悖論的解決方法是什么？根據(jù)量子理論，信息--無論它描述的是粒子運動的速度還是油墨顆粒組成文件的確切方式--是不會從宇宙中消失的.但物理學(xué)家基普?索恩、約翰?普雷希爾和斯茅芬?霍金卻提出了一個固定的假設(shè)：如果你把一本大不列顛百科全書扔進黑洞中去，將會發(fā)生什么事？宇宙中是否有其他同樣的百科全書是無關(guān)緊要的.正如物理學(xué)中所定義的，信息并不等同于含義，信息僅指二進制的數(shù)字，或是一些其他的代碼，它被用來精確地描述一個物體或一種方式.所以看起來那些特定的書本里的信息將被吞沒，并永遠地消失.但人們覺得這是不可能的.霍金博士和索恩博士相信那些信息確實消失了，而量子力學(xué)必須對此作出解釋.普雷希爾博士推測信息其實并沒有消失；它也許以某種形式顯示于黑洞的表面，如同在一個宇宙中的銀幕上.3、表達物理世界特征的所有（可測量的）無量綱參數(shù)原則上是否都可以推算，或者是否存在一些僅僅取決于歷史或量子力學(xué)偶發(fā)事件，因而也是無法推算的參數(shù)？愛因斯坦的表述更為清楚：上帝在創(chuàng)造宇宙時是否有選擇？想象上帝坐在控制臺前，準備引發(fā)宇宙大爆炸.“我該把光速定在多少”？“我該讓這種名叫電子的小點帶多少電荷”？“我該把普朗克常數(shù)--即決定量子大小的參數(shù)--的數(shù)值定在多大”？他是不是為了趕時間而胡亂抓來幾個數(shù)字？抑或這些數(shù)值必須如此，因為其中深藏著某種邏輯？4、為什么宇宙常數(shù)有它自身的數(shù)值？它是否為零，是否真正恒定？直到最近，宇宙學(xué)家仍然認為宇宙是以一個穩(wěn)定的速度在膨脹.但最近的觀察發(fā)現(xiàn)，宇宙可能膨脹得越來越快.人們用一個叫宇宙常數(shù)的數(shù)字來描述這種輕微的加速.這個常數(shù)是否如人們早期所認為的是零，或者是一個非常小的數(shù)值，物理學(xué)家現(xiàn)在還無法做出解釋.根據(jù)一些基本計算，這個常數(shù)應(yīng)該很大--是我們觀測結(jié)果的大約10到122倍.換句話說，宇宙應(yīng)該以跳躍般的速度在膨脹.而實際情況并非如此，肯定有什么機制在壓制這種作用.如果宇宙真是超對稱性的，那宇宙常數(shù)就該被完全抵消掉.但這種對稱性--如果確實存在的話--看來已經(jīng)破滅.如果這個常數(shù)隨時間的變化而變化的話，那情況就更加復(fù)雜了.5、宇宙中為什么存在2.73K微波黑體背景輻射？它是由什么東西組成的？既然質(zhì)量較大的中子星必將導(dǎo)致引力塌縮形成黑洞，黑洞縮小時引力塌縮又必將導(dǎo)致引力勢能趨于無窮大，也就是黑洞質(zhì)量必將趨于無窮大。由此必將導(dǎo)致引力場強度、引力作用范圍都趨于無窮大的“發(fā)散”現(xiàn)象。那為什么我們發(fā)現(xiàn)的所有星系中央星系核內(nèi)都有巨大質(zhì)量的黑洞，卻從未見到質(zhì)量、引力場強度、引力作用范圍的“發(fā)散”現(xiàn)象？6.既然我們已經(jīng)知道所有的星系都是由大團星云收縮形成的。那么，從宇宙熱大爆炸充分膨脹擴散形成稀薄的超大團星云，到星云分裂收縮成星系的過程中，密度和萬有引力場又該是如何變化的？為什么有的形成橢圓星系，有的形成旋渦星系，有的又形成棒旋狀的星系呢？星系的旋臂是怎么形成、演化的？整個星系在形成、演化過程中，是逐漸收縮的？還是逐漸擴散的？7.現(xiàn)在天文學(xué)界一致認定宇宙年齡約150億年。該年齡是指恒星年齡、古老球狀星團表面恒星年齡、星系核中央黑洞的年齡、還是整個星系的年齡？宇宙中占90姒上的暗物質(zhì)到底是什么東西？它們算不算宇宙中的主要成員？這90姒上的暗物質(zhì)年齡又是多少？宇宙種子磁場的來歷是什么？8、恒星、行星的形成：天體的形成是天體物理學(xué)中的重要問題。適合生物存在的行星，在銀河系中出現(xiàn)的幾率到底是多少？9、對于宇宙學(xué)家、圓周研究所主任尼爾?圖羅克(NeilTurok)來說，讓他無法入睡的問題則是世間一切的起始一一大爆炸。在宇宙創(chuàng)生之時，它處于溫度和密度都無窮大的狀態(tài)一一奇點，所有已知的物理定律在那時都會失效。“我們不知道該如何描述它，”他說，“任何一個囊括所有物理的理論怎么能不包含它？”為了避免宇宙創(chuàng)生的奇點，他參與提出了“火劫”理論。這一理論認為，我們所處的世界是至少10維的宇宙中的一張低維膜，兩個分立的三維膜會沿著垂直的維度前后震蕩。每一萬億年左右，這兩個膜就會彼此靠近并且碰撞，碰撞會釋放出一個火球進而使得每個宇宙“重生”。同時，圖羅克還寄希望于弦理論以及相關(guān)的“全息原理”。根據(jù)全息原理，一個三維的奇點可以被轉(zhuǎn)換為二維空間中一個在數(shù)學(xué)上更容易處理的東西。這也許意味著第三維和引力只不過是一種“幻影”。他說：“這些工具給我了一條思考這一問題的新途徑，并且它在數(shù)學(xué)上非常讓人滿意。”10、按愛因斯坦引力場方程計算，細圓環(huán)和雙球體引力場中心會出現(xiàn)奇點，表明時空奇異性是采用彎曲坐標的描述方法引起的，不是自然本性。所謂奇異性黑洞、白洞和蟲洞以及時間旅行等在自然界中都是不存在和不可能的。附錄：八大宇宙未解之謎：有的可能永遠找不到答案（來源：星際使者發(fā)布時間：2012-06-0515:42:20）美國《科學(xué)》雜志日前選出了八大宇宙未解之謎，這八大宇宙未解之謎都是由頂尖的科學(xué)家從他們所鉆研的領(lǐng)域中歸納出來的?？茖W(xué)家認為，部分謎題的產(chǎn)生是因為他們還沒找到解決它們的線索，通過天文觀測，最終一部分能得到解決。但他們也承認，其中一些“可能永遠也無法找到答案”，特別是暗物質(zhì)。《科學(xué)》雜志盤點的八大宇宙未解之謎分別是：1、暗能量，構(gòu)成現(xiàn)存宇宙的73%!從未被觀察到或測量過。暗能量的存在是“應(yīng)需而生”的，它能平衡關(guān)于宇宙的數(shù)學(xué)公式，但可能永遠不會被觀測到；2、暗物質(zhì)，與暗能量緊密相關(guān)，被描述為將宇宙萬物粘合在一起的“膠水”。為《科學(xué)》雜志撰寫相關(guān)論文的阿德里安?丘認為，與暗能量不同，科學(xué)家們很可能有朝一日能切實觀測到這種物質(zhì)；3、重子哪里去了？重子是一種能構(gòu)成特殊物質(zhì)的顆粒，但出于某些原因，當研究人員把暗能量、暗物質(zhì)相加并把其它歸于重子時，研究者所得的結(jié)果竟不是100%4、為什么恒星會爆炸？人們已經(jīng)對有關(guān)恒星形成以及太陽系形成的許多過程有了初步認知，但科學(xué)家們承認，他們?nèi)圆荒芡耆斫猱斠粋€恒星爆炸時其內(nèi)部情況到底是怎樣的，只知道爆炸后會形成超新星；5、是什么使宇宙再電離？自宇宙大爆炸后數(shù)十萬年，電子被從原子上剝離，但目前尚不知這是為什么；6、各種能量充沛的宇宙射線的源頭是什