词语大全 > 宇宙论

宇宙论

宇宙学是对宇宙的研究。其亦研究人类在宇宙中的位置。

虽宇宙学这个词是最近才有的,但人们对宇宙的研究已经有很长的一段历史了,古希腊的托勒密是宇宙学已知的最早先驱。现代宇宙学是数学和物理的代名词,早已摒弃宗教和纯哲学概念,借助大型物理实验和超级望远镜,依托现代天文学,数学研究宇宙深层次的原理。

美国国家航空暨太空总署(NASA)协同国际伙伴建造的詹姆斯.韦伯太空望远镜将能观察太空约2亿年的景象。 [1]

沿革

该词最早由德国沃尔弗使用。黑格尔认为宇宙论的研究包括世界的偶然性、必然性、永恒性、有限性、规律性、人的自由和恶的起源。

马克思主义哲学唯物主义出发,其认为宇宙论的问题均由哲学世界观决定,没有单独的宇宙论。

宇宙论与本体论的区别在于:宇宙论探求这个世界什么是真实的,而本体论则探求对任何世界都有效的关系与原则。

现代宇宙学是数学和物理的代名词,早已摒弃宗教和纯哲学概念,借助大型物理实验和超级望远镜,依托现代天文学,数学研究宇宙深层次的原理。如美国国家航空暨太空总署(NASA)协同国际伙伴建造的詹姆斯.韦伯太空望远镜将能观察太空约2亿年的景象。如耗资6亿美元的开普勒太空望远镜于2009年3月发射升空,是世界上首个专门用于搜寻太阳系外类地行星的航天器。 [2] 美国国家航空暨太空总署(NASA)协同国际伙伴建造的詹姆斯.韦伯太空望远镜将能观察太空约2亿年的景象。为了研究宇宙学,宇航局需要一个更为强大的观测设备,让自己回到宇宙诞生之初。这个观测设备便是詹姆斯-韦伯太空望远镜,将于2018年发射升空。 [3-4]

现代宇宙学模型

现代宇宙学的先驱代表人物是霍金。霍金在《大设计》中开篇说明“哲学已死”,否认了纯哲学和宗教可以解释自然,这也表明各大宗教只是古代精神世界探索未知,追求解脱的体系,而非客观真理

霍金在书中完全否定了“上帝”创造宇宙一说。在《时间简史》中,霍金对于宗教的态度相对比较模糊,而《大设计》在开篇宣布“哲学已死”之后,也对“上帝”的存在作出了自己毫无保留的判断。霍金的结论,宇宙不是“上帝”创造的,很明确地写道:“宇宙创造过程中,“上帝”没有位置。没有必要借助“上帝”来为宇宙按下启动键。”霍金认为支持“宇宙大爆炸”理论的物理学定律向传统宗教信仰发起了挑战,“由于存在万有引力等定律,因此宇宙能够,而且将是从无到有自己创造了自己。自然发生说是有物而非无物存在的原因,这是宇宙和人类存在的原因。没必要借助“上帝”引燃蓝色导火线,让宇宙诞生。” [5-6] 《大设计》是霍金在《时间简史》之后的最重要的著作,它凝结了霍金20多年来对科学和哲学的思考成果。 [7]

在该书其他著作中霍金推崇利用数学和物理手段寻找一个大一统理论,并且证明“宇宙是偶然诞生的,不需要上帝”,“宇宙的数学模型是有限无界”。

霍金在演讲中说道:宇宙起源的问题有点像这个古老的问题:先有鸡呢,还是先有蛋。换句话说,即是何物创生宇宙,又是何物创生该物呢?也许宇宙,或者创生它的东西已经存在了无限久的时间,并不需要被创生。直到不久之前,科学家们还一直试图回避这样的问题,觉得它们与其说是属于科学,不如说是属于形而上学或宗教的问题,然而,人们在过去几年发现,科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的。在那种情形下,宇宙可以是自足的,并由科学定律所完全确定

1983年詹姆哈特尔和我提出,宇宙的状态应由对一定种类历史的求和给出。这类历史由没有奇性的,而且具有有限尺度却没有边界或边缘的弯曲空间组成。它们像是地球的表面,只不过多了两维。地球的表面具有有限的面积,它不具有任何奇性、边界或边缘。我曾经用实验验证过这一点。我作过环球旅行,而没有落到外面去。

哈特尔和我所做的设想可以被重新表达成:宇宙的边界条件是它没有边界。只有当宇宙处于这个无边界状态时,科学定律自身才能确定每种可能历史的概率。因此,只有在这种情形下,已知的定律才会确定宇宙应如何运行。如果宇宙处于任何其他的状态,则历史求和中的弯曲空间的种类就要包括具有奇性的空间。人们必须求助于已知科学定律以外的某种原理,才能确定这种奇性历史的概率。这种原理就会是外在于我们宇宙的某种东西。我们不能从我们宇宙之中将其推导出来。而另一方面,如果宇宙是处于无边界状态,在原则上,我们就能在不确定性原理容忍的限制之仙完全确定宇宙应如何运行。 [8]

物理学家吴忠超评论:无边界量子宇宙学已经把“造物主”或“上帝”从宇宙创生的场景中祛除,而这新方法在某种意义上又将我们推上万物之灵的宝座。从M理论迄今作为终极理论的唯一合格候选者到宇宙的存在和创生,人类已经如此清晰地理解宇宙和我们的存在,这真正是理性的胜利。事实上,任何文化创造,无论是艺术的还是科学的,恐怕都不及理解我们自身存在这个命题伟大。 [9]

在过往,希腊哲学家认为天是一个天球,当中的机械原理,就成为了现时天体力学的内容。在当时,阿里斯塔克斯亚里士多德托勒密曾提出过几个不同的天体学理论,当中以托勒密用来解说天体运作的地心说被广为接受,直到16世纪时为哥白尼所推翻,并得到开普勒伽利略等人提出的新日心说理论所取代。这事件成为了宇宙物理学的一个最著名的认识论断裂(epistemological rupture)的例子。

随着牛顿及其于1687年出版的《自然哲学的数学原理》的出现,长久以来有关天体的运动问题终于被解决了。牛顿为开普勒定律的机制提供了物理上的解释,而他的万有引力定律使过往难以解释的各种奇特天文现象,例如行星逆行的现象,都可以透过行星间的引力相互作用而解释。牛顿的天体学理论与先前的理论在根本上最大的分别,在于哥白尼原则只提出地球在宇宙里没有特殊地位,而牛顿却更进一步的指出:不论是天体和地球,两者皆遵守着相同的物理法则,这一点在宇宙物理学的进展来说是很重要的。

大爆炸理论

不同的宇宙学原理导致迥然不同的宇宙图景。哥白尼宇宙学原理是大爆炸理论的基础。的确,大爆炸理论实际上先于宇宙膨胀的发现。如果要求宇宙处处均匀各向同性,我们就唯一地得出大爆炸宇宙论。实际上有两种不同的大爆炸宇宙论模型。按第一种模型,宇宙将永远膨胀下去。按第二种模型,宇宙最后将重新收缩。在这两种模型中,使宇宙趋向再收缩的引力都是由初始爆炸的力抗衡着,后者在永远膨胀的模型中相对较强,而在注定要再收缩的模型中相对较弱。

按照大爆炸理论,宇宙学原理,后者要求宇宙在一切时期显示出相同的面貌。建立稳恒态宇宙论就是为了满足完美宇宙学原理的要求。这种理论是1948年由海尔曼邦迪、托马斯哥尔德和弗雷得霍依耳引入的。它假设物质不断地以准确的速率产生出来恰好维持宇宙中各处相同的平均物质密度,从而预言宇宙在一切时代都具有相同的面貌。稳恒态理论(至少它的初始形式)是一个非常大胆的理论。大爆炸理论最薄弱的一环,即初始创生的时刻被暴露出来了。既然大爆炸理论可以断言宇宙是在遥远而有限的过去一瞬间创生的,那为什么不能同样合理地断言任何时刻任何地方都在发生创造呢?

稳恒态宇宙论被否定

观测证据是任何理论最严格的仲裁者,它终于否定了稳恒态宇宙论的这个大胆断言。在1950年,由于进行了更精巧更有鉴别力的天文观测,稳恒态理论的提倡者逐渐修改了它的形式。因为这个理论变得越来越牵强,只剩下一些最固执的支持者还相信它。最后,稳恒态宇宙论在1965年被宇宙微波背景辐射的发现推翻了,这一发现为宇宙早期的炽热阶段提供了不容置辩的证据。稳恒态宇宙论只不过是在现代宇宙论发展过程中的一个有相当历史意义的插曲而已。

虽然人们一直敦促稳恒态理论的提出者同意宇宙膨胀开始于百亿年前的一瞬,但是关于早期宇宙行为的无数种可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙学原理只能用可观测的宇宙来评判,而大爆炸理论对后者提供了极好的描述。不过,在宇宙还很年轻的早期,我们可以想象一种宇宙论和标准大爆炸模型的均匀各向同性膨胀非常不同。这种膨胀是各向异性的:在某个优先的方向上迅速膨胀而同时在另外的方向上坍缩。或者,宇宙也可能是非常不均匀的;在较密的区域可以发生局部的坍缩而形成黑洞。我们没有科学上的理由偏爱简单而规则的大爆炸模型而讨厌宇宙可能有较离奇的开端。这两种可能性同我们的物理规律都不矛盾,而天文观测也还不能鉴别它们。

尽管有无数种可能的开端,我们还可求助于人择宇宙学原理为宇宙挑出唯一的过去。按照这条原理必须承认标准大爆炸模型。因为假若宇宙以一种极不规则的方式演化,即不会有生命及人类进化出现了,其无法承载所有物理定律。所有那些混沌宇宙论经过充分长的时间以后,多半都会发展得不利于生命的存在。只有从无数种选择中挑选出来的标准大爆炸模型才能提供适合生命演化的环境。

否认人择原理的宇宙学者满足于宇宙的混沌起源。显然,这样的宇宙反推回去要花无穷长的时间,因此人们可以认为这种观点只具有学院式意义。相反,求助于人择原理的宇宙学者选择一种从初始至无穷永远保持简单的宇宙。选均匀的宇宙还是选早期混沌的宇宙,取开模型还是取闭模型,这乃是现代宇宙论面临的主要抉择。

宇宙论是研究宇宙的大尺度结构和演化的学科。当我们巡视遥远的太空深处时,也就是在沿着时间上溯。我们所看到的那些最远的星系,它是很久很久以前当它们发出的光开始其漫长的太空旅行时的面貌。既然庞大的星系都曾经是年轻的,故宇宙结构如何产生的问题就同宇宙论不可分割地联系在一起。研究宇宙中可观测的结构(从巨大的星系团到太阳系)的起源属于天体演化学的领域。有待查明的根本问题包括:宇宙是何时和怎样发端的,星系是如何形成并获得我们观测到的形态及尺度分布的,恒星是如何诞生的,行星和生命是如何演化的,等等。

仅仅在20年前,人们还没有什么把握来回答宇宙论和天体演化学的这些根本问题。我们对于遥远宇宙和早期宇宙的知识是如此贫乏,以至于好些很不相同的宇宙学理论似乎都可以解释观测资料。然而天文学家们作出了有关宇宙本性的激动人心的新发现,这些发现提供了压倒优势的证据支持一种宇宙学理论,即大爆炸理论。今天,人们正是在这个理论的框架内探索着宇宙论和天体演化学的根本问题。

尽管大爆炸理论还不能对所有的重大问题作出回答,可它却为我们勾画出了一幅宇宙演化的大致轮廓。在下面几章中,我们将描述那些为大爆炸理论提供了证据的发现,并将追溯宇宙从最初时刻以来的演化。可以看到,当我们试图回答宇宙论和天体演化学的某些基本问题时,新的问题和争议又会不可避免地出现。我们理论的许多细节仍然是不确定的。在这种情况下,我们可以描述一些可供选择的假说,并指出一些方向留待进一步的研究来判明。因此,我们的讨论既包含了宇宙本身的过去和未来,也包含着人类为理解它所作努力的历史和前景。

作为开始,我们要介绍一些形成任何科学的宇宙理论基础的原理。

自古以来,人类就不愿放弃我们在宇宙里起着中心作用的想法。先是提出了地心宇宙观,放弃地心宇宙观以后又提出了日心宇宙观。直到20世纪人们才认识到,我们的太阳不过是处在一个普普通通星系边沿的一颗普普通通的恒星。我们的星系是一个大星系团外部的一个松散星系群的一员。甚至这个星系团(即室女座星系团)同我们在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系团相比,也只不过是一个毫不出众的角色而已。我们在宇宙中的地位可以说是平凡到了极点。

这种用最大的光学望远镜观测得来的知识,给宇宙学者留下了一个棘手的难题。我们的观测是从宇宙中的一个特殊位置进行的,而建立一个宇宙学理论却要求一般地了解整个宇宙中物质的性质和分布。宇宙学者需要摆脱这种令人遗憾的限制,他们的办法是假设一个普适原理,这个原理要求宇宙在我们附近的部分同极遥远的区域相比没有什么差别。有很强的哲学理由来为这种普适原理辩护。举个例来说,物理学规律在全宇宙中应当是同样的;因为若不如此,实验就会不可重复,而我们的物理规律就会不成其为规律了。一个更强的要求是,大宇宙应当尽可能地简单。用可以容许的最简单模型来解释现象,这是物理学前进的自然方式。不过,宇宙学原理也有一些不同的说法。

1543年,哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼学说的逻辑推广是应将我们的银河系从任何优越的空间位置挪走。于是我们得到了近代宇宙论的重要基石,即哥白尼宇宙学原理。这个原理说,我们在宇宙空间中并不处于特别优越的位置。人们研究了天文底片上的大量星系以后发现,它们的出现频率在不同方向上是颇为相似的。这一迹象表明,宇宙是局域各向同性的,从地球上看来,宇宙在不同方向上显示出相同的面貌。(从中心看一个球是各向同性的,而看一个鸡蛋就不然了。)哥白尼原理要求,宇宙在空间任何一点周围都是各向同性的。矩的反射应足以验证,点点各向同性要求宇宙在空间上也必须均匀。因为,如果宇宙是非均匀的,那么它只能在某些特定位置上显示出各向同性

某些宇宙学者曾试图把宇宙学原理推广到包括沿时间不变的概念。根据这个原理,至少在最大的尺度上宇宙是永恒不变的。于是,完美宇宙学原理说,从空间和时间中的任何一点看去,宇宙都呈现出相似的面貌。由这个假设导出的稳恒态宇宙论已被观测排除。因而,宇宙学者一般只接受宇宙学原理的较弱的形式,而我们也乐于承认,宇宙在空间(而不是时间)中是近似均匀且各向同性的。

为了完备起见,我们还得谈谈人择宇宙学原理。这个原理采取的观点同完美宇宙学原理正好相反,宣称人类是在一个特定时期观察着宇宙的,尽管宇宙从空间任何点看去显得一样。假设这个特定时期是因为需要产生那些有利于生命演化的特殊条件,比方说,宇宙比现在炽热得多或稠密得多,星系就不能形成;假如引力的强度和我们的观测值大不相同,行星系统就不能形成,或不适合于我们所知的生命形式存在。现已查明,地球的年龄和天文学家发现的最老恒星或星系的年龄相仿(顶多差4倍),这毕竟是一个惊人的符合。人择宇宙学原理用“许可”来解释这种相似性。宇宙本来可以比它实际的情形不规则和无序得多。人择宇宙学原理断言,若是那样的话,各种条件就不能容许生命存在了。因此,作为观察者,我们是生活在一个非常特殊的宇宙中,并且这个宇宙必须是均匀各向同性的。“人择”是一个非常基本的论据,因为它试图对哥白尼宇宙学原理作出解释,而后者几乎是所有有生命力的宇宙论的核心。

大爆炸宇宙论认为:宇宙是由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1929年,美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。宇宙并非永恒存在而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。像历史学家一样,宇宙学家意识到开启未来的钥匙在于过去。

早在1929年,埃德温哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现,即不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。换言之,宇宙正在不断膨胀。这意味着,在早先星体相互之间更加靠近。事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙无限紧密。

1950年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是一种在各处同时发生,从一开始就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个粒子都离开其他每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙,或者指的是一个就像球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。根据大爆炸宇宙论,甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来,通过几十年的努力,宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史:

大爆炸开始时:

150-200亿年前,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。

10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。

10-5秒 10万亿度,质子和中子形成。

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。

0.1秒后 300亿度,中子质子比从1.0下降到0.61。

1秒后 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。

13.8秒后 30亿度,氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成。

35分钟后 3亿度,核过程停止,尚不能形成中性原子

大爆炸后30万年后 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。

大爆炸理论揭示了宇宙演化的壮阔景象。宇宙膨胀大约开始于200亿年前。这个初始时刻及其以前的条件纯属猜测的范畴。早期宇宙非常炽热、非常致密,同时也许还是很不规则的。这种不规则性和各向异性逐渐消失了。在大爆炸后数分钟内出现了一些核反应,宇宙中几乎所有的氦就是在那时合成的。随着膨胀的进行,宇宙逐渐变冷,就像热空气边膨胀边冷却一样。宇宙背景辐射就是这个早期时代的遗迹。人们一直恰当地把它称为原始火球的剩余辐射。根据一种宇宙演化的方案,随着宇宙中物质的冷却,它终将凝聚为原星系。原星系分裂为恒星并聚在一起成为范围广阔的巨大集团。随着头几代恒星的诞生和死亡,逐渐合成了碳、氧、硅、铁这类重元素。当恒星演化为红巨星时,它们便抛出凝结为尘粒的物质。从气体和尘埃云中形成了新一代的恒星。至少在一个这样的星云里,冷的尘埃坍缩成一个环绕恒星的薄盘。尘粒通过合并彼此附着并累积成较大的物体,这些物体在彼此引力的吸引下长大,形成从小行星到大行星的形形色色天体,这些天体就构成了太阳系。

大爆炸理论引导我们追溯整个宇宙的演化,从时间的头几毫秒到地球的形成和生命的出现,再走向可能是无限的未来。

词语大全 8944.net

copyright ©right 2010-2021。
词语大全内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com