現(xiàn)代宇宙學

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進入20世紀以來,由于人類科學技術(shù)的飛速發(fā)展,天文觀測手段出現(xiàn)一次又一次的革命性的進展,觀測到了上百億光年的宇宙空間,了解到天體的上百億年的時間演化。天文學家們對這樣的大尺度空間和悠久的時間里的物質(zhì)演變產(chǎn)生了濃厚的興趣。如何解釋已觀測到的許許多多客觀事實,如何利用現(xiàn)代物理學對這許許多多觀測事實給予科學的說明?這些就是現(xiàn)代宇宙學的任務(wù),它是天文學中的一個分支。也就是說,現(xiàn)代宇宙學從整體上研究大尺度的時空性質(zhì),物質(zhì)運動的規(guī)律。它是當代天文學中最活躍的前沿陣地之一。現(xiàn)代宇宙學的最大特征是必須尊重觀測到的客觀事實,不能憑想象。而且必須能在理論物理學的基礎(chǔ)上給予科學的說明。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。人們最想知道的是:宇宙是什么樣子呢?宇宙有多大?宇宙的結(jié)構(gòu)如何?宇宙有沒有誕生之日和終結(jié)之時?

20世紀以來,天文學家們建立起多種宇宙模型。概括起來主要有兩大派別:一類叫穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型,它認為宇宙在大尺度上的物質(zhì)分布和物理性質(zhì)是不隨時間變化的,穩(wěn)恒不變。不僅在空間上是均勻的,各向同性的,而且在時間上也是穩(wěn)定的。這是1948年英國天文學家邦迪(Hermann Bondi)等人提出的;另一類叫演化態(tài)模型,它認為宇宙在大尺度上的物質(zhì)分布和物理性質(zhì)是隨時間在變化的。這是1922年,蘇聯(lián)數(shù)學家弗里德曼(Friedmann)在解愛因斯坦引力場方程時得到的。在眾多的宇宙模型中,目前影響較大的是熱大爆炸宇宙學說。

熱大爆炸宇宙學認為,大約在150億年前,在一個致密熾熱的奇點發(fā)生了驚人的熱大爆炸。這場爆炸后,形成迅速的膨脹,逐漸形成了我們今日可見的宇宙。這就告訴我們,不僅宇宙間的萬物在演化,大尺度的宇宙本身也是演化的主體。那么,現(xiàn)在有沒有觀測到的事實來支持這個觀點呢?上面介紹的有關(guān)星系的紅移現(xiàn)象和哈勃定律等,都支持了宇宙還在膨脹之中的論點。另外,20世紀60年代天文學中的四大發(fā)現(xiàn)之一的微波背景輻射認為,星空背景普遍存在著2.7K微波背景輻射,這種輻射在天空中是各向同性的。這同由理論預(yù)言的熱大爆炸遺留下的余熱相符,有利地支持了大爆炸宇宙學的觀點。但是,熱大爆炸宇宙學也有些根本性問題沒解決。如大爆炸前的宇宙是什么樣,大爆炸是怎么引起的、宇宙的膨脹未來是什么結(jié)局?……。關(guān)于宇宙的問題雖然沒有解決,但是,我們可以看到兩個偉大的事實:一、人是宇宙物質(zhì)演化的結(jié)果。而人的思維又反過來認識宇宙間的萬物,充分體現(xiàn)了人的智慧和力量的偉大;二、人類對宇宙的認識,特別是近幾十年來在觀測事實和理論分析中都有巨大的飛躍,它預(yù)示著未來會有突破性的偉大成就,這是人類社會和科學發(fā)展的規(guī)律,我們每個人都不是局外人。


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