神秘的宇宙

课程：空间电子技术及天文史话

学号：9141010E0107

姓名：谢晓彤

任课老师：刘豫晋

神秘的宇宙

摘要：宇宙既然是时空，看不到也摸不着。在宇宙大爆炸发生前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量，一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。

关键词：宇宙年龄 膨胀 收缩

宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。是一切空间和时间的总和。一般理解的宇宙指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。近数世纪以来，科学家根据现代物理学和天文学，建立了关于宇宙的现代科学理论，称为物理宇宙学。根据相对论，信息的传播速度有限，所以在某些情况下，例如在发生宇宙膨胀的情况下，距离我们非常遥远的区域中我们将只能收到一小部分区域的信息，其他部分的信息将永远无法传播到我们的区域。可以被我们观测到的时空部分称为“可观测宇宙”、“可见宇宙”或“我们的宇宙”。应该强调的是，这是由于时空本身的结构造成的，与我们所用的观测设备没有关系。宇宙大约是由4.9%的普通物质（包括我们人类和地球）、26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。

在古时候，人们对宇宙的认识还很少，充满了神秘感，在内心里渴望能够了解宇宙，与生俱来的好奇心驱使着人们不断的去探索宇宙的奥秘。起初，我们只能用肉眼观察太空，后来，望远镜的出现让我们看的更远。几百年来，用望远镜观测太空的技术不断更新，今天我们已经能看到很远很远的宇宙深处。宇宙是我们这个物质世界的整体，是物理学和天文学的最大研究对象。了解甚至弄清它的性质、结构和演化规律，一直是人类的梦想。可以说，人类试图认识宇宙的历史与人类认识史本身同样古老。但是，要认识整个宇宙实在是太难了，以致在相当长的时间内，只是停留在哲学性的、思辨性的思考上。宇宙学真正成为一门具有现代意义的独立的学科，那还是在近100年内的事。在半个世纪以前，大多数人对宇宙学还是抱有怀疑态度的。这半个世纪，宇宙学的发展，经历了彷徨、徘徊，经历了数据积累，经历了异军突起，经历了长足进步。时至今日，宇宙学已经成为了一门精确科学，它差不多达到了半个世纪之前粒子物理在人们心目中的地位。正是半个世纪以前，粒子物理领域新现象不断出现、新粒子不断被发现。新的发现触动了物理学的基本问题，就使物理学来了一个重大的飞跃。特别是吴健雄首次实验证明了李政道、杨振宁的理论，推翻了弱作用中的宇称守恒定律，使弱作用的正确机制很快确立。粒子物理成为了当时最前沿、也最活跃的学科。现在的宇宙学已经与半个世纪以前大不一样，它已经被普遍接受，成为了当今最前沿，最活跃的学科之一。 人生活在地球上。在地球之外，首先看到的当推太阳，其次是月亮，此外就是众多的星星了。起初，人们弄不清楚太阳、月亮和星星之间是怎样的关系，甚至孰大孰小孰远孰近也一无所知，对宇宙的认识是极为肤浅的。中国古代关于宇宙有三种学说，即盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说认为大地是平坦的，天就像一把伞罩着大地。浑天说认为天地像一只蛋，中心是地，周围是天。宣夜说认为天是无限的、虚空的，星辰浮在虚空中。国外，亚里士多德(Aristotle)、托勒密(C. Ptolemy)等人建立的宇宙模型是以地球为中心的(简称地心说)。直到约500年前，哥白尼(N. Copernicus)提出了以太阳为中心的日心说，才推翻了至少统治了1800多年的地心说。这一步极其艰难，哥白尼的著作《天体运行论》直到他临终之前才得以出版面世；伽利略(G. Galileo)因为支持哥白尼的观点而被罗马宗教裁判所囚禁；支持并发展哥白尼观点的布鲁诺(Giordano Bruno)更被烧死在罗马的鲜花广场。这一步却十分重要，地球也就从宇宙中心的宝座上跌了下来，成为宇宙中普通的一员。有了这个认识，地球上的人才获得了客观研究宇宙学的真正资格。

哥白尼走的这一步，十分关键。以太阳为基础来研究宇宙是正确的。有了开头的一步，也就会有接着的一步，并一步一步继续发展下去。布鲁诺进一步提出，宇宙中还有许许多多的太阳。抬头仰望晴朗的夜空，如果空气没有污染，就可以看到满天星斗，可以说这些星星每一个都是像太阳那样的恒星。太阳与地球之间的距离约有1.5亿千米，相当于光走8.3分钟的路程。我们看到的亮的恒星，其实是些离我们很近的星。比如牛郎星，离我们的距离约有16光年(即光走16 年的距离)；织女星，约有27光年。除太阳以外，离我们最近的恒星，叫比邻星，距离约为4.3光年。天上亮星的分布差不多是各向同性的，就是说，仰望天空，向各个方向看到的亮星在天上分布的密集程度都差不多。但是，如果我们只看很暗(也就是较远)的星，就会发现它们的分布不是各向同性，而是集中分布在一个带状区域内的。这个观测特征告诉我们，我们这个太阳系实际上是处在一个呈盘状分布的恒星系统内，离盘中心较远，约有2万6千光年。这个恒星系统就是银河系，它包含有一千多亿颗恒星。 其实，银河系外面还有许许多多类似银河系的恒星系统(称之为星系)。银河系是我们这个地球所在的星系的特别名称。银河系外，最靠近我们的星系是大麦哲伦云和小麦哲伦云，它们离我们的距离约为16万光年。我们现在所能观测到的距离已到百亿光年的尺度。尽管还可看到一些有许多星系组成的星系团，但总的说，星系在宇宙中的分布是比较均匀的。由于星系离我们很远，得用更大的望远镜来观测它们。与恒星呈现的是一个点不同，星系呈现的是一个有限大小的斑。星系的发现使我们走出了银河系，这是走向宇宙的极其重要的一步。

那宇宙究竟是什么？“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇” ,用现代科学术语来说，宇宙，即时、空也。① 宇宙既然是时空，看不到也摸不着，那怎么研究呢？但自爱因斯坦广义相对论问世后，宇宙学成了既有数理基础，又有观测事实的科学。而至于宇宙的年龄有多大，我们现在对于宇宙年龄了解得相当精确，天文学家估算今天的宇宙是137亿岁，误差不超过2%，科学的飞速进步，让神秘的宇宙不再神秘，也激起了我们对这拥有137亿岁高龄的宇宙产生了浓厚的兴趣。②

宇宙的形状现在还是未知的，人类在大胆想象。有的人说宇宙其实是一个类似人的这样一种生物的一个小细胞，而也有人说宇宙是一种拥有比人类更高智慧的电脑生物所制造出来的一个程序或是一个小小的原件，或者宇宙是无形的。根据大爆炸理论，宇宙的发展史可表示为一个右端开放的封闭曲面体。左端中心为爆炸奇点，向右延伸137亿光年，到达我们现在这个开口部。从左往右依次为:奇点、40万年的初期膨胀、近4亿年的黑暗期、出现恒星、星系和行星发展期、含有暗物质与暗能量的加速膨胀。

我们对宇宙也许不了解，可我们熟悉时间。时间也是宇宙的一部分，即运动中的宇宙，时间就像尺度一样记录每一时间点的宇宙的模样，我们定义的时间是均匀分布的，但正因为时间的均匀，我们可以感受到速度的不同。

20世纪天文学最重大的成就之一就是发现了宇宙正在膨胀。更准确地说，是发现了许多星系都在远离我们而去。我们的宇宙会收缩 难道宇宙会一直膨胀下去吗？这个问题留在了天文学家的心里。 天文学家定量地根据背景辐射的温度、宇宙物质密度和宇宙半径三个天文观测数据，计算了宇宙的总能量，结果发现，宇宙的动能小于它的引力势能的绝对值。因此，当宇宙膨胀到它的动能减少为零时，它的势能仍不会等于零。之后，它就会收缩 .宇宙从无到有，如此浩瀚的宇宙竟然还在膨胀！如此庞然大物竟然还会收缩！它总是有一层神秘的光环吸引我们在认识它和探索它的道路上追寻。宇宙的神秘之处远远不止这些，对于宇宙的探秘也永远没有止境，宇宙由爆炸到膨胀最后收缩，然后又是新一轮的膨胀，在这个无尽的时间里，只能由天文学家去慢慢探索宇宙无穷尽的神秘，而未来期待更多天文学家带我们一起破解神秘的宇宙。

参考文献：①顾炎武《淮南子·原道训》

②吴大江《新世纪宇宙学》第1页

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