关于宇宙科学史以及最新前沿发展报告

关于宇宙科学史以及最新前沿发展报告 2003 级土木茅以升班 姓名：王石磊 学号：20030360 至月明星星稀之夜，当我们徘徊在校园的幽径的时候，抬首昂望茫茫星空，低头观那 水中之皎洁明月，你是否知道人类的观念就是在这抬头和低头之间得到了改写？人类从原 始带来的那份愚昧和野性得到了洗涤？于是历史不在寂寞、时间的长河也因此不再风平浪 静，这是因为我们人类在那抬头和低头之间投入了思维的灵性、展开了思考的空间。关于 宇宙，我们的古人即有“四方上下曰宇，古往今来曰宙。 ”（尸子君治 ）的时空观念， 东汉时伟大的科学家张衡在灵宪中就写到“过此而往者，未知或知也。未知或知者， 宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷。 ”我们暂且抛开从现代科学角度出发他们的论断确 切与否，就值那个年代而论，这绝对代表着当时的先知。如果能够得到很好宣传的话，无 论其于今人开来有多么的荒谬和好笑，其影响力绝对不下与爱因斯坦的相对论。人类从愚 昧中走出来的历史就是被这样一次次的探索和创新谱写的。 历史是谁、又是在哪里最先开始试图描绘宇宙的轮廓呢？有人说是某一个中国人；有 人说是某个巴比伦人，他们的后代居住在今天的伊拉克。没有人确切的知道，但是我们知 道的是在人类的历史上一直都有人在不断的研究这个问题。巴比伦的宇宙观就是天圆地方 之说，就是说宇宙就管诸神创造像海平面上耸起的高山，而天空就像在头顶上的一个大圆 盖。而太阳每天从一个门口近来然后晚上从另一个门口出去。古希腊人还坚信，不管诸神 创造的惊涛骇浪和暴风骤雨有多么的可怕他们总是让宇宙的机制以一种有规律和可以预见 的方式运行。而且古希腊人在他们永不满足的好奇心的驱使下，通过他们的敏锐的洞察力 来努力探索这种机制是如何工作的。当然人们对宇宙的最原始的想法若以今天的科学的方 法来评断的话，总难免带有一丝浪漫和幻想的色彩。人类开始一种富含理性的思维去认识 宇宙还要从古希腊人埃拉托西尼的立竿见影说起，是他以一种数学的思维去重新考虑这个 世界的形状。利用两枝处于不同地理位置的立杆在一天的同一时刻而在太阳下的影子的不 同长度，模糊地推出地球应该是个圆形球体。这一点在现在来说好像有点轻易而举，但是 在人们当时的认识水平和理解力下这简直就像天方夜谭，比我们理解爱因斯坦都难。后来 由于希腊人不断的对行星的观察使得他们能够描绘出行星运动的轨迹。基于这些观察的结 果，圆形，即对称的和谐在人们的思维中深深的扎了根。像柏拉图这样的人物都曾经对希 腊的哲学界发出呼吁，希望人们注意怎么样才可以能用一个完美的圆周系统来解释行星的 奇怪的运动轨迹。这于亚里士多德所设想的完全相符。后来一位天才的天文学家托勒密在 轨道中套有轨道的启发（即本轮和均轮）下创造了统治整个中世纪的宇宙模型。在托勒密 的思想里认为太阳、月亮、其他行星围绕地球运动，它们的基本轨道为圆形，然后在它们 轨道上附加了复杂的本轮。作为一个对有勇气对旧思想和教会作出反抗的人终于诞生了， 他就是哥白尼。他对托勒密的宇宙模型进行了彻底的变革，他认为处于宇宙中心的不是地 球而是太阳，这无疑是在向统治阶级教会作出挑战。正如处在自己如火如荼的夏天 犹如一下子被迫赶来冬天，一时不知所措。不过让教会更为闹弄还在后者，一个极具叛逆 心理而又富有坚韧不让的精神的伟人，那就伽利略。他是一个多才多艺的科学家。他为了 测定运动定律，曾亲自跑到了比萨斜塔上做两球同时下抛的实验。得出了我们至今还痴至 不逾的定理。同时又用自制的望远镜观测行星的运动来支持哥白尼的日心说。如果说哥白 尼的学说是异端邪说的话，那么伽利略的所作所为可以说十足是一个虔诚的教徒和该邪说 的饯行者。伽利略腾空出世却为自己的悲剧埋下了伏笔，终于在教会强大的势力的逼迫下 轰轰烈烈的在大火中伴着自己灵魂永生。 宇宙学从此开始了它飞速的发展。首先是约翰尼斯开普勒天体运动规律的出世。第谷 布拉赫一生的观测记录同他灵性的思考结合终于产生了智慧的火花。他发现行星都在围绕 太阳运动，而且是椭圆的轨道，每个行星沿着单一的方向运动，根本没有必要加上那复杂 的本轮。同时他还提出了我们都了如指掌的三大运动规律。这无疑是对宇宙认识的一次质 的飞跃。纵观人类对宇宙认识史，到此不难发现我们所有的得到只是一些看似毫无关系的 现象，人们还是没有弄清楚到底是上帝在控制这个世界还是一些其他的非人理解力所能及 的力量在主使。那么牛顿的出现，让这一切都大白于天下。他为人们几千年的认识提供了 理论的基础。正如他自己所说的那样，他站在巨人的肩上拨云见日，从一个小小的苹果落 地发现了万有引力定律。从此一锤定音，似乎揭开了存在人们心目中几千年的迷惑不解， 从此经典物理学也得到了很好的完善和发展。 关于现代宇宙学中的几个热点问题： 一、宇宙的起源 1905 年和 1915 年对于人类近代历史来说是两个不平常的年份，因为就在这两年里爱 因斯坦分别发表了他的杰作狭义相对论和广义相对论。爱因斯坦以他那极其富有独到的洞 察力提出了物理学定律都必须依照所有运动的规律都具有自洽性原理来改写。他指出要用 这种观点来审视时间和空间的关系以及它们对发生在其中的事件的影响。为了描述上述的 这种关系他推导出了一组方程，它给定了时间和空间的性质，它们对宇宙学家是至关重要 的，从此宇宙学就于相对论结下了不解之缘。首先表现在宇宙起源的讨论中。在这方面表 现独到的是一个天主教教士，阿贝乔治勒梅特，比利时最著名的天文学家。他提出 “原始原子”的理论。他由爱因斯坦的方程出发推出：宇宙并不稳定不变的，相反是动态 的。同时他以为宇宙会有一个起点。也就是说宇宙起始于一个点，对于这个观点连爱因斯 坦开始当初就有点不相信，硬要给自己的方程加上一个宇宙常数来阻止这种事情的发生。 但是后来爱因斯坦还是意识到自己的失误，同意了勒梅特的观点。这意味着宇宙必须起源 一次大爆炸。以后的科学家犹如乔治伽镆夫和他的学生推理说由于大爆炸后的宇宙是向着 四面八方膨胀的，那么在各个方向上都可能探测到带微弱的剩余热量，它的温度不太高， 事实上也就是比绝对零度高上几度，但是还是可以探测到的。这个推理在后来得到贝尔实 验室的两位科学家的证实。 二、恒星的生与死 恒星在大爆炸发生后诞生，开始的时候空间主要的元素是氢，由于引力而逐渐地凝聚 到一起，形成越来越大的球体时恒星就这样的形成了。由于引力的进一步的加强，造成恒 星内部压力越来越高，这压力会逐渐的高到把氢原子压在一起，然后发生的就是聚变反应， 生成了氦元素，就这样依次生成了后面较重的元素。恒星之所以发光也就是因为它们内部 发生了强烈的聚变反应的缘故。 三、宇宙的膨胀 同样从爱因斯坦的方程中可以推知宇宙是在膨胀着的，我们周围的星系都在离我们而 去，这在数学的理论上成立的。极具讽刺意味的是，当别人从自己的方程中推知这个结果 时爱因斯坦竟加以否认。但是后来还是不得不承认自己的失误。而能让这位伟人承认失误 就是科学事实，而这事实就是在威尔逊山天文台上哈勃所观察到的现象。哈勃通过威力强 大的望远镜能够分辨出在遥远的星系中单个造父变星，那么遥远的星系的距离就可以知道 了。同样还可以通过分析光谱中的夫琅和费线利用多普勒效应来计算红移或者蓝移来确定 星系的运动状态。他发现所有的星系都在以不同的速度离我们而去，由此我们可以判断宇 宙是在不断的膨胀着呢。这对宇宙无限永恒不变的观念又是一个不小的冲击。 四、不可见的巨大晕轮（暗物质） 暗物质是一个女天文学家薇拉罗宾首先提出来的，但是当时却没有人去理户。无奈 她只好撒手不管，不过以后的研究却证明她观点的正确性。MACHO（Massive Astrophysical Compact HaloObject 晕内大质量高密度天体） ，对于一些相信暗物质存在 的科学家来说尤为重要。但是科学家在寻找该物质时却花费了不少周折。但是结果还是不 尽人意。开始的时候科学家把目光集中在寻找中微子上，后来知道此不符合标准。无奈只 好另辟新径。然后科学家把矛头指向了对 WIMPS 的搜索，结果也没有出科学家的意料，特 别的难找。如果得到证实的话，按照理论暗物质的质量要占整个宇宙的 90，也就是说即 使我们把我们能看见的宇宙掌握完的话也只占了整个宇宙的 10。而暗物质的存在与否对 我们宇宙的最终归宿将起到很大的理论指导作用。 五、黑洞 黑洞，是一个大质量的恒星生命结束是坍塌而成的。任何物体都包括光都很难逃脱它 的束缚。目前寻找黑洞的方法由俄罗斯科学家雅可夫泽尔多维奇提出。他发现有大量的 恒星是以双星形式存在的，在这样的系统中，两颗子星相互环绕而运动。很明显，用它们 间的引力作用就可以解释这种运动形式。如果其中一个发生了坍塌而变成了黑洞，另一颗 仍还会继续围绕其运动。于是这一颗子星看起来就像是在孤立的围绕环行而动，因为我们 看不到黑洞。找到这样的一颗星就等于找到了一个黑洞的候选者。目前科学家也得到几个 具体的关于黑洞的报告。 六、宇宙的归宿 我们不得不去努力寻找暗物质，来预测我们宇宙的未来。但是我们已经能对暗物质作 出一定的预测并且认识到它们在宇宙演化过程中的作用。在我们探测到的暗物质并弄清楚 它们的总质量之前，宇宙的归宿将一直是一个谜。 总论：如果认为我们现在对宇宙的理解已经达到了最终的认识，那我们很容易又重复了前 人曾经犯下的错误。托勒密和牛顿的宇宙的模型在他们所处的时代都曾经以为是完美无缺 的。与他们的模型相比，大爆炸的理论宇宙模型现在还处于孩提时代。在历史上，随着观 测证据的出现，早期的宇宙模型逐渐的被证明是错误的、并且以戏剧性的速度在发展和更 新。托勒密以及他们同时代的科学家根据人们肉眼观测的结果、通过超乎想象的精巧构思， 建立了一个有一定可信度的宇宙模型。伽