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黑洞和宇宙大爆炸专业讲解
2006年12月3日,瑞典,斯德哥尔摩。瑞典皇家科学院宣布,将本年度诺贝尔物理学奖,授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特,以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形,及其温度在空间不同方向的微小变化。他们用COBE卫星进行的精确观测,为宇宙起源的大爆炸理论提供了有力支持。大爆炸理论的确立,终于使人们对宇宙的起源,有了接近一致的认识。什么是大爆炸?关于宇宙的起源,人类在认知上,又经历了怎样的历程呢?
我们在宇宙中处于怎样的位置?宇宙有没有起源?如果有,它怎样起源?几千年来,人类观察宇宙的手段从肉眼发展到望远镜和人造卫星,视野从太阳系扩展到银河系和河外星系,而对宇宙的认识则经历了蒙昧时期的神话,古代哲人的猜测,文艺复兴以来的科学革命,直到20世纪现代宇宙学的诞生。
现代宇宙学“大爆炸”的理论认为,约140亿年前,宇宙从极端高温高密的一个点起源,随着体积的膨胀和温度的下降,以质子、中子等基本粒子形态存在的物质,首先结合形成氘、氚、氦等较轻的元素,随后进一步冷却,形成恒星。在恒星内部合成碳、氧、硅、铁等更重的元素,再抛射到周围形成行星,最后在如地球这样条件适合的行星上演化出生命,成为目前的宇宙。
宇宙有一个开端的想法并不新鲜。圣经中就描绘了上帝用7天创造世界的故事。三录了盘古开天辟地的神话:说是天地之初就像一个鸡蛋那样混沌不分,盘古在里面孕育着。经过18000年,天和地一下子分开了,轻的东西上升为天,重的东西下沉为地。天每日升高一丈,地每日下沉一丈,盘古在中间每日长高一丈。这样过了18000年,天变得非常高,地变得非常深,天地之间相隔九万里。
徐整的宇宙观是中国古代浑天说的发展,东汉张衡在?浑天仪注?中就曾经把天地比拟为一个鸡蛋,天像蛋壳,地像蛋黄一样独居其中。徐整的创新在于提出天地经历着膨胀运动。“天日高一丈。地日厚一丈。”表示膨胀的速度,“万八千岁”和“九万里”则表示着宇宙的年龄和大小。这些具体数字虽然没有观测依据,但至少与当时已知的历史和地理知识并不冲突,其基本思想与今日大爆炸宇宙模型更是有异曲同工之妙。
公元前5世纪,爱琴海的萨摩斯岛上,有一位发明了几何学中“勾股定理”的数学天才——毕达哥拉斯。毕达哥拉斯从球形是最完美几何体的观点出发,认为大地是球形的,而且所有天体都是球形,它们的运动是匀速圆周运动。地球处于宇宙的中心,周围是空气和云,往外是太阳、月亮、行星做匀速圆周运动的地方,再外是恒星所在之处,最外面是永不熄灭的天火。
毕达哥拉斯的宇宙模型并没有说明地球有多大,日、月、星辰离地球有多远。最早根据实测数据算出地球大小的人,是公元前3世纪的希腊天文学家埃拉托西尼。埃拉托西尼生活的地方,是埃及的亚历山大港。
埃拉托西尼听说埃及塞恩(今阿斯旺)有一口深井,每逢夏至日的正午,阳光可以直射井底,这意味着太阳处于天顶。于是他在亚历山大城选择了一个方尖碑,测量了夏至日那天碑的影长,用数学方法算出直立的碑和太阳光线之间的夹角为7度12分,即相当于圆周角360度的l/50。这就意味着地球周长是这一角度对应的弧长,即从塞恩到亚历山大的距离(5000希腊里)的50倍,约合39600公里,恰巧与现代测量值十分接近。
月球离地球有多远呢?当时希腊人已经猜测到,月食是因为地球走到太阳与月球之间而引起的。出生于萨莫斯岛的阿利斯塔克提出,测量月食时掠过月面的地影与月球的相对大小,利用几何学方法,可以算出以地球直径为单位的地球至月球的距离。
公元前150年,古希腊又出了一位叫依巴谷的天文学家。依巴谷重复了这项工作,依巴谷得出地球到月球距离是地球直径的30倍。根据埃拉托西尼求得的地球直径39690公里计算,月球到地球的距离就是38万公里,他还同时得出了地球与太阳的距离。
阿利斯塔克还考虑了月亮上下弦时和太阳、地球组成的直角三角形。他取月-日-地夹角为3°(实际上是10?),用几何方法算出日地距离是地月距离的19倍,太阳直径为地球直径的7倍。由于角度估计误差过大,这些结果同实际相差太远,但毕竟显示出太阳比地球大得多,为他率先提出日心地动说提供了启示。可惜,由于把地球和行星等同看待违背了天地迥然有别的传统观念,他的这一天才猜想没有得到时人认同。
公元140年,埃及的亚历山大城里,出了一位希腊裔的天文学家,他的名字叫托勒密,他提出了一个完整的地心体系。
通过调整本轮、均轮的相对大小和速度,托勒密体系能在一定程度上解释和预测行星相对于恒星背景时而向东、时而向西的复杂运动。
然而到16世纪的时候,有一个人站出来表达了相反的观点。他认为,是地球绕太阳,而不是太阳绕地球旋转。这个勇敢的人,就是波兰天文学家尼古拉·哥白尼。
哥白尼发现,托勒密的模型需要在行星