宇宙和生命- 第164部分

　　D。理想物质系统中近地表空间对物体的作用

　　在近地表运动距离较短时，g　=　g0为常数，自由落体可视作任意点初速度为零时物体随空间的运动。这时物体的运动速度不等于空间的速度，运动过程中仍受空间的作用。物体运动遵循规律是：

　　h2dh/dt=　R2　g0　t　（9）　

　　整理并略去小量得：

　　V=　g0t　（10）

　　其积分形式便是伽利略斜塔落球实验所求证的结果，自由落体等同于匀加速运动。

　　由于式（1）在地表是间断的函数，结合式（10），从空间方向逼近地表可得最大空间运动速度：

　　h2dh/dt　=　R2（dh/dt　＋　g0　t　）　（11）

　　整理，当h→R时，

　　Vmax　=（1/2　R　g0）1/2　（12）

　　代入数值Vmax　=5。587km/s　，此即流入地表的空间速度。显然式（12）适用于所有天体系统。物体运动的切向速度等于径向速度时为正圆周运动，由此合成的环绕速度为：其中V1为第一宇宙速度。　

　　以上四个方面的表述并不谋求给出经典力学定理新的数理推导，而是希望籍此证明空间性质新的哲学解释在具体应用中的可能性，并用数学推导过程完备的逻辑来检验空间运动论所提供的这种哲学观念的正确性。如果承认上述推导过程所证明的空间运动理论提供了此前物理学所没有的内在逻辑的和谐性和简洁性，使的牛顿第二定律、开普勒定律、万有引力定律之间的相互关联剔除了空间运动假设以外的所有其它主观假设，就应该从理论判断方法的角度承认空间具有受物质作用而产生运动的特性。上述推导过程直接应用了牛顿力学中的速度、加速度、动量等概念而没有重新定义，显示了空间运动理论可以兼容经典力学的所有方面。建立动态空间的观念就可以清晰、完整地理解开普勒第三定理、牛顿第二定理、万有引力定理、加俐略落体实验等经典理论内涵的哲学统一致性，并对其数学的结构形式、常量、适用范围等作出合乎理性的解释。

　　





　　正文　第十八章　　宇宙大爆炸

　　

　　宇宙，从大爆炸中诞生。何香涛，北京师范大学天文系教授。毕业于北京师范大学物理学系，毕业后留校任教。现任中国天文学会副理事长，北京天文学会理事长，发表多篇天文学著作，是我国著名的天文学专家。　

　　内容简介　1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。　

　　1965年，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10－43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。　

　　宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。　

　　大爆炸模型认为，最初的宇宙是超高温、高密度的“一点”。大约180亿年前，这“一点”突然爆炸了，仅用10－36秒，伴随着真空相转移的过冷却现象，“一点”了瞬间几十个数量级的膨胀，成为一厘米规模的宇宙。其后宇宙继续膨胀，温度从几十亿摄氏度开始下降，大约在5500万摄氏度时，由降温过程的能量，生成中子、质子，它们又合成原子核，这些过程仅有3分钟。约30万年后当宇宙的温度下降到3000摄氏度时，自由电子被原子核捕捉形成原子。在随后的大约3000万年中那些原子继续向外膨胀。宇宙也继续冷却，到宇宙温度降至绝对零度之上167度时，原子开始化合形成稀薄气体。此后因密度波动、引力作用等开始向新的天体进化。再经过100多亿年，显示出多种多样的物质形态，　成了今天的宇宙。自从150亿年前的宇宙大爆炸之后，星体和各星系一直各自向外飞散。理论上讲，相互维系的重力应该减慢这个膨胀的速度，但是事实并非如此，实际上膨胀还在加速进行。美国普林斯顿大学的斯坦哈特说，宇宙无始、无终，一次次宇宙大爆炸将会永不止息，不断发生。　

　　这个宇宙究竟是怎样诞生的，为什么我们会想到大爆炸？　

　　上一个世纪最早想到这件事情的是一个匈牙利的天文学家叫勒马特，他怎么想到的呢？我们知道上一个世纪初期以后，物理学的发展都很快。其中在物理学里边有一个很重要的规律，就是这个物质结构和次序都是从简单到复杂，那么描写这个量呢？有一个物理参数叫做熵，这个熵说什么呢？就是说任何一个事物，宇宙世界，这个发展次序都是从简单到复杂。所以我们宇宙中的熵也是在不断地增加，从简单到复杂，最简单是什么呢？最简单就是一个小的单元。所以勒马特就想到，这个宇宙最初的可能就是从一个原始的原子诞生的，然后这个原子演变演变最后演变成现在的宇宙。这就符合这个物理规律，这个熵是不断增加的。这是勒马特最早提出来的一个设想。　

　　但是真正想到大爆炸理论，还是从我们物理学里边的老祖宗开始，也就是上一个世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。大家知道，爱因斯坦创立了广义相对论，这张照片是爱因斯坦非常天真的一张照片。那么他创立了广义相对论以后，这个广义相对论最主要的一个用途就是来描写宇宙。所以广义相对论产生以后，就有了一个理论基础来描述我们的宇宙，但是光有这么一个理论还不行，还需要天文学家有一个实践。天文学家里边有一位非常有名的人哈勃。大家知道天上飞着一个空间望远镜，就叫做哈勃空间望远镜。为什么呢？就是为了纪念哈勃，这位天文学家有很大的功劳，他主要的功劳是什么呢？他证明了宇宙在不断地膨胀，通过观测来证明。　

　　那么有这两点。一个是有了一个广义相对论；一个是有观测事实。这个观测事实呢，就证明了我们的宇宙在不断地膨胀。这两件事情加在一起，当时就有几位物理学家首先提出了大爆炸的思想，那么主要的一位叫做伽莫夫。伽莫夫就想到，如果按照广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程，就有可能推算出我们宇宙的演化历史。伽莫夫有个学生叫阿尔文，他把这个稿子投到当时著名的一个刊物叫《物理学评论》，一位编辑也是他的朋友叫做贝瑟。伽莫夫就建议把他的名字也加上，所以这篇文章最后就按照希腊文的三个字母αβγ，就变成叫做αβγ理论。　

　　中间有其他的一些人又做了很多的修正和补充，就使得这个理论慢慢就越来越完善。那么这个大爆炸理论提出来以后，它最核心的一点他就指出来，如果他这个理论要是成立的话，我们这个宇宙一边膨胀，一边降低温度。那么降到现在，宇宙最边沿的就是四周的温度，应该降到多少度呢？应该降到五度左右，大家注意，这个五度是指的绝对温标。我们说绝对温标是这样，如果它要是五度的话，相当于摄氏温度负二百多度，摄氏温度的负273度才是绝对温标的0度，这个温度是非常非常低。但是他预言了这件事情，非常的凑巧，他预言了以后呢！就等待着看看有没有观测的结果，天文学家也做了很多努力去观测。但是一想这个温度这么低，你们可以想一想，这样低的一个温度去观测，那实在是太困难了，也就是说，零下负二百多度去观测，那太困难了，天上星星的温度都比这高得多。　

　　但就在这时，有两位工程师是贝尔实验室的两位工程师，一位叫彭齐亚斯，一位叫威尔逊。他们两个人在做什么实验呢？就在做通信实验，用他背后这个天线在做通信实验。他们为了使他这个通信实验的灵敏度提高，他们就把这个天线做得非常的精致，也就是说噪音非常低，那么他这个天线如果在传输的时候，它的温度大约也就是三百度，如果说不做传输工作，它本身就是它本身固有的噪音应该非常非常低。他们认为几乎就应该到了绝对温度的0度，也就是说要到了负273度，他们认为最多有0。5度，这个天线的本底噪音就这么低。那么它这样低，他们要实验，那么这个天线对到任何一个地方。你们可以想一想，都有温度。只有对在什么地方，对到宇宙，对到天空，如果对到天空里边，不对着太阳，也不对着其他的星球，那个地方的温度应该是什么呢？应该是0度，而且应该是绝对0度，一点温度都没有。但是对着宇宙以后呢！非常出乎他们的意料，总是有那么一点温度干扰他们这个仪器，也就是说，仪器里边总接收到那么一点温度。　

　　这时候他们就通知了在普林斯顿当时正在从事理论研究的一些天文学家，这些天文学家知道以后欣喜若狂，说你们这个东西太重要了，就是伽莫夫预言的大爆炸的这个温度。是不是呢？这就是后来在他们的启发下做的测量，那么测量的结果的的确确存在着，我们管它叫做微波背景辐射，这就是全宇宙中的微波背景辐射。　

　　那么这个辐射是什么特征呢？这个辐射很有意思，如果我们把这个辐射仔细分析一下，看上去好像有点不均匀。这个颜色就代表一个温度，好像北边稍微温度高一点，南边温度稍微低一点。其实不然，这一点点差别，并不是宇宙背景辐射的差别，而是由于我们地球的运动，使得温度有一点点改变。如果你把这一点点温度修正了以后，你就会发现这个宇宙四周来的辐射是完全均匀的，这是第一点。　

　　第二点更重要的，这个辐射是一个黑体辐射。我们看一下什么叫黑体辐射，就说这个辐射的谱形是由于有温度来造成的。我们说这种辐射有各种可能性，你比如说X射线辐射，那就不是黑体辐射，可能某一个仪器发射的。如果说你烤这个煤火炉，在煤火炉旁边烤，这个就是典型的热辐射。它出来的谱就是典型的黑体谱。而这个谱大家看一下，上边的每一个每一个点就是具体的观测值。那横坐标，就是它的波长，纵坐标就是它的强度。这个谱是一个黑体谱，换句话说，我们这个宇宙的四周，的的确确是一个完全均匀的，一个黑体的辐射的一个剩余谱。这个理论和大爆炸的理论非常吻合，因为大爆炸认为我们的宇宙不断膨胀，一边膨胀温度就一边降低，降到现在大约是5度左右，因此它测出来是2。7度或者大约说是3度，正好和这个理论非常吻合。然后那些天文学家就鼓励他们赶紧发表你们的文章。这两个人就在《天体物理学》杂志上投了一篇稿子，题目就叫做《对天线的一次的温度的过热的测量》。就说我测量来测量去，天线有一点过热。就这么一篇文章，不足千字的文章，就决定了我们宇宙的确是从大爆炸来的，所以很快这两个人就获得了诺贝尔物理学奖，这个理论也就被大家承认了。　

　　在座的一定要想，你就光这么一条理论就认为是大爆炸，会不会还有其他的可能性？这一条是非常重要的，为什么说这一条非常重要呢？因为这一条不是先有的观测，后去搞的理论。而是我们先有了一套理论，而这条理论就是以大爆炸为基础。那么这个观测呢，果然就出来了。而且这套理论在观测验证以前，认为好像是也很难想像，说我们这个宇宙是大爆炸有点不可思议。所以这个观测出来以后，对大爆炸理论是一个非常有利的支持，这是最重要的一个支持之一。　

　　除此之外还有一个重要的支持。既然你是大爆炸，那我们这个宇宙意味着什么呢？在不断地膨胀，是不是不断膨胀，也要由观测来验证，那么这个观测主要就是由哈勃来完成的，在上个世纪的20年代到30年代，哈勃工作在美国的威尔逊天文台。他在观测什么？他在观测河外星系。我们说哈勃本来还有一个功劳，他就证明了除了银河系之外还有和我们银河系一样的，很多的河外星系。这是他的一个功劳，但是他另外一个功劳比这个功劳还要大。他就是去测量这些河外星系相对于银河系有没有运动，他就测量这个，怎么测量呢？就测量河外星系的运动速度，我们说运动速度是可以测量的，通过测量它的光谱，根据多普勒运动，我们就可以算出它的运动速度来，那么测量的结果非常地惊人。　

　　怎么个惊人法呢？就发现我们宇宙就像气球一样，在不断地膨胀，在不断地扩大。什么叫在不断地膨胀呢？就说我们看到的河外星系，每一个星系我们测量它的速度以后都发现这个速度是一个正的速度，也就说这个河外星系在远离我们，无一例外。所有的河外星系都在远离我们，而且这个远离是非常有规律的。所以这个宇宙的膨胀就非常有利的支持了大爆炸理论，我们看一下这个膨胀的过程，大家看出来了吧，这就是模拟宇宙在不断膨胀的情况。　

　　除了宇宙膨胀以外，还有没有其他的观测事实来证明大爆炸理论呢？我们说还有一个非常重要的观测事实，什么观测事实呢？就是我们测量宇宙中的元素的含量，我们说宇宙中的元素，当初根据大爆炸理论的话，应该是首先生成的是元素中最简单的元素。最简单元素是什么呢？是氢，所以宇宙中氢是首先产生的，而且氢的含量应该非常多，那么有了氢以后，这个氢在逐渐地通过原子核的聚变过程。就是说原子核和原子核通过聚变反应，在不断地生成更重的元素，那么紧接着氢，