问题描述：
求宇宙发展史论文
急求《宇宙发展史》论文一篇
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问题解答：
我来补答
1881年,美国实验物理学家A.麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值.为了探测预想中的微小差别,A.麦克尔逊使用了非常精确的实验设备,他的实验精确性很高,他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多.A.麦克尔逊的实验,以后在不同的条件下又作过多次.他的实验得到了出乎预料的结果.在一个运动着的参照系里,光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反.A.麦克尔逊发现,在地球上,光向任何方向传播,其速度都时相同的、不变的.在这一意义上,光的传播使我们联想到子弹的飞行.前面我们曾经设想,在一列运动中的火车上,子弹运动同火车的运动无关.同车厢相对而言,子弹向任何方向运动,其前进速度是相同的.
于是,A.麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反,光的传播同运动的相对性原理并不矛盾,而是完全符
合运动的相对性原理.这也就是说,我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的.
相对论的研究对象是超越我们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙,这是我们难以理解相对论的主要原因.
自相对论诞生之日起,它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解.从相对论中,人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象.几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中.
狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢,假定将来的某个时候,人们已解决了所有的技术难题,能够制造一艘以亚光速飞行的宇宙飞船,一定意义上的时间旅行就变成可能了.如果飞船以亚光速从地球出发向遥远的星系飞去,来回的旅程仅仅几年（按飞船上的时间）,但在此期间地球上却已过去了几千年,一切都发生了天翻地覆的变化.如果人类文明依然还存在的话,那又会是一个什么新的模样呢?
广义相对论表明,时空可以不是平坦的,而是弯曲的.我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞,然后用某种“奇异物质”把洞口撑开,使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道,让我们在瞬间到达遥远的彼岸.然后当我们返回时,虫洞的奇异性质让我们年轻了很多.
广义相对论判定足够的质量能改变和扭曲时空,数学家法兰克•提普勒据此设想了把时空卷起来的时间旅行方法.他认为,如果太空中的一个巨大物体以一半光速旋转,时空便会扭曲折回.因此,只要将来有人制造一个巨大的圆筒,它的长约为直径的10倍,然后使圆筒以15万公里/秒的速度旋转,便会使圆筒中央附近产生一个扭曲折回的时空.
要将这圆筒当时间机器使用,宇宙飞船一定要开到圆筒的中心沿圆筒内壁盘旋飞行：逆圆筒旋转的方向航行是驶入过去,顺圆筒旋转的方向航行是驶入未来,每盘旋一周都使宇宙飞船更深入过去或未来一些.时间旅行者到达了目的时间,便将飞船驶离圆筒.有一件必须明了的事是,正像所有理论上的时间机器一样,就是驶向过去无论怎样也不能到达比制成圆筒更早的时间.
时间旅行是一个极具幻想色彩、也极具魅力的话题,长期以来,科学家们提出的方案一个又一个,时间旅行可能遇到的问题也被热烈讨论着.总有一天,相对论迷人的光芒会照耀着我们开始真正的时间旅行.
原子裂变
1905年11月,爱因斯坦同样在德国《物理学纪事》杂志上发表了关于狭义相对论的第二篇文章：《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》,这是一篇短文,在这篇论文中,他提出一个物体的质量并不是恒定不变的,而是随着运动速度的增加而增加.这就是运动中物体的“质增效应”.
现在我们想象我们在推一辆小板车,板车很轻,上面什么东西也没有.假设这是一辆在真空中的“理想”板车,没有任何摩擦力、也没有任何阻力,因此,只要我们持续地推它,它的速度就越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初像车上堆满了钢铁,然后好像是装着一座喜马拉雅山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系……当小板车接近光速时,好像整个宇宙都装在它上面——它的质量达到无穷大.这时,你无论施加多大力,无论推多长时间,它都不可能运动得再快一些.
由此可见,光子既然以光速传播,它的静止质量就必须等于零,否则它的运动质量就会无穷大.
当物体运动接近光速时,我们不断地对物体施加外力,供给能量,可物体速度的增加越来越困难,我们施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量.这就是说,物体质量的增加与动能增加有着密切联系,或者说物体的质量与能量之间有着密切联系.爱因斯坦在说明这种联系的过程中,提出了著名的质能关系式：E=mc2.
能量等于质量乘以光速的平方,即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊心动魄的,而在绝大多数人眼里,能量等于质量乘以光速的平方,即能量是质量的9万亿倍,是多么诱人的前景呀!指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失,其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的.
遗憾的是,没人能随便减少质量,譬如一块石头,我们尽可以用锤子砸成小块,然后碾成碎末,可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化.
但是,十几年后的1939年,约里奥•居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应,使人类找到了释放巨大原子能的方法.铀235的核收到中子轰击就会发生裂变,分裂成两个中等质量的新原子核,放出1～3个中子,并释放出巨大能量,这些中子又能引发其它铀核再分裂,如此反复,形成连锁反应,不断释放巨大能量.这就是链式反应.
宇宙大爆炸
令我们这些当代人感到惊诧的是,迟至1917年,那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙,而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的,既不会变大也不会变小,这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观.
1917年,爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型,但他发现,在这样一个只有引力作用的模型中,宇宙不是膨胀就是收缩.为了使这个宇宙模型保持静止,爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数,它表示的是一种斥力,同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强.这是一个假想的、用以抵消引力作用的力.
然而,爱因斯坦很快发现自己错了.因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的!
最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃.哈勃1889年出生于美国的密苏里州,毕业于芝加哥大学天文系.1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀.这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大.
宇宙的膨胀意味着,在早先,星体相互之间更加靠近,并且在更遥远过去的某一刻,它们似乎在同一个很小的范围内.
宇宙膨胀的消息传到著名物理学家伽莫夫那里去的时候,立即引起了这位学者的兴趣.乔治•伽莫夫出生于俄国,自小对诗歌、几何学和物理学都深感兴趣,在大学时期成为物理学家弗里德曼的得意门生.弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型,伽莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一.1945年,人类史上第一颗原子弹爆炸成功,看着蘑菇云升起的照片,伽莫夫突发灵感：把原子弹规模“放大”到无穷大,不就成了宇宙爆炸吗?他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来,逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系.
1948年,伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文,系统地提出了宇宙起源和演化的理论.与我们惯常的想法不同,这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是空间本身在扩展,星系物质随着空间的扩展而分开.
根据大爆炸宇宙论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着.伽莫夫还作出了一个非凡的预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,不过温度已降到6K左右.正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气.
1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊,因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,经过测量和计算,得出这个残余辐射的温度是2.7K（比伽莫夫预言的温度要低）,一般称为3K宇宙微波背景辐射.这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论.
广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括进去.让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了.
宇宙常数死而复生——暗能量
在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”.随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆.
然而造化弄人,几十年后,宇宙常数又像鬼魂般的复活了.这次宇宙常数的复活要归因于暗能量的发现.
1998年,天文学家们发现,宇宙不只是在膨胀,而且在以前所未有的加速度向外扩张,所有遥远的星系远离我们的速度越来越快.那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来,这是一种具有排斥力的能量,科学家们把它称为“暗能量”.近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,它的总量约达到宇宙总量的73%,而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%.我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们呢?而现在,我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎么不让人感到惊心动魄呢!
事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩.而暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控.在经历了一系列曲折后,宇宙常数正在时间中复活.
宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前,它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色!暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过,在这场漫长的战斗中,最举足轻重的就是彼此的密度.物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减；但暗能量的密度在宇宙膨胀时,变化得非常缓慢,或者根本保持不变.在很久以前,物质的密度是较大的,因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段；现今的暗能量密度已经大于物质的密度,排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权,以前所未有的速度推动宇宙膨胀.根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗.
暗能量的发现,也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”：即宇宙中所占比例最多的,反而是最迟也是最难为我们所知晓的.一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多.而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相.
暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一.
黑洞大发现
广义相对论表明,引力场可以造成空间弯曲,强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲,那么无限强大的引力场会产生什么情况呢?
1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家卡尔•史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的.他证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,比如一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3公里时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界.
这就是我们今天耳熟能详的黑洞,但在那个年代,几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在,甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物,爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大.就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名.
历史当然不会因此而停止前进,时间进入20世纪30年代,美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”,即：一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的1.44倍以上时,将不可能变成白矮星,而会继续坍塌收缩,变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体,即中子星.1939年,美国物理学家奥本海默进一步证明,一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时,其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围.
随着经验的积累,关于黑洞的理论变得成熟起来,人们从彻底拒绝这个怪物到渐渐相信它,到20世纪60年代,人们已普遍接受黑洞的概念,黑洞的奥秘被逐渐研究出来.
严格而言,黑洞并不是通常意义下的“星”,而只是空间的一个区域.这是与我们日常宇宙空间互不连通的区域,黑洞视界将这两个区域隔绝开,在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内,光线并不能自由地从一个地方传播到另一个地方,而是都朝向中心集聚,事件之间的联系受到严格限制,这就是黑洞.
在黑洞的内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,引力和起潮力都是无限大.因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,物质其他特性全部丧失,原子、分子等等都将不复存在!在这种情形下,无法谈论黑洞的哪一部分物质,黑洞是一个统一体!
在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开,这就是所谓的“奇点”状态.广义相对论无法对此进行考察,而必须代之以新的正确理论——量子理论.讽刺的是,广义相对论给我们导出了一个黑洞,却在黑洞的奇点之处失效,量子理论取而代之,而量子理论和相对论却根本互不相容!
宇宙观念的发展 宇宙结构观念的发展 远古时代,人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态,他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测.在中国西周时期,生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为,天穹像一口锅,倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说,认为大地的形状也是拱形的.公元前7世纪 ,巴比伦人认为,天和地都是拱形的,大地被海洋所环绕,而其中央则是高山.古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河.古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上,而象则站在巨大的龟背上,公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘,上面笼罩着拱形的天穹.
最早认识到大地是球形的是古希腊人.公元前6世纪,毕达哥拉斯从美学观念出发,认为一切立体图形中最美的是球形,主张天体和我们所居住的大地都是球形的.这一观念为后来许多古希腊学者所继承,但直到1519～1522年,葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ,地球是球形的观念才最终证实.
公元2世纪,C.托勒密提出了一个完整的地心说.这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动,月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转.为了说明行星视运动的不均匀性,他还认为行星在本轮上绕其中心转动,而本轮中心则沿均轮绕地球转动.地心说曾在欧洲流传了1000多年.1543年,N.哥白尼提出科学的日心说,认为太阳位于宇宙中心,而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星.1609年,J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转,发展了哥白尼的日心说,同年,伽利略•伽利雷则率先用望远镜观测天空,用大量观测事实证实了日心说的正确性.1687年,I.牛顿提出了万有引力定律,深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因,使日心说有了牢固的力学基础.在这以后,人们逐渐建立起了科学的太阳系概念.
在哥白尼的宇宙图像中,恒星只是位于最外层恒星天上的光点.1584年,乔尔丹诺•布鲁诺大胆取消了这层恒星天,认为恒星都是遥远的太阳.18世纪上半叶,由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计,布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同.18世纪中叶,T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说,布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统.弗里德里希•威廉•赫歇尔首创用取样统计的方法,用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例,1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图,从而奠定了银河系概念的基础.在此后一个半世纪中,H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转和旋臂,以及许多人对银河系直径、厚度的测定,科学的银河系概念才最终确立.
18世纪中叶,康德等人还提出,在整个宇宙中,存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统.而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统.此后经历了长达170年的曲折的探索历程,直到1924年,才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在.
近半个世纪,人们通过对河外星系的研究,不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统,而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处.
宇宙演化观念的发展 在中国,早在西汉时期,《淮南子•俶真训》指出：“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,认为世界有它的开辟之时,有它的开辟以前的时期,也有它的开辟以前的以前的时期.《淮南子•天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程.在古希腊,也存在着类似的见解.例如留基伯就提出,由于原子在空虚的空间中作旋涡运动,结果轻的物质逃逸到外部的虚空,而其余的物质则构成了球形的天体,从而形成了我们的世界.
太阳系概念确立以后,人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源.1644年,R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年,G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年,康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说.现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来.
1911年,E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年,伯特兰•阿瑟•威廉•罗素则绘出了恒星的光谱-光度图,即赫罗图.罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始,先收缩进入主序,后沿主序下滑,最终成为红矮星的恒星演化学说.1924年 ,亚瑟•斯坦利•爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年,C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应.这两个发现导致了罗素理论被否定,并导致了科学的恒星演化理论的诞生.对于星系起源的研究,起步较迟,目前普遍认为,它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的.
1917年,A.阿尔伯特•爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础.1922年,G.D.弗里德曼发现,根据阿尔伯特•爱因斯坦的场方程,宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的,也可以是振荡的.前者对应于开放的宇宙,后者对应于闭合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年 哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律.这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持.20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型,他们还预言,根据这一模型,应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射.1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言.从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型.1980年,美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型.这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实.
宇宙图景 当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统.
现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程.当代关于太阳系起源学说认为,太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云(原始太阳星云)由于引力收缩而逐渐形成的（见太阳系起源）.恒星是由星云产生的,它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段.星系的起源和宇宙起源密切相关,流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年,温度降到4000K,宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期,这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性,或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系,然后再演化为星系团和星系.热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸,当时温度极高、密度极大.随着宇宙的膨胀,它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程,直至10～20亿年前,才进入大规模形成星系的阶段,此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙.1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充.它认为在宇宙极早期,在我们的宇宙诞生后约10-36秒的时候,它曾经历了一个暴涨阶段.
宇宙的创生 有些宇宙学家认为,暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点,这种观点之所以在以前不能为人们接受,是因为存在着许多守恒定律,特别是重子数守恒和能量守恒.但随着大统一理论的发展,重子数有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零.因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题.这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体论方面.如果认为“无”是绝对的虚无,则是错误的.这不仅违反了人类已知的科学实践,而且也违反了暴涨模型本身.按照该模型,我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分,在观测宇宙之外并不是绝对的“无”.现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的,这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式,并不是创生于绝对的“无”.如果进一步说这种真空能起源于“无”,因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式.②认识论和方法论方面.暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念.这个宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史.暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来,认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,应研究它们的起源.它把“无”作为一种未知的物质和能量形式,把“无”和“有”作为一对逻辑范畴,探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式,转化为“有”——已知的物质和能量形式,这在认识论和方法论上有一定意义.
时空起源 有些人认为,时间和空间不是永恒的,而是从没有时间和没有空间的状态产生的.根据现有的物理理论,在小于10-43秒和10-33厘米的范围内,就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量,因此时间和空间概念失效了,是一个没有时间和空间的物理世界.这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的.正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样,今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观.由于在大爆炸后10-43秒以内,广义相对论失效,必须考虑引力的量子效应,因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源.这些工作都是有益的,但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水上无法度量新的时空形式,而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在.
人和宇宙 从本世纪60年代开始,由于人择原理的提出和讨论,出现了人类存在和宇宙产生的关系问题.人择原理认为 ,可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙,但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类,因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙.人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律,减少它们的任意性,使一些宇宙学现象得到解释,这在科学方法论上有一定的意义.但有人提出,宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在.这种观点值得商榷.现在根据暴涨模型,那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态,有可能从极早期宇宙的演化中产生出来,而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关.这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础.但有些人认为,由于暴涨引起的巨大距离尺度,使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能.这种担心有其理由,但如果暴涨模型正确的话,随着科学实践的发展,一定有可能突破人类认识上的困难.
于是,A.麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反,光的传播同运动的相对性原理并不矛盾,而是完全符
合运动的相对性原理.这也就是说,我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的.
相对论的研究对象是超越我们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙,这是我们难以理解相对论的主要原因.
自相对论诞生之日起,它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解.从相对论中,人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象.几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中.
狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢,假定将来的某个时候,人们已解决了所有的技术难题,能够制造一艘以亚光速飞行的宇宙飞船,一定意义上的时间旅行就变成可能了.如果飞船以亚光速从地球出发向遥远的星系飞去,来回的旅程仅仅几年（按飞船上的时间）,但在此期间地球上却已过去了几千年,一切都发生了天翻地覆的变化.如果人类文明依然还存在的话,那又会是一个什么新的模样呢?
广义相对论表明,时空可以不是平坦的,而是弯曲的.我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞,然后用某种“奇异物质”把洞口撑开,使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道,让我们在瞬间到达遥远的彼岸.然后当我们返回时,虫洞的奇异性质让我们年轻了很多.
广义相对论判定足够的质量能改变和扭曲时空,数学家法兰克•提普勒据此设想了把时空卷起来的时间旅行方法.他认为,如果太空中的一个巨大物体以一半光速旋转,时空便会扭曲折回.因此,只要将来有人制造一个巨大的圆筒,它的长约为直径的10倍,然后使圆筒以15万公里/秒的速度旋转,便会使圆筒中央附近产生一个扭曲折回的时空.
要将这圆筒当时间机器使用,宇宙飞船一定要开到圆筒的中心沿圆筒内壁盘旋飞行：逆圆筒旋转的方向航行是驶入过去,顺圆筒旋转的方向航行是驶入未来,每盘旋一周都使宇宙飞船更深入过去或未来一些.时间旅行者到达了目的时间,便将飞船驶离圆筒.有一件必须明了的事是,正像所有理论上的时间机器一样,就是驶向过去无论怎样也不能到达比制成圆筒更早的时间.
时间旅行是一个极具幻想色彩、也极具魅力的话题,长期以来,科学家们提出的方案一个又一个,时间旅行可能遇到的问题也被热烈讨论着.总有一天,相对论迷人的光芒会照耀着我们开始真正的时间旅行.
原子裂变
1905年11月,爱因斯坦同样在德国《物理学纪事》杂志上发表了关于狭义相对论的第二篇文章：《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》,这是一篇短文,在这篇论文中,他提出一个物体的质量并不是恒定不变的,而是随着运动速度的增加而增加.这就是运动中物体的“质增效应”.
现在我们想象我们在推一辆小板车,板车很轻,上面什么东西也没有.假设这是一辆在真空中的“理想”板车,没有任何摩擦力、也没有任何阻力,因此,只要我们持续地推它,它的速度就越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初像车上堆满了钢铁,然后好像是装着一座喜马拉雅山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系……当小板车接近光速时,好像整个宇宙都装在它上面——它的质量达到无穷大.这时,你无论施加多大力,无论推多长时间,它都不可能运动得再快一些.
由此可见,光子既然以光速传播,它的静止质量就必须等于零,否则它的运动质量就会无穷大.
当物体运动接近光速时,我们不断地对物体施加外力,供给能量,可物体速度的增加越来越困难,我们施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量.这就是说,物体质量的增加与动能增加有着密切联系,或者说物体的质量与能量之间有着密切联系.爱因斯坦在说明这种联系的过程中,提出了著名的质能关系式：E=mc2.
能量等于质量乘以光速的平方,即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊心动魄的,而在绝大多数人眼里,能量等于质量乘以光速的平方,即能量是质量的9万亿倍,是多么诱人的前景呀!指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失,其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的.
遗憾的是,没人能随便减少质量,譬如一块石头,我们尽可以用锤子砸成小块,然后碾成碎末,可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化.
但是,十几年后的1939年,约里奥•居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应,使人类找到了释放巨大原子能的方法.铀235的核收到中子轰击就会发生裂变,分裂成两个中等质量的新原子核,放出1～3个中子,并释放出巨大能量,这些中子又能引发其它铀核再分裂,如此反复,形成连锁反应,不断释放巨大能量.这就是链式反应.
宇宙大爆炸
令我们这些当代人感到惊诧的是,迟至1917年,那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙,而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的,既不会变大也不会变小,这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观.
1917年,爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型,但他发现,在这样一个只有引力作用的模型中,宇宙不是膨胀就是收缩.为了使这个宇宙模型保持静止,爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数,它表示的是一种斥力,同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强.这是一个假想的、用以抵消引力作用的力.
然而,爱因斯坦很快发现自己错了.因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的!
最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃.哈勃1889年出生于美国的密苏里州,毕业于芝加哥大学天文系.1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀.这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大.
宇宙的膨胀意味着,在早先,星体相互之间更加靠近,并且在更遥远过去的某一刻,它们似乎在同一个很小的范围内.
宇宙膨胀的消息传到著名物理学家伽莫夫那里去的时候,立即引起了这位学者的兴趣.乔治•伽莫夫出生于俄国,自小对诗歌、几何学和物理学都深感兴趣,在大学时期成为物理学家弗里德曼的得意门生.弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型,伽莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一.1945年,人类史上第一颗原子弹爆炸成功,看着蘑菇云升起的照片,伽莫夫突发灵感：把原子弹规模“放大”到无穷大,不就成了宇宙爆炸吗?他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来,逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系.
1948年,伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文,系统地提出了宇宙起源和演化的理论.与我们惯常的想法不同,这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是空间本身在扩展,星系物质随着空间的扩展而分开.
根据大爆炸宇宙论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着.伽莫夫还作出了一个非凡的预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,不过温度已降到6K左右.正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气.
1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊,因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,经过测量和计算,得出这个残余辐射的温度是2.7K（比伽莫夫预言的温度要低）,一般称为3K宇宙微波背景辐射.这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论.
广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括进去.让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了.
宇宙常数死而复生——暗能量
在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”.随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆.
然而造化弄人,几十年后,宇宙常数又像鬼魂般的复活了.这次宇宙常数的复活要归因于暗能量的发现.
1998年,天文学家们发现,宇宙不只是在膨胀,而且在以前所未有的加速度向外扩张,所有遥远的星系远离我们的速度越来越快.那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来,这是一种具有排斥力的能量,科学家们把它称为“暗能量”.近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,它的总量约达到宇宙总量的73%,而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%.我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们呢?而现在,我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎么不让人感到惊心动魄呢!
事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩.而暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控.在经历了一系列曲折后,宇宙常数正在时间中复活.
宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前,它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色!暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过,在这场漫长的战斗中,最举足轻重的就是彼此的密度.物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减；但暗能量的密度在宇宙膨胀时,变化得非常缓慢,或者根本保持不变.在很久以前,物质的密度是较大的,因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段；现今的暗能量密度已经大于物质的密度,排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权,以前所未有的速度推动宇宙膨胀.根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗.
暗能量的发现,也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”：即宇宙中所占比例最多的,反而是最迟也是最难为我们所知晓的.一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多.而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相.
暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一.
黑洞大发现
广义相对论表明,引力场可以造成空间弯曲,强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲,那么无限强大的引力场会产生什么情况呢?
1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家卡尔•史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的.他证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,比如一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3公里时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界.
这就是我们今天耳熟能详的黑洞,但在那个年代,几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在,甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物,爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大.就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名.
历史当然不会因此而停止前进,时间进入20世纪30年代,美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”,即：一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的1.44倍以上时,将不可能变成白矮星,而会继续坍塌收缩,变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体,即中子星.1939年,美国物理学家奥本海默进一步证明,一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时,其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围.
随着经验的积累,关于黑洞的理论变得成熟起来,人们从彻底拒绝这个怪物到渐渐相信它,到20世纪60年代,人们已普遍接受黑洞的概念,黑洞的奥秘被逐渐研究出来.
严格而言,黑洞并不是通常意义下的“星”,而只是空间的一个区域.这是与我们日常宇宙空间互不连通的区域,黑洞视界将这两个区域隔绝开,在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内,光线并不能自由地从一个地方传播到另一个地方,而是都朝向中心集聚,事件之间的联系受到严格限制,这就是黑洞.
在黑洞的内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,引力和起潮力都是无限大.因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,物质其他特性全部丧失,原子、分子等等都将不复存在!在这种情形下,无法谈论黑洞的哪一部分物质,黑洞是一个统一体!
在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开,这就是所谓的“奇点”状态.广义相对论无法对此进行考察,而必须代之以新的正确理论——量子理论.讽刺的是,广义相对论给我们导出了一个黑洞,却在黑洞的奇点之处失效,量子理论取而代之,而量子理论和相对论却根本互不相容!
宇宙观念的发展 宇宙结构观念的发展 远古时代,人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态,他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测.在中国西周时期,生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为,天穹像一口锅,倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说,认为大地的形状也是拱形的.公元前7世纪 ,巴比伦人认为,天和地都是拱形的,大地被海洋所环绕,而其中央则是高山.古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河.古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上,而象则站在巨大的龟背上,公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘,上面笼罩着拱形的天穹.
最早认识到大地是球形的是古希腊人.公元前6世纪,毕达哥拉斯从美学观念出发,认为一切立体图形中最美的是球形,主张天体和我们所居住的大地都是球形的.这一观念为后来许多古希腊学者所继承,但直到1519～1522年,葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ,地球是球形的观念才最终证实.
公元2世纪,C.托勒密提出了一个完整的地心说.这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动,月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转.为了说明行星视运动的不均匀性,他还认为行星在本轮上绕其中心转动,而本轮中心则沿均轮绕地球转动.地心说曾在欧洲流传了1000多年.1543年,N.哥白尼提出科学的日心说,认为太阳位于宇宙中心,而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星.1609年,J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转,发展了哥白尼的日心说,同年,伽利略•伽利雷则率先用望远镜观测天空,用大量观测事实证实了日心说的正确性.1687年,I.牛顿提出了万有引力定律,深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因,使日心说有了牢固的力学基础.在这以后,人们逐渐建立起了科学的太阳系概念.
在哥白尼的宇宙图像中,恒星只是位于最外层恒星天上的光点.1584年,乔尔丹诺•布鲁诺大胆取消了这层恒星天,认为恒星都是遥远的太阳.18世纪上半叶,由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计,布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同.18世纪中叶,T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说,布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统.弗里德里希•威廉•赫歇尔首创用取样统计的方法,用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例,1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图,从而奠定了银河系概念的基础.在此后一个半世纪中,H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转和旋臂,以及许多人对银河系直径、厚度的测定,科学的银河系概念才最终确立.
18世纪中叶,康德等人还提出,在整个宇宙中,存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统.而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统.此后经历了长达170年的曲折的探索历程,直到1924年,才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在.
近半个世纪,人们通过对河外星系的研究,不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统,而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处.
宇宙演化观念的发展 在中国,早在西汉时期,《淮南子•俶真训》指出：“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,认为世界有它的开辟之时,有它的开辟以前的时期,也有它的开辟以前的以前的时期.《淮南子•天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程.在古希腊,也存在着类似的见解.例如留基伯就提出,由于原子在空虚的空间中作旋涡运动,结果轻的物质逃逸到外部的虚空,而其余的物质则构成了球形的天体,从而形成了我们的世界.
太阳系概念确立以后,人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源.1644年,R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年,G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年,康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说.现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来.
1911年,E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年,伯特兰•阿瑟•威廉•罗素则绘出了恒星的光谱-光度图,即赫罗图.罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始,先收缩进入主序,后沿主序下滑,最终成为红矮星的恒星演化学说.1924年 ,亚瑟•斯坦利•爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年,C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应.这两个发现导致了罗素理论被否定,并导致了科学的恒星演化理论的诞生.对于星系起源的研究,起步较迟,目前普遍认为,它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的.
1917年,A.阿尔伯特•爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础.1922年,G.D.弗里德曼发现,根据阿尔伯特•爱因斯坦的场方程,宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的,也可以是振荡的.前者对应于开放的宇宙,后者对应于闭合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年 哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律.这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持.20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型,他们还预言,根据这一模型,应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射.1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言.从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型.1980年,美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型.这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实.
宇宙图景 当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统.
现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程.当代关于太阳系起源学说认为,太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云(原始太阳星云)由于引力收缩而逐渐形成的（见太阳系起源）.恒星是由星云产生的,它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段.星系的起源和宇宙起源密切相关,流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年,温度降到4000K,宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期,这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性,或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系,然后再演化为星系团和星系.热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸,当时温度极高、密度极大.随着宇宙的膨胀,它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程,直至10～20亿年前,才进入大规模形成星系的阶段,此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙.1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充.它认为在宇宙极早期,在我们的宇宙诞生后约10-36秒的时候,它曾经历了一个暴涨阶段.
宇宙的创生 有些宇宙学家认为,暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点,这种观点之所以在以前不能为人们接受,是因为存在着许多守恒定律,特别是重子数守恒和能量守恒.但随着大统一理论的发展,重子数有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零.因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题.这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体论方面.如果认为“无”是绝对的虚无,则是错误的.这不仅违反了人类已知的科学实践,而且也违反了暴涨模型本身.按照该模型,我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分,在观测宇宙之外并不是绝对的“无”.现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的,这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式,并不是创生于绝对的“无”.如果进一步说这种真空能起源于“无”,因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式.②认识论和方法论方面.暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念.这个宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史.暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来,认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,应研究它们的起源.它把“无”作为一种未知的物质和能量形式,把“无”和“有”作为一对逻辑范畴,探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式,转化为“有”——已知的物质和能量形式,这在认识论和方法论上有一定意义.
时空起源 有些人认为,时间和空间不是永恒的,而是从没有时间和没有空间的状态产生的.根据现有的物理理论,在小于10-43秒和10-33厘米的范围内,就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量,因此时间和空间概念失效了,是一个没有时间和空间的物理世界.这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的.正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样,今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观.由于在大爆炸后10-43秒以内,广义相对论失效,必须考虑引力的量子效应,因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源.这些工作都是有益的,但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水上无法度量新的时空形式,而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在.
人和宇宙 从本世纪60年代开始,由于人择原理的提出和讨论,出现了人类存在和宇宙产生的关系问题.人择原理认为 ,可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙,但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类,因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙.人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律,减少它们的任意性,使一些宇宙学现象得到解释,这在科学方法论上有一定的意义.但有人提出,宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在.这种观点值得商榷.现在根据暴涨模型,那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态,有可能从极早期宇宙的演化中产生出来,而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关.这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础.但有些人认为,由于暴涨引起的巨大距离尺度,使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能.这种担心有其理由,但如果暴涨模型正确的话,随着科学实践的发展,一定有可能突破人类认识上的困难.
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