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1、 分類號(hào) 編 號(hào) 畢業(yè)論文 題 目 關(guān)于宇宙形成與演化的幾種理論 學(xué) 院 物信學(xué)院 姓 名 xxx 專 業(yè) 物 理 學(xué) 學(xué) 號(hào) xxx 指導(dǎo)教師 xxx 提交日期 2013年5月

2、10日 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本人所呈交的論文是在劉保義教師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果.學(xué)位論文中凡是引用他人已經(jīng)發(fā)表或未經(jīng)發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等均已明確注明出處.除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的科研成果. 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān). 論文作者簽名： 論文指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 關(guān)于宇宙形成與演化的幾種理論 （天水師范學(xué)院，物理與信息科學(xué)學(xué)院 甘肅 天水 741000） 摘要：宇宙學(xué)是一門年輕又古老的

3、學(xué)科。通過(guò)《時(shí)間簡(jiǎn)史》等文獻(xiàn)來(lái)了解宇宙起源，在人們認(rèn)識(shí)宇宙起源的過(guò)程中提出了許多觀點(diǎn)，并且它們已被證明。本文主要介紹了宇宙膨脹模型、大爆炸理論、黑洞中的奇點(diǎn)與量子效應(yīng)理論。簡(jiǎn)要說(shuō)明它們發(fā)展過(guò)程和理論依據(jù)。 關(guān)鍵字：宇宙膨脹 大爆炸宇宙模型 黑洞 量子效應(yīng) Abstract: Cosmology is not only a young subject,but also has a long history subject. We understand the origin of the universe through many literatures, such as

4、《a brief history of time》and so on ,and put forward many ideas in the process of people understanding the origins of the universe ,then the ideas have been proved.This paper mainly introduces the model of the universe's expansion, the big bang theory and black holes in the singularity and quantum ef

5、fect theory. It briefly explains the process of their development and theoretical basis. Key words: the expansion of the universe big bang model of the universe black hole quantum effects 目錄 引言 ： 5 1、 宇宙膨脹模型 5 2、 大爆炸宇宙 7 3、 黑洞中的奇點(diǎn)與量子效應(yīng) 8 4、 總結(jié)： 10 5、 參考文獻(xiàn)： 12

6、 關(guān)于宇宙形成與演化的幾種理論 引言 ：宇宙學(xué)是一門年輕又古老的學(xué)科，人類對(duì)宇宙的起源在不斷地探索著。當(dāng)我們回望人類漫長(zhǎng)的探索宇宙的進(jìn)程時(shí),在我國(guó)歷史上最早認(rèn)識(shí)宇宙，是有“科圣”之稱的偉大的科學(xué)家張衡。也可以說(shuō)是人類歷史上認(rèn)識(shí)宇宙的先驅(qū)。在后來(lái)主要是西方國(guó)家對(duì)宇宙探索有很大的進(jìn)展，尤其是近幾百年，其中對(duì)宇宙的形成與演化有很多的著名的觀點(diǎn)，主要形成的觀點(diǎn)有相對(duì)論原理、宇宙膨脹模型、大爆炸宇宙論等。霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中比較全面的描述了整個(gè)宇宙的圖景，他還還提出了自己的很多觀點(diǎn)，本著一種好奇心,想了解一下關(guān)于宇宙學(xué)的觀點(diǎn) , 所以借助史蒂芬·霍金的《時(shí)間簡(jiǎn)史》及其他

7、書籍，將宇宙學(xué)的一些觀點(diǎn)在這里羅列出來(lái)。在這里主要寫了膨脹中的宇宙、大爆炸宇宙理論以及黑洞中的奇點(diǎn)與量子效應(yīng)觀點(diǎn)，這些觀點(diǎn)在宇宙學(xué)中都具有重大的意義。 希望我們對(duì)宇宙理論有更多的認(rèn)識(shí)和了解，宇宙學(xué)是一門古老而年輕的學(xué)科, 希望更多的人去了解宇宙學(xué)、研究宇宙學(xué)、了解我們所處的宇宙空間。讓我們更早的回答出我們一直想知道的問(wèn)題：我們從何而來(lái)，又到何處去? 1、 宇宙膨脹模型 在人們認(rèn)為宇宙是膨脹之前愛(ài)因斯坦曾提出過(guò)靜態(tài)的宇宙模型。廣義相對(duì)論主要的是把強(qiáng)大的引力場(chǎng)解釋成為時(shí)空彎曲的幾何特征，所以它也是一種引力理論。愛(ài)因斯坦根據(jù)自己建立的廣義相對(duì)論對(duì)宇宙進(jìn)行了考察，他引入了一個(gè)常數(shù)——“反引力

8、”，此力和其他力是不一樣，沒(méi)有什么源引起，是時(shí)空中固有的。愛(ài)因斯坦認(rèn)為時(shí)空有膨脹的趨勢(shì)，但剛好可以用此力平衡宇宙中所有物質(zhì)與物質(zhì)間的作用力，因此愛(ài)因斯坦設(shè)想這樣一個(gè)有限無(wú)邊的靜態(tài)宇宙模型。 在宇宙空間中，物質(zhì)分布是均勻的，宇宙大尺度特征不隨時(shí)間變化而變化（又物質(zhì)沒(méi)運(yùn)動(dòng)）[1]。靜態(tài)宇宙模型雖與事實(shí)不相符合，但它為現(xiàn)代宇宙學(xué)研究開啟了新的起點(diǎn)。就在愛(ài)因斯坦和其他一些物理學(xué)家討論非靜態(tài)宇宙的預(yù)言時(shí)，1922年俄國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家弗里德曼用廣義相對(duì)論著手解釋它，他根據(jù)廣義相對(duì)論方程解得的動(dòng)態(tài)解，認(rèn)為宇宙是不穩(wěn)定的，有可能是脈動(dòng)的。（他曾對(duì)宇宙提出過(guò)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的設(shè)想：我們不管從哪個(gè)方向看，也不管從

9、何地進(jìn)行觀察，宇宙看起來(lái)都是一樣的。弗里德曼指出，僅從這兩觀念出發(fā)，就可以預(yù)言宇宙是不穩(wěn)定的。此觀點(diǎn)在后來(lái)不久被哈勃證明了。[2]） 后來(lái)天文學(xué)家勒梅特又一次獨(dú)立的的到這樣一個(gè)模型：得到宇宙中的物質(zhì)在均勻的同時(shí)在向各個(gè)方向膨脹或者是在收縮的宇宙模型。 1924年現(xiàn)代宇宙圖像才被奠定，這一年哈勃證明了除我們所處的這個(gè)星系，還有許多其他的星系，在他們之間是一個(gè)巨大的空虛的空間，也稱為太空。哈勃用100英寸的望遠(yuǎn)鏡在威爾孫山對(duì)太空進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)恒心在整個(gè)空間之中不是均勻分布的，而是有很多的恒心大量地集中在星系之中。埃德溫·哈勃對(duì)來(lái)自星系的光利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量，這樣就可以對(duì)星系是

10、藍(lán)移還是紅移進(jìn)行確定。哈勃曾預(yù)想對(duì)于我們現(xiàn)在正所處在的星系中來(lái)看宇宙中的其他星系，飛向我們星系和離開我們星系的其他星系是一樣多的。這是存在于一個(gè)不變的宇宙中應(yīng)該有的，但是事實(shí)總是給人驚奇，埃德溫·哈勃測(cè)量出的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有的星系幾乎都是在紅移，而且，哈勃發(fā)現(xiàn)當(dāng)星系離我們?cè)竭h(yuǎn)時(shí)，他離我們而去的速度越快，也就是說(shuō)紅移的大小與星系離我們的距離是正比，這也是著名哈勃定律。[3]也就是說(shuō)，宇宙不是人們想象的那樣宇宙是靜態(tài)的，它是隨著時(shí)間在不斷的變化，它是在膨脹，所有的星系之間的距離不斷的增加。從而靜態(tài)的宇宙模型破產(chǎn)，宇宙是在膨脹的，星系之間的距離在不斷的增大。這是一個(gè)偉大的觀測(cè)，無(wú)論我們是從何處觀看宇宙

11、，星系都是在離我們而去的。我們現(xiàn)在知道宇宙是在膨脹，如果時(shí)間倒回去，那么會(huì)是怎樣的呢？如果按照現(xiàn)在宇宙膨脹的速度計(jì)算，那么就可以推算出在150多億年前，宇宙中所有的星系中的物體都將會(huì)回歸到一個(gè)點(diǎn)上，那么這是宇宙的奇點(diǎn)嗎？ 總之，宇宙的膨脹的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最偉大的智力革命之一?？梢哉f(shuō)這為大爆炸理論奠基了基礎(chǔ)。 2、大爆炸宇宙模型 在上世紀(jì)中期，物理學(xué)家伽莫夫和其他物理學(xué)家研究早期的宇宙狀態(tài)，逐步的形成了大爆炸宇宙模型。其主要觀點(diǎn)是:再至少100億年前的某一時(shí)刻，宇宙是從溫度和密度都極高的狀態(tài)中由一次“大爆炸”產(chǎn)生的。這個(gè)模型基于兩個(gè)基本設(shè)想：一、愛(ài)因斯坦所提出用來(lái)正確描述宇宙物質(zhì)的引力

12、作用的理論---廣義相對(duì)論；二、不管在宇宙的那個(gè)方向或何處觀察宇宙事物，他們都應(yīng)該一樣的，這也是所謂的宇宙學(xué)原理。[4]應(yīng)用這兩個(gè)設(shè)想，就可以計(jì)算宇宙在確定的某一時(shí)間（稱之為普朗克時(shí)間）起始的歷史，在這之前，宇宙是何種現(xiàn)狀現(xiàn)今是不清楚的。在大爆炸的那一時(shí)刻，宇宙的溫度、壓力都無(wú)限大，體積是被認(rèn)為“零的奇點(diǎn)”的狀態(tài)，那時(shí)間宇宙中不從在任何星體以及各種元素。只有一些粒子性物質(zhì)的存在，例如：中子、質(zhì)子、電子等，這些粒子達(dá)到熱平衡狀態(tài)。在整個(gè)時(shí)空中粒子不是靜止的，而且它們之間不斷發(fā)生著碰撞，這樣粒子間就不停的有粒子的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、湮滅。粒子之間的高頻的碰撞可達(dá)到或超過(guò)1016次。宇宙處于此階段的時(shí)間很短

13、，由于宇宙很快的膨脹，整個(gè)宇宙中物質(zhì)的密度和溫度逐漸的開始下降，隨之中子開始衰變成質(zhì)子?，F(xiàn)今我們看到的許多基本粒子就是這時(shí)間段形成的，宇宙溫度下降到百萬(wàn)度時(shí)，化學(xué)元素就基本形成了。約百萬(wàn)年以后，宇宙溫度再次下降，開始有原子形成，宇宙空間的粒子就復(fù)合成氣態(tài)物質(zhì)。在逐漸的形成各種星體、星系。星體時(shí)代就從此開始了。 大爆炸理論中有兩個(gè)很重要的觀測(cè)依據(jù)：一個(gè)是氦的豐度，另一個(gè)是微波背景的輻射。和地球相比較，其他星體上的氦比較多，這是什么原因？但我們可以通過(guò)大爆炸理論來(lái)解釋。宇宙在很早時(shí)期有氦產(chǎn)生過(guò)，那時(shí)氦的生成率很高，根據(jù)這些就可以解釋氦豐度為什么這么高。在另一方面，可以依據(jù)氦的豐度和宇宙的膨脹速度

14、， 這樣能夠計(jì)算很早以前的宇宙溫度，這樣我們就可以推算出現(xiàn)在輻射的溫度。喬治·伽莫夫預(yù)言此輻射溫度約5K的黑體輻射，此數(shù)據(jù)可以觀測(cè)檢驗(yàn)。在1965年,美國(guó)科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在檢測(cè)一個(gè)高度靈敏微波探測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器收到的噪聲比他們預(yù)想的要大的多。他們推想，此噪聲是從宇宙中來(lái)的，并且沒(méi)有季節(jié)變化。最后經(jīng)過(guò)測(cè)量，證實(shí)了此噪聲有黑體輻射譜，溫度約3k，且各向同性。從而證實(shí)了伽莫夫等科學(xué)家的預(yù)言。 大爆炸理論學(xué)說(shuō)能說(shuō)明下列幾個(gè)觀測(cè)事實(shí)：①大爆炸理論學(xué)說(shuō)認(rèn)為恒星都是溫度下降之后形成的，因?yàn)樗刑祗w的年齡要比自溫度下降到現(xiàn)在的這個(gè)過(guò)程的時(shí)間短，約200億年?，F(xiàn)今這一點(diǎn)已被證明。②觀測(cè)到天體的紅移現(xiàn)象，可

15、以以偶那個(gè)多普勒效應(yīng)來(lái)解釋，說(shuō)明宇宙在膨脹。③現(xiàn)今個(gè)天體上的氦豐度很高，這一事實(shí)可以用大爆炸理論學(xué)說(shuō)解釋，因?yàn)樵谠缙谟钪娓邷貢r(shí)形成氦的效率很高，所以至今各天體還存有高豐度的氦。④依據(jù)氦豐度及宇宙的膨脹等可以計(jì)算出宇宙在演變歷史中每一階段的溫度。伽莫夫預(yù)言現(xiàn)今的宇宙已近只有絕對(duì)溫度幾度。這一理論已被證實(shí)，溫度大概約3k。在現(xiàn)今的科學(xué)界以上觀點(diǎn)都被接受，然而在星系的起源及各向同性分布的方面，大爆炸模型還有一些不能夠解決的問(wèn)題。 3、 黑洞中的奇點(diǎn)與量子效應(yīng) 在1973年霍金在對(duì)黑洞周圍量子效應(yīng)進(jìn)行研究，通過(guò)量子效應(yīng)解釋黑洞中的“奇點(diǎn)”。史蒂芬·霍金被稱為最為杰出的理論物理學(xué)家。

16、 在這里我們先了解一下什么是黑洞？黑洞其實(shí)是一個(gè)恒星演化的過(guò)程，是 依據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論而提出的，宇宙時(shí)空中密度、質(zhì)量很大的天體。在宇宙空間中的有質(zhì)量很大的恒星。這種恒星在核聚變中逐漸的消耗能源最后到死亡，然后由于天體本身將會(huì)發(fā)生引力坍縮就會(huì)形成黑洞。黑洞本身質(zhì)量相當(dāng)大，他將會(huì)有特別強(qiáng)的引力場(chǎng)形成，以至于一切物質(zhì)（包括光）都不能夠從它之中“逃逸”出來(lái)。因?yàn)楹隗w不會(huì)將光線反射出去，因此稱為黑洞。一個(gè)質(zhì)量足夠大的恒星只有演變坍縮形成黑洞，這是由于很強(qiáng)的引力作用，使坍縮一直這樣進(jìn)行下去，坍縮將會(huì)是無(wú)盡頭的，無(wú)限的坍縮，最終該星球的中心將出現(xiàn)一個(gè)密度、壓力都特別大而且體積特別小的“奇點(diǎn)”。由此推理

17、奇點(diǎn)是必然會(huì)形成的。在極強(qiáng)的引力作用下，恒星的收縮也就形成了黑洞。 當(dāng)宇宙的標(biāo)度因子收縮成“零”的一個(gè)數(shù)學(xué)點(diǎn)稱為奇點(diǎn)。然而許多從事物理研究者根本就不會(huì)相信恒星的體積將會(huì)變成“零”。[5]黑洞是由于強(qiáng)大的引力場(chǎng)產(chǎn)生的，依據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，光線在傳播中由于極強(qiáng)的引力作用將會(huì)使它彎曲，處在這種環(huán)境中，光線將無(wú)法逃出，別的物質(zhì)也就不可能夠逃出了（光線傳播的速度至今是最快的），將會(huì)被引力場(chǎng)吸引回去。換句話說(shuō)，空間中存在一個(gè)集合點(diǎn)，無(wú)論任何東西都不能從次區(qū)域跳脫讓在別處的人們觀測(cè)到。這也就是黑洞， 其邊界稱著事件視界, 它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。 黑洞之中有著極大密度和時(shí)空曲率的奇

18、點(diǎn)。它有著和大爆炸類似的時(shí)間開端，不過(guò)這是一個(gè)物質(zhì)坍縮的時(shí)間終點(diǎn)，在黑洞這樣的區(qū)域中由于引力坍縮形成的奇點(diǎn)在其中發(fā)生，所以不能夠被外既往看到。根據(jù)收縮中恒星的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象來(lái)看，因?yàn)楹阈堑乃俣群艽螅旧懋a(chǎn)生的引力波將會(huì)使他更加接近球型，最后將逐步形成一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)、不能搏動(dòng)的一種態(tài)。影響著黑洞的大小是它本身的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的速度。由于黑洞的旋轉(zhuǎn)，它將會(huì)產(chǎn)生一種相當(dāng)于地球的磁場(chǎng)，進(jìn)入的物質(zhì)將會(huì)在黑洞的附近形成高能量得粒子，由于在此處的磁場(chǎng)力很大，這將會(huì)使粒子聚集在黑洞附近旋轉(zhuǎn)，就類似于地球南北極方向向外噴射的流體。在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中有這樣的表述，引力波的輻射將會(huì)被重物的運(yùn)動(dòng)影響到，而且它會(huì)帶走任何運(yùn)動(dòng)

19、中物質(zhì)的能量。史蒂芬·霍金和其他科學(xué)家的研究表明，根據(jù)量子理論中的不確定原理，黑洞的旋轉(zhuǎn)會(huì)有輻射粒子（是量子形式的輻射）形成， 輻射的溫度隨著黑洞溫度的變化而變化，質(zhì)量與溫度成反比。在人們的影響之中，黑洞之中會(huì)不斷吸引物體，但粒子的發(fā)射又怎么解釋？量子力學(xué)是這樣解釋的：物質(zhì)粒子的噴射并非來(lái)自于黑洞之中，它來(lái)自于黑洞周圍的事件視界的之外“空”的時(shí)空之中而來(lái)！在此所指的“空”是“真空”，并非虛空，它擁有許多的物理內(nèi)容。[6]黑洞視界面周圍，在真空中的粒子在極強(qiáng)的引力場(chǎng)的作用下，可以是粒子對(duì)的一個(gè)進(jìn)入黑洞，一個(gè)遠(yuǎn)離而去，遠(yuǎn)去的這個(gè)粒子就了可以被觀察到，進(jìn)入黑洞如果是反粒子，那么離去的一定是正粒子，這

20、樣我們?cè)诤苓h(yuǎn)的觀察者就能觀測(cè)到這一現(xiàn)象----來(lái)自黑洞中粒子流的輻射。黑洞中的這樣不斷輻射，使其質(zhì)量逐漸減小，當(dāng)質(zhì)量減小時(shí)，溫度將會(huì)上升很大。而且在黑洞的質(zhì)量不斷消耗時(shí)，它的溫度以及噴射的速率會(huì)變大，這樣黑洞的質(zhì)量損失就會(huì)更快。隨著黑洞的質(zhì)量小到極點(diǎn)時(shí)， 其將會(huì)以爆炸的方式消失在宇宙之中。從而我們可以推出引力坍縮是可以逆轉(zhuǎn)的，著都是因?yàn)樵诤诙从辛Ｗ恿鞯膰娚湓?，進(jìn)入黑洞中的東西最后將會(huì)以等效的能量回到宇宙中去， 我們可以人為宇宙中的物質(zhì)是可以再循環(huán)的。這樣我們可以人為在“奇點(diǎn)”處黑洞爆炸時(shí)，將會(huì)把掉入其中的任何物體都會(huì)被毀滅，然而“奇點(diǎn)”也就不存在了。綜上所述也就是說(shuō)量子理論可以去掉愛(ài)因斯坦廣

21、義相對(duì)論預(yù)言的奇點(diǎn)的第一個(gè)跡象。 4、 總結(jié)： 宇宙的膨脹、大爆炸理論以及黑洞中的量子效應(yīng)對(duì)于宇宙的研究都有著不可估量的價(jià)值。在這里我只是把他們思想方法和研究的過(guò)程在這里羅列出來(lái)但對(duì)于宇宙學(xué)來(lái)說(shuō)，它是一門年輕有古老的一門科學(xué)，在現(xiàn)今的宇宙理論學(xué)領(lǐng)域里，人類已有很大的發(fā)展，廣義相對(duì)論、宇宙的膨脹、大爆炸理論以及黑洞中的量子效應(yīng)等，這些偉大的理論成果在現(xiàn)今已解釋了許多問(wèn)題，也打破了人們對(duì)宇宙古老圖像的觀念，但這些并不是所有的一切都已解決。對(duì)于宇宙的未來(lái)人類現(xiàn)今還是不能夠確定的，宇宙的何去何存是人們一直關(guān)心的問(wèn)題，宇宙還會(huì)一直膨脹下去嗎？宇宙最終會(huì)是什么情形呢？是人們認(rèn)為的再次坍縮還是其

22、他別的結(jié)果呢？這些都是我們值得思考的問(wèn)題。也就像史蒂芬·霍金所說(shuō)的那樣，宇宙學(xué)是一個(gè)非常激動(dòng)人心的和活躍的科學(xué)。人們也正在接近回答這個(gè)古老的問(wèn)題：我們?yōu)楹卧诖?？我們有回到那里去？但這還需要我們不斷的努力。 5、 參考文獻(xiàn)： [1] 史蒂芬·霍金/著 ，時(shí)間簡(jiǎn)史[M]，許明賢 吳忠超/譯 《時(shí)間簡(jiǎn)史》長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2008 [2] 史蒂芬·霍金，果殼中的宇宙[M]，吳忠超，譯。 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2002 [3] 中國(guó)自然辯證法研究會(huì)天文學(xué)專業(yè)組編: 《天文學(xué)和哲學(xué)》[ M] . 中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社, 1984. 16, 20. [4] 周陽(yáng)春 ，大爆炸的“奇點(diǎn)”與宇宙起源---讀《時(shí)間簡(jiǎn)史 -----從大爆炸到黑洞》北京：人民衛(wèi)生出版社，1986. [5] 史蒂芬·霍金 宇宙的起源，來(lái)源：中新社發(fā)，2006 [6] 史蒂芬·霍金，彭羅斯，時(shí)空本性[M]，杜欣欣，吳忠超，譯。 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2007 12