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课件网) 第5章 科学进步无止境 第3节 探索宇宙的奥秘 人类第一次将目光投向太空时，就想知道这浩瀚无垠的宇宙从哪里来，又将去向何处。本节我们将一起探索宇宙起源和演化的奥秘。 宇 宙 的 起 源 1 自古以来，人们通过对日月星辰及周围事物的观察，设想着宇宙的模样。例如，我国有古人认为大地是平的，日月星辰在天空中运行，其上方扣着穹顶(图 5－8)。 在古希腊，德谋克利特提出了“天体演化说”，即在原子碰撞等原因形成的原始旋涡运动中，较大的原子被赶到旋涡的中心相互聚集形成地球，较小的原子被赶到外围环绕地球做旋转运动，变得干燥后燃烧，形成各个天体。德国哲学家康德则提出了“星云假说”，用引力和斥力的观点描述天体的形成和运动。 在探索宇宙奥秘的过程中，爱因斯坦发现根据广义相对论建立的宇宙模型不是静态的，因此引入宇宙学常数进行修正，提出了“有限无界的静态宇宙”模型。 1929年，哈勃 ( E. Hubble，1889－1953)做了一个具有里程碑意义的观测：遥远的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长变长，即向红光方向偏移( 图 5－9)。 这一现象说明：不管往哪个方向看，远处的星系都正在急速地远离我们而去，并且距离我们越远的星系离开我们的速度越快。 人类从此走出了静态绝对的宇宙观，开始用膨胀的宇宙观探索宇宙的起源。美国科学家伽莫夫 (G. Gamow，1904—1968) 将微观的核物理、化学元素的起源与宏观的膨胀宇宙联系在一起，提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型，认为宇宙从一个温度无限高、物质密度无限大的“奇点”爆炸而成(图 5－10)。 大爆炸宇宙模型不仅能解释宇宙光谱的红移现象，而且预言在大爆炸的特殊宇宙背景下产生的微波辐射至今存在于宇宙空间中。 1965 年，威尔森和彭齐亚斯观测到了宇宙背景微波辐射，大爆炸宇宙模型得到了有力的支持。 宇 宙 的 演 化 2 宇宙将会一直膨胀下去吗 宇宙的未来将走向何处 根据爱因斯坦广义相对论的预言宇宙的未来在很大程度上依赖于宇宙中的物质分布( 宇宙物质的平均密度 )。如果宇宙物质的平均密度大于某个临界值，星系间的引力将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩，最终坍缩；如果宇宙物质的平均密度小于该临界值，宇宙将会继续膨胀。 但对宇宙物质平均密度的观测非常困难，因为宇宙中除了可见的发光天体之外，还有大量的暗物质和暗能量。 暗物质是一种不能释放任何电磁辐射的物质，自20 世纪 70 年代以来，科学家根据对星系之间引力效果的观测发现，常规物质不可能产生如此大的引力，因此暗物质的存在理论被广泛认同。 1998 年，科学家索尔·珀尔马特 (S. Perlmutter)、布莱恩·施密特 (B. Schmidt) 和亚当·里斯 (A. Ricss)通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀，并且证明了暗能量的存在，因而获得 2011 年诺贝尔物理学奖。通过观测和理论分析，科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的，但人类对暗物质和暗能量的本质至今仍不了解，现有的天文观测资料还不能确定宇宙的未来将走向何处，这有待于人类的进一步探索。 霍金与天体物理 科学书屋 史蒂芬·霍金( S. Hawking，1942－2018，图 5－11)出生于英国牛津，17 岁入读牛津大学，毕业后前往剑桥大学攻读宇宙学。 他在 21 岁被诊断为患运动神经细胞萎缩症后，曾一度打算放弃科学研究。但后来他重拾信心，勇敢面对病痛，继续潜心研究。20 世纪 70 年代，他与罗杰·彭罗斯 ( R. Penrose) 一起提出:爱因斯坦的广义相对论暗示了空间和时间是从大爆炸“奇点”开始而至黑洞结束。这就是著名的奇性定理。他们因此在 1988 年共获沃尔夫物理学奖。 霍金发现黑洞不完全是“黑”的，而是有向外的辐射，黑洞的温度会随 ... ...
