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如何向孩子解释「宇宙是如何形成的」?

如何向孩子解释「宇宙是如何形成的」?

来自云南彝良长炉小学的何向孩解陈应希同学,期待知友们能回答 TA 的释宇问题:宇宙是怎么来的?

宇宙是广袤空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙起源是宙何一个极其复杂的问题。 宇宙是形成物质世界,它处于不断的何向孩解运动和发展中。千百年来,释宇科学家们一直在探寻宇宙是宙何什么时候、如何形成的形成。直到今天,何向孩解许多科学家认为,释宇宇宙是宙何由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成的。宇宙内的形成所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的何向孩解体积,温度极高,释宇密度极大,宙何瞬间产生巨大压力,之后发生了大爆炸,这次大爆炸的反应原理被物理学家们称为量子物理。大爆炸使物质四散出去,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降,后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。

一种学说,又称大爆炸宇宙学。与其它宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化历程。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束(见元素合成理论)。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙

宇宙起源的问题有点像这个古老的问题:是先有鸡呢,还是先有蛋。换句话说,就是何物创生宇宙,又是何物创生该物呢?也许宇宙,或者创生它的东西已经存在了无限久的时间,并不需要被创生。直到不久之前,科学家们还一直试图回避这样的问题,觉得它们与其说是属于科学,不如说是属于形而上学或宗教的问题,然而,人们在过去几年发现,科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的。在那种情形下,宇宙可以是自足的,并由科学定律所完全确定。

关于宇宙是否并如何启始的争论贯穿了整个记载的历史。基本上存在两个思想学派。许多早期的传统,以及犹太教、基督教和伊斯兰教认为宇宙是相当近的过去创生的。(十七世纪时邬谢尔主教算出宇宙诞生的日期是公元前4004年,这个数目是由把在旧约圣经中人物的年龄加起来而得到的。)承认人类在文化和技术上的明显进化,是近代出现的支持上述思想的一个事实。我们记得那种业绩的首创者或者这种技术的发展者。可以如此这般地进行论证,即我们不可能存在了那许久;因为否则的话,圣经的创世日期和上次冰河期结束相差不多,而这似乎正是现代人类首次出现的时候。

另一方面,还有诸如希腊哲学家亚里斯多德的一些人,他们不喜欢宇宙有个开端的思想。他们觉得这意味着神意的干涉。他们宁愿相信宇宙已经存在了并将继续存在无限久。某种不朽的东西比某种必须被创生的东西更加完美。他们对上述有关人类进步的诘难的回答是:周期性洪水或者其他自然灾难重复地使人类回到起始状态

长期以来,"大爆炸"宇宙诞生理论一直被天文学界普遍认同

大爆炸宇宙论面临的难题还有,如果宇宙无限膨胀下去,最后的结局如何呢?德国物理学家克劳修斯指出,能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程,适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件,在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量,他把这个物理量取名为"熵",孤立系统中的"熵"永远趋于增大。但在宇宙中总会有高"熵"和低"熵"的区域,不可能出现绝对均匀的状态。那种认为由于"熵"水平的不断升高而达到最大值时,宇宙就会进入一片死寂的永恒状态,最终"热寂"而亡的结局,当宇宙膨胀到一定程度,所有星系行星会疏离,分子分解至夸克,而至更小。整个宇宙继续膨胀,变成死寂状态。这项预测是根据数百个A1超新星的亮度作出的。

根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态,星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要,从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影,那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。

奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用,大至旋涡星系,小至DNA分子,都是在这种螺旋线中产生。大自然并不认可笔直的形式,自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状。从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外,毋庸置疑,浩瀚的宇宙就是一个大旋涡。因此,确立一个"螺旋运动形态宇宙模型",比那种作为所有物质总和的"宇宙"却脱离曲线运动模式而独辟蹊径,以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的"大爆炸宇宙模型",更能体现真实的宇宙结构形。

还有一点,大爆炸是循环的,有科学家声称:宇宙将变成一个高密度、小体积的球体。缩小到一定程度后,将再次发生大爆炸。根据能量守恒定律,宇宙的能量并没有消亡。但是,却没有人能解释,大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等等,都是像上次一样(几千几百亿年以后,又有太阳系,又有地球,又有中国,又有你),还是重新排列(光凭空可以弯曲)

"哈勃"太空望远镜本次拍摄到了一些宇宙深处的星体,这些星体大概形成于宇宙诞生后的5亿年内(约130亿年前)。然而,这些星体的数量却远远少于科学家们原来的估计。

哈勃拍摄的这些照片可以说明以下二点:要么大爆炸发生后恒星物质的形成并没有科学家们原来设想

的那么积极,这并不符合现阶段通行的理论;

由安德鲁·邦克博士领导的英国科学家小组在对哈勃拍摄的照片研究后得出了上述令人吃惊的结论。以便于解开上述这些迷惑。

据许多科学家数十年来一贯支持的大爆炸理论,我们的宇宙大约诞生于140亿年前。按照该理论的解释,宇宙形成于140亿年前一个体积极小且密度极大的物质的爆炸,爆炸发生后喷发出物质微粒和能量,也正是从那时起才开始产生了时间和空间、质量和能量。在大爆炸发生前,既没有物质,也没有能量,当然也没有生命。

膜宇宙学

标准的宇宙大爆炸模型显示,宇宙爆发自一个密度无穷大的奇点。但是不了解是什么触发了这场爆发:已知的物理定律不能适用。

同时科学家很难解释如此激烈的大爆炸留下的宇宙何以拥有一个几乎完全均匀的温度,这是因为自从宇宙诞生以来似乎没有足够的时间达到温度平衡。对于大部分宇宙学家而言,有关一致性最合理的解释是,在宇宙形成后不久,一些未知的能量形式使年轻的宇宙以超过光的速度膨胀。在这个模型中,三维宇宙是一张膜,漂浮在具有四个空间维度的"体宇宙"之上。

如果体宇宙包含有其自身的四维恒星,那么其中的一些恒星会塌缩,最终形成四维黑洞。这些四维恒星会像超新星一样爆发,而它们的内层则塌缩为一个黑洞。

在宇宙中,一个黑洞被一个名为视界的球面联系起来。鉴于普通的三维空间需要一个两维的物体(一个表面)来创建一个黑洞内部的边界,那么在体宇宙中,四维黑洞的视界应该是一个三维物体-- 一种被称为超球面的形状。三维宇宙可能就是这样一个膜,而膜的生长被认为是宇宙的膨胀。

由于四维体宇宙可能在过去已经存在了无限长的时间,因此它有足够的机会使不同区域的四维体宇宙达到一种平衡,膜宇宙学是一个物理学上超弦理论和M理论的分支,专门研究宇宙膜,该理论认为宇宙其实是镶在一些更高维度的膜上。该学科同时研究那些更高维度的膜是怎样影响着我们的宇宙。虫洞喷发说认为:我们现在所生存的宇宙起源于一次时空之门的开启。在许许多多平行宇宙中,有一个极其普通的平行宇宙,在这个宇宙中,质量最大的一个黑洞的不断地吞噬宇宙中的其他天体,它的质量不断增大,大到其万有引力可以摧毁一切物质形态,首先将其核心变为能量体,能量逐渐积蓄,最终冲破其外壳,向外释放能量,形成虫洞,时空之门打开。当能量释放完全后,虫洞停止喷发,时空之门关闭。而喷出来的高能粒子,经过漫长的演变后,形成了我们现在所生存的宇宙;那个喷发的虫洞则变为先前那个平行宇宙中的一个普通的天体,这也是我们不能找到宇宙的中心的原因一直以来,人类因为自己有起源,便认为宇宙也应该有起源。殊不知因为宇宙是"时间无尽永前、空间无界永在、质量无限永有"的存在。它永生不灭,既没有起点也没有终点!人类所以有起源问题,这是由于人类:"历时有尽,占空有界,拥物有量"的一种宇宙暂态物,只是宇宙的一部份。宇宙的每一部份都有起源问题,唯独宇宙整体没有!就是说:宇宙整体无限,各局部有限;宇宙各部生又灭,宇宙本体没始终。

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