宇宙大爆炸论文-选修课作业

天文学选修课姓名郭珊珊学号20140381116系别地理系专业14级人文地理与城乡规划一千多年前，托勒密创立“地心说”，认为地球是宇宙的中心。

哥白尼起来反对他，认为太阳才是宇宙的中心。

可后来的人们却发现，把太阳作为宇宙的中心，同样也有很多问题。

伽利略的发现，牛顿的研究以及开普勒和多普勒的结论，都使人类认识到，太阳也不是宇宙的中心。

这些伟大的科学家用毕生的精力为我们铺垫的通向真理的道路，那让我们跟随他们的足迹揭开宇宙神秘的面纱。

首先我们应该了解我们居住的地球本身的结构，地球的形状到底是怎样的、日月星辰之间相隔有多远，我们的邻居月球是如何运动的等等这些问题。

公元前5世纪，爱琴海的萨摩斯岛上，有一位发明了几何学中勾股定理的数学天才毕达哥拉斯，他创造了自己的宙模型，从最完美的几何体的观点出发，他认为大地是球型的，而且所有天体都是球型的，它们的运动是匀速圆周运动。

并认为地球是宇宙的中心，周围是空气和云，再往外是围绕地球做圆周运动的行星，如月亮、太阳等，再往外是恒星所在之处，最外面是永不熄灭的天火。

但他并没说明地球有多大，日月星辰离地球有多远。

最早算出地球大小的人是希腊天文学家埃拉托西尼，他通过测量两个地区之间的太阳高度角，并用几何的方法算出了地球的周长约是三万九千多千米（现在实测是四万千米，几乎相差无几了）。

下面我们来了解一下地球的天然卫星，月球。

其实几何数学对月球到地球的距离的测量有很大的帮助。

月球离地球有多远呢？出生于萨莫斯岛的阿利斯塔克提出，测量月食（当时希腊人已经猜测到，月食是因为地球走到太阳与月球之间而引起的）时掠过月面的地影与月球的相对大小，利用几何学方法，可以算出以地球直径为单位的地球至月球的距离。

但是他没有得出具体的数据，但并不能否认他的工作对后来的科学家有很大的帮助，公元前150年，古希腊一位叫依巴谷的天文学家重复了这项工作，得出地球到月球距离是地球直径的三十倍，约等于三十八万公里，他还同时得出了地球与太阳的距离，相当于地月距离的19倍，当然这个精度与现在相比相差很多，但他的结果显示出太阳比地球要大得多。

依巴谷认为，一个很大的天体不可能围绕一个小的天体来运行，这里又为日心说做了伏笔。

了解了地球的形状大小，那地球是怎样运动的呢？宇宙星辰之间是围绕什么在运动呢？宇宙何处是中心呢，是地球呢还是太阳。

许多科学家探索过，猜想过，但即使是真理也有对错，在科学上没有对错而只有坚持不懈的探索精神。

公元140年，埃及的亚历山大城的希腊裔天文学家托勒密提出的理论认为，所有能观测到的行星都是围绕着地球做顺时针周周运行，并提出了本轮和均轮的概念来解释所观测到的行星的运动规则。

然而到16世纪的时候，波兰天文学家尼古拉·哥白尼勇敢地站出来表达了相反的观点。

他认为，宇宙没有托勒密所描述的那么复杂，是地球绕太阳，而不是太阳绕地球旋转。

这一日心学说改写了托勒密延续千年的宇宙模型，开启了宇宙学革命性的一刻。

1609德国天文学家开普勒在年《新天文学》一书中宣布，他用丹麦天文学家第谷留下的精密观测资料，发现行星是沿着椭圆轨道围绕太阳运动，从而打破了天体必须做匀速圆周运动的传统观点，并彻底消除了托勒密体系中的本轮和均轮。

1609年底，意大利物理学家伽利略，用一台放大率三十二倍的望远镜开始观测天体，他发现在木星周围有四个暗弱的星体在围绕着它运转（也就是后来我们称的伽利略卫星），这彻底宣告了托勒密地心体系的终结，因为人类第一次发现了有天体围绕不是地球的行星在运行。

既然日心说已被证实，但有一个问题还没解决：究竟是什么原因维持着这些天体的运动？开普勒曾经猜想也许是磁力，这个时候，牛顿终于出场了，这就是我们高中物理都学过的"万有引力"：一个大质量的物体，才可以把一个较小的物体吸引到自身上来，所以，苹果才会从树上落下来。

也是"万有引力"使得人能够站在移动的地球上。

"万有引力"让宇宙中所有的行星保持运动，宇宙也因此而永恒不变。

科学工作不可能到此而至，日心说只是一大进步，我们仍然有很多的疑问不明白，既然可以通过几何的方法测出地月距离，而且拥有了更加先进的天文望远镜，我们能否通过各种天文现象测出地球与太阳之间的距离吗？日心说能否满足我们的科学家呢?1772年，法国天文学家潘格雷在分析了1769年金星凌日时各国天文学家的全部观测资料后，得出太阳与地球的距离为1.5亿公里。

这时人们开始在想能否测量恒星到地球的距离呢。

其实伽利略早就提出了测量恒星到地球距离的方法：由于地球围绕着太阳运转，如果把地球围绕着太阳运转的轨道两端作为观测点，看看两点上所观测到的恒星的位移，这就是三角测量，就可计算出来。

我们现在知道织女星离我们有26 光年，也就是说织女星发现的光要过26年后，才能到达地球，这么远的距离，曾经在我们的思想中几乎没有概念。

1845年，爱尔兰中部的第3代罗斯伯爵威廉·帕森斯，建造了一架口径1.8288米，重达10吨的当时世界上最大和倍率最高的望远镜。

用这架望远镜，帕森斯伯爵看到了有史以来人类所没有见过的旋涡星系。

天文学家们后来了解到，这个旋涡星系的距离为2100万光年，远远超出了银河系10万光年的范围。

看来太阳在广阔的银河系面前真的很渺小，我们不免有些失望，但科学就是这样，总给人惊喜也给人失落。

1880年前后，哈金斯对太阳光谱中构成谱线的化学元素进行分析，发现太阳和恒星的光谱线中，都有着清晰的氢和氦的特征线。

太阳和恒星主要是由氢和氦构成的。

太阳只不过是一颗普通的恒星。

我们这时应该明白，地球不是宇宙的中心，太阳也同样不是宇宙的中心。

宇宙是怎样产生的呢？我们先不急于讨论这个，你也许听说过相对论这个词语，但是他对部分人来说太难以理解了，试想一下，如果我们的世界不是牛顿所设想的那样建立在经典物理学上，一切物理规律都失效，那真正的宇宙世界会多么的神奇、多么让人不可思议。

天才爱因斯坦也承认宇宙来源于一次大爆炸，这个结论如何得出呢，让我们用最专注的目光聚焦于这伟大理论的发展历程。

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦，发表了一篇关于运动物质中电磁现象的论文，狭义相对论由此诞生；10年之后，他又提出了广义相对论。

20世纪以前的物理学建立在牛顿绝对时空观的基础上：时间永恒地均匀流逝，空间是不动的舞台，两者相互独立并且不受物质的影响。

爱因斯坦的革命性发现是：时间和空间是不可分割的统一体，时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲。

在爱因斯坦的理论中，每个物体会对周围的时空产生影响，它们在时空中造成凹陷或扭曲，一个物体经过另一个物体的旁边，路径就会受到扭曲而偏向，这就好像是物质互相吸引一样。

我们将广义相对论通俗话来说，时空就像一个表面上由网格标记的橡胶膜，放在橡胶膜上的重物看成是恒星或整个星系，网格代表时间和空间，重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也越深，那些从附近经过的东西，也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。

可为什么时间和空间会是弯曲的呢？我们可以通过下面的事例来解释：古希腊的时候，数学家欧几里德，发展了一套几何学理论，也就是我们初中学过的几何，其中的第五公设，可以推出三角形的三个内角之和为180度，于是我们就把符合欧几里德这套几何学的空间叫做平直空间。

19世纪初，德国数学家高斯、匈牙利数学家鲍耶、俄国数学家罗巴切夫斯基等人提出了非欧几何的概念，他们认识到，除了平直空间以外，没有第5公设的非平直空间在逻辑上是可能的，三角形的内角之和未必是180度，如在球面上画一个三角形，其内角和是大于180度的。

所以空间是会发生弯曲的。

爱因斯坦利用非欧几何里在1917年提出了一个宇宙模型。

这个模型的空间部分是一个球面，弯曲的空间使得宇宙看起来是有限的，因此可以避免引力变成无限大的问题。

但是爱因斯坦发现，和牛顿的宇宙一样，这个模型里的物质也很难保持静止不动，于是爱因斯坦就在他的广义相对论方程当中加入一个表示斥力的一项：宇宙学常数。

但是这个常数却遭到了数位科学家的质疑，1931年，爱因斯坦访问威尔逊山天文台，哈勃是主人，勒梅特也赶到加州和他们见面。

他们推心置腹的讨论了各自的观点，最终的说法，认为宇宙是从一个原始原子开始，不断分裂膨胀而成的，就如同一颗小小的橡果，长大成为一棵参天的橡树那样，这就是宇宙大爆炸理论的由来，同时爱因斯坦承认引进"宇宙学常数"是他一生最大的失误。

但是，剑桥大学的数学家弗里德·霍伊尔却反对宇宙起源于一次大爆炸的说法，他提出了一个尖锐的问题：如果宇宙起始于一次大爆炸，在那种高温高热状态下所产生的辐射，一定会在太空中留下某种痕迹，即使是在大爆炸已经过去了140亿年的今天，也应该能找到哪怕一丁点儿辐射痕迹的残留。

可问题是，这个痕迹能找到吗?问题一直在继续，我们相信宇宙的模样一定能够被人类发现。

爱因斯坦曾认为宇宙空间是球型的，弗里德曼则提出过双曲型的宇宙，介于两者之间的是平直空间。

我们生活的宇宙究竟是哪一种几何形状呢？我们先来了解一下临界密度的概念，根据爱因斯坦的广义相对论方程，定义出了临界密度的概念。

如果宇宙空间中物质的平均密度等于临界密度，那么宇宙空间就是我们所熟悉的平直空间，如果大于临界密度，宇宙空间就是封闭的球形，如果小于临界密度，宇宙空间就应该是开放的双曲形。

临界密度的数值是非常小的，狄基认为，这里有个奇怪之处，这意味着在大爆炸后的一秒钟，宇宙物质密度与临界密度相差不超过一百万亿分之一，否则今天的宇宙密度就会远远偏离临界密度。

这个奇怪的现象狄基他自己也无法回答。

在听了狄基的报告后不久，古思开始和华裔物理学家戴自海合作，研究宇宙大爆炸中磁单极产生的问题。

（注：磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布）古思意识到，为了解决磁单极问题而提出的暴胀理论，其实也可以解决狄基的宇宙几何问题：如此剧烈的膨胀会把原来弯曲的空间拉直，这就好像我们用力拉一块褶皱的橡皮膜可以把它拉平一样。

因此，如果在宇宙的极早期发生过一次暴胀，那么我们可观测的这部分宇宙几何就非常接近平直空间了。

当古思提出他的暴胀理论的时候，科学家们早已发现，宇宙中还存在着一种神秘的不发光的物质，即：暗物质。

1934年，加州理工学院的第一位从事天体物理研究的学者瑞士籍的弗里兹·兹威基教授，研究了星系团内星系的运动，首次提出了暗物质存在的可能性：星系团内德星系理论上是不能产生很大的引力而使成百上千的星系被自身所束缚，它们的运动速度与引力必须达成平衡，引力越强，运动速度越快。

一定还存在着其他我们看不见的物质，兹威基把它称之为暗物质。

暗物质存在的直观证据是引力透镜现象。