天盟传媒 - 一个会员自行传媒的平台，人人都是传媒者！

标题: 宇宙的机密 [打印本页]

作者: 小馨馨 时间: 2022-9-21 09:27
标题: 宇宙的机密
本书内容包括了有宇宙的诞生、宇宙的大小、超等大爆炸、宇宙的样子、宇宙的中央、宇宙的运气、将来人类的舞台、宇宙末日、下编：太阳系、太阳的佳构、行踪难觅的水星、浓云密布的金星、并不“火”的火星、行星之王——木星、土星不“土”、遥远的三大行星、地球——人类的母亲、地球的守护神——月球、不甘寂寞的“小字辈”、——彗星、流星、小行星等。
上编宇宙揭秘

宇宙的诞生
人们常常怀着不解之谜，问：宇宙是永远稳定的吗？宇宙有多大？宇宙是什么时候诞生的？宇宙中的物质是怎么来的？等等。
人类当第一次把眼睛投向天空时，他就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生的。以是，各个民族，各个时代都有种种关于宇宙形成的传说。不过那都是创建在想象和抱负基础上的。今天，固然科学技能已经有了很大进步，但关于宇宙的成因，仍处在假说阶段。归纳起来，大致有以下这么几种假说。
到目前为止，许多科学家倾向于“宇宙大爆炸”的假说。这一观点是由加莫夫和弗里德曼提出来的。这一假说认为，约莫在２００亿年从前，构成我们今天所看到的天体的物质都会集在一起，密度极高，温度高达１００多亿摄氏度，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来不知什么缘故原由，原始火球发生了大爆炸，构成火球的物质飞散到四周八方，高温的物质冷却起来，密度也开始低落。在爆炸两秒钟之后，在１００亿摄氏度高温下产生了质子和中子，在随后的自由中子衰变的１１分钟之内，形成了重元素的原子核。约莫又过了１００００年，产生了氢原子和氦原子。在这１００００年的时间里，散落在空间的物质便开始了局部的团结，星云、星系的恒星，就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中，大部分气体变成了星体，此中一部分因受到星体引力的作用，变成了星际介质。
１９２９年，哈勃对２４个星系举行了全面的观测和深入的研究。他发现这些星系的谱线，都存在明显的红移。根据物理学中的多普勒效应，这些星系在朝阔别我们的方向奔去，即所谓退行。而且，哈勃发现这些星系退行的速度与它们的隔断成正比。以是说，离我们越远的星系，其退行速度越大。这种观测事实证实宇宙在膨胀着。那么，宇宙从什么时候开始膨胀？已膨胀多久了？根据哈勃常数Ｈ＝１５０千米／（秒·千万光年），这个意义是：隔断我们１０００万光年的天体，其退行的速度为每秒１５０千米。从而盘算出宇宙的年事为２００亿年。也就是说，这个膨胀着的宇宙已存在２００亿年了。
２０世纪６０年代，天文学中的四大发明之一的微波背景辐射认为，星空背景普遍存在着３Ｋ微波背景辐射，这种辐射在天空中是各向同性的。这似乎是当年热大爆炸后遗留下的余热。从某种意义上，这也是支持了大爆炸宇宙学的观点。但是，热大爆炸宇宙学也有些根天性题目没办理。如大爆炸前的宇宙是什么样？大爆炸是怎么引起的？宇宙的膨胀将来是什么格局？
第二种是“宇宙永恒”假说。这种假说认为，宇宙并不是像人们所说的那样动荡不定，自从开天辟地以来，宇宙中的星体、星体密度以及它们的空间运动都处在一种稳定状态，这就是宇宙永恒假说。这种假说是英国天文学家霍伊尔、邦迪和戈尔特等人提出来的。霍伊尔把宇宙中的物质分成以下几大类：恒星、小行星、陨石、宇宙灰尘、星云、射电源、脉冲星、类星体、星际介质等，认为这些物质在大尺度范围内处于一种平衡状态。就是说，一些星体在某处湮灭了，在另一处肯定会有新的星体产生。宇宙只是在局部发生变化，在团体范围内则是稳定的。
第三种是“宇宙层次”假说。这种假说是法国天文学家沃库勒等人提出来的。他们认为宇宙的布局是分层次的，如恒星是一个层次，恒星聚集构成星系是一个层次，许多星系联合在一起构成星系团是一个层次，一些星系团构成超星系团又是一个层次。
综合起来看，以上种种假说固然说明白模式的部分原理，但照旧缺乏概括性，还有继续探究的须要。
１.大爆炸说
我们的宇宙有劈头吗？如果有劈头，它来自哪里呢？
早在１９２７年，比利时天文学家勒梅特就指出，宇宙在早期应该处于非常稠密的状态。１９３２年，勒梅特进一步提出，宇宙劈头于被称为“原始原子”的爆炸。１９４８年，美国科学家伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼提出了“热大爆炸宇宙学”，认为宇宙开始于“原始火球”的一次巨大爆炸，在这个过程中，碎片不停在空间中自身膨胀。
伽莫夫等人创建这一理论的最初目标，是为了说明宇宙中元素的劈头的。因此他们将宇宙膨胀和元素形成联系起来，提出了元素的大爆炸形成理论。按照这一理论，宇宙大爆炸初期天生的氦丰度为３０％，而由恒星内部核合成的氦丰度只有３％～５％。别的的氦丰度只能来自宇宙大爆炸的核合成，从而证实了热大爆炸宇宙学的理论预言。
热大爆炸宇宙学认为，宇宙膨胀是按“绝热”的方式举行的，宇宙是从热到冷演变的。在宇宙早期，辐射和物质的密度都很高，光子颠末很短的路程就会被物质吸收或散射，然后物质再发射出光子，辐射和物质频仍地相互作用。宇宙对辐射是不透明的，到达热平衡状态，辐射符合黑体辐射的规律。当宇宙温度降落到约莫３０００Ｋ时，质子与电子联合成氢原子，对辐射的连续吸收大大淘汰，物质跟辐射险些不再相互作用了，宇宙对辐射变得透明，光子可以在空间自由地穿行。宇宙的热辐射重要是可见光和红外线。时至本日，由于宇宙膨胀带来的红移，使温度为３０００Ｋ的宇宙辐射的最大强度移到微波波段，称为宇宙微波背景辐射。阿尔弗等人盘算出与微波背景辐射相对应的温度为５Ｋ左右。１９６５年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在７.３５厘米波长上，吸收到了各方向的来自宇宙的微波噪音，噪声的信号强度等效于温度为３.５Ｋ的黑体辐射。微波背景辐射的发现，有力地支持了热爆炸宇宙模型。因此，大爆炸宇宙学得到大多数科学家的认同。
２.无中生有
１９４８年后期，英国科学家邦迪·戈尔德和霍伊尔创建了一种模型，这一模型创建在完全宇宙学原理之上，即除了宇宙是匀称的、各向同性的假设之外，还增长了宇宙不随时间变化的假设。在这种宇宙模型中，宇宙是无穷的，没有开端也没有闭幕，而且不停保持同样的状态。无论在什么地方，在什么时候，观测者看到的宇宙总是相同的。这种宇宙模型中，宇宙劈头的题目是不存在的。面对宇宙膨胀的事实，怎样能使宇宙的状态稳定呢？邦迪等人认为，宇宙中不停产生新的物质，其产生率和因宇宙膨胀造成的密度减小度相称，从而使宇宙物质密度保持恒定，不随时间变化。这种模型叫做稳恒态宇宙模型。
新的物质是从哪里产生的呢？他们主张，新的物质并不是由能量转化而来，而是从虚无中产生的，这也等于认可能量也是从虚无中产生的。按照稳恒态宇宙模型，每立方米的空间体积内，每１０９年产生一个氢原子。这个数值太小了，无法由观考试证，此外它也违反了一些普遍适用的守恒规律，如物质守恒定律和能量守恒定律等。从观测角度看，类星体的空间分布表明，过去的类星体比现在多得多，而稳恒宇宙模型主张类星体的数目任何时候都一样，这和观测事实不符。此外，这个模型也难以解释宇宙微波背景辐射。
３.暴胀宇宙学
由于大爆炸宇宙学得到观测事实，如星系红移或宇宙膨胀，３Ｋ宇宙微波背景辐射以及氘和氦的丰度的证实，因此已被大多数科学家认可，称为尺度宇宙模型。
但是，这个学说也有些难以办理的困难，如（１）奇点题目。即原始火球的温度和密度均为无穷大，这是物理学中很难接受的。（２）匀称性题目。观测表明，微波背景辐射之间应当是有联系的，但大爆炸将宇宙各部分迅猛撕裂开，不允许有这种联系。（３）平直性题目。尺度宇宙模型认为宇宙空间曲率可能有正、负、零三种，但各种丈量宇宙物质均匀密度的方法，所得出的值均接近于临界密度，即宇宙空间曲率很小，接近于零。这是偶尔的吗？为什么会如许呢？（４）磁单极子题目。尺度宇宙模型中大统一理论认为，应当产生的磁单极子非常多，但我们并没有探测到任何磁单极子。（５）小尺度不匀称性题目。即星系形成及星系的非匀称分布题目。
１９７９年～１９８１年，美国科学家古思、温伯格和威尔茨克三人提出暴胀宇宙学理论。这个学说认为，在大爆炸后不到１０－３５秒的瞬间，宇宙敏捷膨胀，故称为暴胀。暴胀连续了１０－３２秒，但在此非常短的时候内，宇宙的体积却以指数式增大了１０４３倍!
在暴胀宇宙模型中用以形貌时空的场，既不是磁场或引力场，也不是形貌物质的场，而是用具有类似真空性质的所谓希格斯场。希格斯场可以或许产生不稳定性，这些不稳定性触发时空剧烈敏捷膨胀。如果认为大爆炸从前宇宙就是希格斯场的情势，就可能避开奇点题目。其次，在暴胀宇宙模型中，膨胀很快，但具有相互联系的范围敏捷变大，从而办理了匀称性题目。第三，暴胀宇宙模型中的宇宙比尺度模型中的宇宙要大得多，因而看上去要平直得多，从而解释了为什么宇宙是平直的题目。第四，大统一理论认为磁单极子是在“对称相”转变为“非对称相”的过程中产生的，产生的数量与相转变速度成正比例，暴胀宇宙模型中相转变比力迟钝，因而磁单极子也较少。第五，这种学说认为引力强度在宇宙暴胀过程中不是恒量，引力强度变化方式与宇宙膨胀的速率有关，并导致宇宙膨胀速率减慢。当暴胀阶段终了，宇宙过渡到今天所见到的平缓的膨胀状态，物质分布不匀称现象便产生了。这为办理小尺度上不匀称性指明白方向。
宇宙的大小
宇宙到底有多大？这个题目很专业，但常人要明白也不难，你先把太阳想象成一个南瓜，约莫２５００亿个南瓜堆成了银河系，而无数如许的“南瓜堆”，又分布在一个假想中的“空心球”里。这个“空心球”的半径是１.５亿公里，相称于从地球到太阳的隔断，即所谓１个“天文单位”，这就是宇宙的大小。而我们的地球在这个体积为９.５亿立方公里的“空心球”里，不过像一颗绿豆而已。
这个代表宇宙的“空心球”，总共由１亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿粒子构成，此中每一个星系、每颗恒星和行星以及我们每一个人，就是由这一堆基本粒子构成的。这个有限的宇宙是人类用哈勃望远镜看到的，它所观察到的最远星系隔断我们１５０亿光年，再远点就什么都看不到了。就跟宇宙中的全部基本粒子可以或许数清一样，至少从理论上说，在肯定的时间内我们能看见宇宙中的“最后一颗恒星”。
但这并不意味着那颗最后的恒星上面写着一行字：“这是宇宙的止境，请往回走”。事实上宇宙空间是有限无界的。我们的地球就是如许一个有限的空间，你在它的表面上无论朝哪个方向走，无论走多远，你都不可能找到地球的“边界”，地球的体积是有限的，它的半径不过才６０００多公里，以是终极你将回到出发点。爱因斯坦的“广义相对论”说的正是这码事儿：宇宙中无数巨大星系（就是那些“南瓜堆”）的巨大重力作用，会使整个宇宙空间发生弯曲，终极卷成一个球形，光线沿这个球面空间的运动轨迹也是弯曲的，并且永远达不到宇宙的边界。
这个“空心球”之外又是什么呢？置身此中的人类至少目前无法回答，只能请出“天主”，大概说“天主”自己就是答案。就连当今世界最杰出的“相对论”专家、剑桥大学的霍金教授也指出，追溯这类终极题目会使人感到，天主存在的可能性至少有５０％。罗马教皇保罗二世为此大喜并亲自接见了他，同时要求他停止窥视天主的机密。但霍金拒绝了，仍孜孜不倦探索宇宙终极奥秘，想给出科学的解释。
实在你完全可以把自己想象成“天主”，然后再来观察这个“空心球”，你就会发现它的体积并非固定稳定，而是在不停膨胀，就像一个被渐渐吹胀的气体一样。
“宇宙”这个词，古已有之。但其寄义与今天已大不一样了。对“宇宙”的认识从自身居住的附近地区到地球，到行星，再到太阳，太阳系，其间经历了漫长的汗青过程。
到了１８世纪，在人们眼里，宇宙还只是太阳系。随着科学技能的发展，人们认识到：地球不是太阳系的中央，太阳才是太阳系的中央。而太阳也只是天空中数以万计的恒星中的一颗。于是，人们心目中的“宇宙”，开始渐渐扩展到了银河系。到了１８世纪以后，才弄清了太阳只不过是银河系中密密麻麻恒星中的一颗。
银河系直径约１０万光年，厚度约１万光年，太阳绕银河系中央旋转一周需２亿年。
近代，人们的认识范围渐渐扩大，人们心目中的“宇宙”已不再是银河系。人类已经认识到：在银河系以外，还有许多“河外星系”的存在。
这些“河外星系”离我们很远，以是即使通过大型的望远镜，看到的它们也仅仅是一些模糊的光点。它们也是由千千万万颗恒星构成的。
十几个或几十个星系在一起构成“星系群”，我们的银河系就同它四周的１９个星系构成了一个“星系群”，这个星系群的直径约莫为２６０万光年。
比“星系群”更高一级的星系组织是“星系团”，它由成百上千个星系构成。“室女星座”里有一个星系团，包含１０００个以上的星系，离我们约莫２０００万光年。“后发星座”里，包含了２７００个星系，隔断我们约莫２亿４千万光年。“北冕星座”里，有一个包含４００个星系的“星系团”，离我们更远，光从那边照射到地球，整整需要７亿年之久！
这一个个“星系团”，共同构成了我们的总星系。
通过相识人们认识宇宙的过程，我们已经可以初步来回答“宇宙有多大”这个题目了。人们从自身居住的区域认识到地球，又从地球认识到太阳系，眼界扩大了成百上千倍。从太阳系认识到银河系，眼界扩大了一亿倍，从银河系认识到总星系，眼界扩大１００００亿倍。随着人们认识的不停深化，宇宙的大小也在不停扩大。几十年前，总星系的半径还只有１０亿光年，现在却已到达１００亿光年之遥。总星系大小的不停扩大，还给许多科学家开了一个不小的玩笑。比方鼎鼎大名的爱因斯坦，他曾经“盘算”出宇宙的半径为１０亿光年，后来他又修订了“盘算”，认为宇宙的半径是３５亿光年。事实证实，他的宇宙大小的范围一次又一次被突破了。
那么，宇宙到底有多大？宇宙是有限的照旧无穷的呢？
从天文学角度上说，宇宙是有限的，宇宙的大小，实际可以认为是总星系的大小，是一个以肯定长度为半径的有限的时间和空间范围。总星系是目前天文学所能探测到的最远的世界。目前，人们对宇宙的认识只能范围于总星系。从哲学角度上说，从哲学家发展变化的观点出发，宇宙不仅在空间上是无穷的，在时间上也是无穷的。“天地四方曰宇，往古来今曰宙”。正因为宇宙在时间上和空间上的无穷，才使得宇宙可以或许成为一个统一的团体而存在。
茫茫宇宙，无边无涯。目前认为总星系的半径为１００亿光年，也就是目前我们心目中宇宙的大小。但１００亿光年以外，还可能有数不清的星系和星系团，总星系究竟有多大？它的边沿在哪里？它的中央又在何方？至今仍然是天文学中的不解之谜。超等大爆炸２０世纪最大的科学结果之一，就是发现了宇宙正在膨胀，或称“宇宙大爆炸”。
人们对宇宙的研究是从丈量恒星之间的隔断开始的，这把“量天尺”就是光谱——远处恒星射来的光在光谱上向蓝色一端移动时，说明它离我们较近，如果向红色一端移动，则离我们较远。美国天文学家埃德温·哈勃正是在丈量遥远天体的隔断时惊异地发现，大部分星系发出的光，在光谱上都是向红色一端移动，这就是“红移”。这意味着它们都在以飞快的速度，阔别我们而去。当时测出的最高速度竟达每秒３８００公里，而且星系之间也是越离越远。不管我们位于哪个星系都会看到，其他星系都在飞速离开我们退行，其速度随隔断的增大而增大。
这意味着整个大宇宙每时每刻都在变更，而且非常猛烈，就像发生了一场大爆炸。那些被炸得四散飞去的碎片，不正是相互越离越远的星系吗？反推回去，那么昨天的星系肯定比今天挨得更近，客岁的宇宙也比今年的小，假如我们回到极远的过去，就会看到各个星系紧挨在一起，那时的宇宙小极了，今天宇宙中的全部物质，最后都被压缩到一个“点”上。当压力凌驾临界点时，大爆炸就从这个点上发生了，时间和空间由此开始。爆炸之后天生的宇宙不停膨胀，原来被压缩得无穷精密的物质，就像炮弹爆炸后，弹片四散飞开一样，然后组合成了今天我们所能见到的各种星系、星云。当爆炸后的温度冷下来后，宇宙便开始收缩，最后又回到谁人无穷致密的“点”上——这便是宇宙生命循环的汗青。
美籍俄国物理学家伽莫夫预言，作为大爆炸后渐渐冷却的遗物，今天的宇宙中存在一种温度很低的电磁辐射，即所谓“宇宙背景辐射”。这个预言很快就得到了验证，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊于１９６５年用微波探测器，果然探测到了这种来自宇宙深处的微波辐射，从而证实了“宇宙大爆炸”理论建立，为此他俩荣获１９７８年度的诺贝尔物理学奖。但伽莫夫却什么也没得到，以是当有人问他，宇宙大爆炸开始之前，又发生了什么事呢？伽莫夫不无烦恼地回答：“天主正在为提这个题目的人准备地狱！”
别的一些更前卫的科学家，则为这个刁钻的题目提供了另一种答案——他们使用“宇宙”这个概念时用的是复数，这就是说，我们生存此中的这个宇宙爆炸之前，存在着别的一个乃至多个宇宙，联系它们的通道，就是“黑洞”这一类极端的物理现象了。
宇宙的样子
１９１６年，爱因斯坦发表了闻名的“广义相对论”，应用这一理论，科学家们办理了恒星的演化题目。而宇宙是否是静止的呢？对这一题目，连爱因斯坦也犯了一个大错误。他认为宇宙是静止的，然而，１９２９年哈勃以不可反驳的实行，证实了宇宙不是静止的，而是向外膨胀的。从这个意义上讲，我们可以认为它是不存在的。因此，我们可以认为宇宙是有限的。
“宇宙到底是什么样子？”目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬·霍金的观点，比力让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，照旧从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无穷的。实际上，我们都知道地球是有限的。地球云云，宇宙亦是云云。
怎么明白宇宙比地球多了几维呢？举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类是“三维”的。而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了！它消失了。为什么会得出如许的结论呢？因为它生存在“二维”世界里，对“三维”变乱是无法清晰明白的。同样的原理，我们人类生存在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难懂白清晰的。这也正是对于“宇宙是什么样子”，这个题目无法解释清晰的缘故原由。
匀称的宇宙
长期以来，人们相信地球是宇宙的中央。哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中央。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中央，恒星都是遥远的太阳。
无论是托勒密的地心说照旧哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙是无穷的，从而挑起了宇宙究竟是有限照旧无穷的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无穷的呢？”这个题目确实不容易说清晰。主张宇宙无穷的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢？”这个题目同样也不好回答。
随着天文观测技能的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。而且，银河是由无数太阳系构成的巨大星系，但如许大的星团足有无数个，它们是匀称分布着的。
由于光的传播需要时间，我们看到的隔断我们一亿光年的星系，实际上是谁人星系一亿年从前的样子。以是，我们用望远镜看到的，不仅是空间隔断遥远的星系，而且是它们的过去。从望远镜看来，不管多远隔断的星系团，都匀称各向同性地分布着。因而我们可以认为，宇观尺度上（１０５光年以上）物质分布的匀称状态，不是现在才有的，而是早已云云。
于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时候都是匀称各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。全部的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的汗青。
有限而无边的宇宙
爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生紧张的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的范畴。
爱因斯坦１９１６年发表广义相对论，１９１７年就提出一个创建在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是有边，无穷就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。
一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边沿。以是桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四周八方无穷伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个欧氏平面是无穷无边的二维空间。
我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为ｒ，那么球面的面积是４πｒ２，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的。假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到止境。以是，篮球面是一个有限无边的二维空间。
按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是匀称各向同性的。爱因斯坦认为，如许的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。由于是物质存在的，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦以为，如许的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的，体积是πｒ３，它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的，生存在此中的三维生物（比方我们人类就是有长、宽、高的三维生物），无论朝哪个方面前进均碰不到边。假如它不停朝北走，终极会从南边走回来。
宇宙学原理还认为，三维空间的匀称各向同性是在任何时候都保持的。爱因斯坦以为此中最简单的环境就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。如许的宇宙只要在某一时候匀称各向同性，就永远保持匀称各向同性。
爱因斯坦试图在三维空间匀称各向同性、且不随时间变化的假定下，求解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件（宇宙最初的环境）和边界条件（宇宙边沿处的环境）才气求解。他设想宇宙是有限无边的，而且是静态的。再加上对称性的限定（要求三维空间匀称各向同性），场方程就变得好解多了。但照旧得不出结果。反复思考后，爱因斯坦终于明白求不出解的缘故原由：广义相对论可以看作万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增长了一个“排斥”项，叫做宇宙项。如许，爱因斯坦终于盘算出一个静态的、匀称各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间各人非常高兴，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的，是有限无边的。看来，关于宇宙有限照旧无穷的争论似乎可以画上一个句号了。
膨胀或脉动的宇宙
几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼的宇宙在三维空间上也是匀称的、各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种环境。第一种环境，三维空间的曲率是负的；第二种环境，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种环境，三维空间的曲率是正的。前两种环境，宇宙不绝地膨胀；第三种环境，宇宙先膨胀，到达一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙模型最初发表在一个不太闻名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，非常高兴。他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是准确的宇宙模型。
同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的妖怪，再也收不回去了。后人没有答理爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。
早在１９１０年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。阔别我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率低落，波长变长，并出现光谱红移的现象，即光谱会向长波方向移动的现象。反之，向着我们劈面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过如许的感受：劈面而来的火车其鸣叫声特别锋利难听逆耳，阔别我们而去的火车其鸣叫声则明显痴钝。这就是声波的多普勒效应，劈面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，阔别我们而去的声源发出的声波，我们则感到其频率低落。
如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在阔别我们，只有个别星系向我们靠近。随之举行的研究发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中（我们银河系地点的星系团称本星系团）。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移，而其他星系团中的星系就满是红移了。
１９２９年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系（即我们银河系之外的其他银河系）的红移大小正比于它们离开我们银河系中央的隔断。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，以是，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的隔断成正比：Ｖ＝ＨＤ
式中Ｖ是河外星系的退行速度，Ｄ是它们到我们银河系中央的隔断。这个定律称为哈勃定律，比例常数Ｈ称为哈勃常数。按照哈勃定律，全部的河外星系都在阔别我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。
哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以如许解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在肯定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与团体的宇宙膨胀无关。
哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊奇。在隔断与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不会集在一条直线附近，而是比力分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该刻画成一条直线呢？一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，以是大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越会集在直线附近，哈勃定律终于被大量实行观测所确认。
宇宙有限照旧无穷
现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限照旧无穷？有边照旧无边？对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探究这一题目。
满足宇宙学原理（三维空间匀称各向同性）的宇宙，肯定是无边的。但是否有限，要分三种环境来讨论。
如果三维空间的曲率是正的，那么宇宙将是有限无边的。不过，它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙，这个宇宙是动态的，将随时间变化，不停地脉动，不可能静止。这个宇宙从空间体积无穷小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无穷大、温度无穷高、空间曲率无穷大、四维时空曲率也无穷大。在膨胀过程中宇宙的温度渐渐低落，物质密度、空间曲率和时空曲率都渐渐减小。体积膨胀到一个最大值后，将转为收缩。在收缩过程中，温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率渐渐增大，最后到达一个新奇点。许多人认为，这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。显然，这个宇宙的体积是有限的，这是一个脉动的、有限无边的宇宙。
如果三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的（宇宙中有物质存在，四维时空是弯曲的），那么这个宇宙一开始就具有无穷大的三维体积，这个初始的无穷大三维体积是奇异的（即“无穷大”的奇点）。大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始，爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点。即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点，温度无穷高、密度无穷大、时空曲率也无穷大（三维空间曲率为零）。爆炸发生后，整个“奇点”开始膨胀，成为正常的非奇异时空，温度、密度和时空曲率都渐渐低落。这个过程将永远地举行下去。这是一种不大容易明白的图像：一个无穷大的体积在不停地膨胀。显然，这种宇宙是无穷的，它是一个无穷无边的宇宙。
三维空间曲率为负的环境与三维空间曲率为零的环境比力相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积，这个初始体积也是奇异的，即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无穷高，三维、四维曲率都无穷大。大爆炸发生在整个“奇点”上，爆炸后，无穷大的三维体积将永远膨胀下去，温度、密度和曲率都将渐渐降下来。这也是一个无穷的宇宙，确切地说是无穷无边的宇宙。
那么，我们的宇宙到底属于上述三种环境的哪一种呢？我们宇宙的空间曲率到底为正，为负，照旧为零呢？这个题目要由观测来决定。
广义相对论的研究表明，宇宙中的物质存在一个临界密度ρｃ，约莫是每立方米三个核子（质子或中子）。如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρｃ，则三维空间曲率为正，宇宙是有限无边的；如果ρ小于ρｃ，则三维空间曲率为负，宇宙也是无穷无边的。因此，观测宇宙中物质的均匀密度，可以判断我们的宇宙究竟属于哪一种，究竟有限照旧无穷。
此外，还有另一个判据，那就是减速因子。河外星系的红移，反映的膨胀是减速膨胀，也就是说，河外星系阔别我们的速度在不停减小。从减速的快慢，也可以判断宇宙的范例。如果减速因子ｑ大于，三维空间曲率将是正的，宇宙膨胀到肯定程度将收缩；如果ｑ等于，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀下去；如果q小于，三维空间曲率将是负的，宇宙也将永远膨胀下去。
下表列出了有关的环境：
宇宙中
物质密度红移的
减速因子三维
空间曲率宇宙
范例膨胀
特点ρ＞ρcq＞正有限无边脉动ρ=ρcq=零有限无边永远膨胀ρ＜ρcq＜负有限无边永远膨胀我们有了两个判据，可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明，ρ＜ρｃ，我们宇宙的空间曲率为负，是无穷无边的宇宙，将永远膨胀下去！不幸的是，减速因子观测给出了相反的结果，ｑ＞，这表明我们宇宙的空间曲率为正，宇宙是有限无边的，脉动的，膨胀到肯定程度会收缩回来。哪一种结论准确呢？有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了，如果找到这些暗物质，就会发现ρ实际上是大于ρｃ的。另一些人则持相反的见解。还有一些人认为，两种观测方式固然结论相反，但得到的空间曲率都与零相差不大，可能宇宙的空间曲率就是零。然而，要统一各人的认识，还需要进一步的实行观测和理论推敲。今天，我们仍然肯定不了宇宙究竟有限照旧无穷，只能肯定宇宙无边，而且现在正在膨胀！此外，还知道膨胀约莫开始于１００亿～２００亿年从前，这就是说，我们的宇宙约莫劈头于１００亿～２００亿年之前。
爱因斯坦宇宙模型
根据物理理论，在肯定的假设条件下提出的关于宇宙的设想与推测，称为宇宙模型。
闻名科学家爱因斯坦于１９１６年创建了广义相对论的物理理论。这一理论认为，宇宙中没有绝对空间和绝对时间，无论是空间和时间都不能与物质隔开来，空间和时间均受物质影响；引力是空间弯曲的效应，而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究，１９１７年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文，他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙，创建起一种宇宙模型。
当时科学家普遍认为宇宙是静止的，不随时间变化的。美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移（显然这是对静止宇宙的寻衅），但由于当时正值第一次世界大战，这一消息并没有传到欧洲。因此，爱因斯坦也和大多数科学家一样，认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手，得出一个宇宙是静态的、匀称的、各向同性的答案。但他得到的解是不稳定的，表明空间和隔断不是恒定稳定的，而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解，爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项，让它起斥力的作用。爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型，称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于明白，可把它比喻为三维空间中的一个二维球面：球面的面积是有限的、但沿着球面没有边界，也无中央，球面保持静态状态。几年以后，爱因斯坦得知河外星系退行，宇宙是膨胀的消息后，非常悔恨在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称这是他一生中犯的最大错误。
宇宙的中央
太阳是太阳系的中央，太阳系中行星都绕着太阳旋转。银河也有中央，它四周全部的恒星也绕着银河系的中央旋转。那么宇宙有中央吗？一个让全部的星系包围在中间的中央点？
看起来应该存在如许的中央，但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的，它不仅包括平凡三维空间（长度、宽度和高度），还包括第四维空间——时间。形貌四维空间的膨胀黑白常困难的，但是我们也许可以通过推断气球的膨胀来解释它。
我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动。从某种意义上可以说我们把自己形貌为一个二维空间的人。
如果宇宙不停膨胀，也就是说气球的表面不停地向外膨胀，则表面上的每个点相互离得越来越远。此中，某一点上的某个人将会看到其他全部的点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。
现在，假设我们要探求气球表面上的点退行的地方，那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀实际上是从内部的中央开始的，是在三维空间内的，而我们是在二维空间上，以是我们不可能探测到三维空间内的事物。
同样的，宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间，即亿万年从前，固然我们可以看到，可以获得有关的信息，而我们却无法回到谁人时候。
宇宙的运气
我们的宇宙正在膨胀。它会不停膨胀下去吗？照旧有一天会收缩起来？如果它不停膨胀下去，会出现什么环境呢？这是一个关系到宇宙将来的大题目。
自然界的四种作用，即引力作用、电磁作用、强相互作用、弱相互作用，此中以引力作用最弱，但它在大范围内起作用，而且引力对宇宙的膨胀起着抑制作用。
由于宇宙各部分相互间的引力，使得宇宙的膨胀不停在减速。这种引力的大小取决于宇宙物质的密度，物质密度越大，这种引力也就越大。如果宇宙物质密度高于肯定的值（临界值），则引力将终极足以制止宇宙膨胀；如果宇宙物质密度低于这个临界密度值，则引力不敷大，因而宇宙将永远膨胀下去。研究表明：宇宙中存在着大量不可见的暗物质，如褐矮星、死去的恒星、不发光的气云以及宇宙早期天生的小黑洞等等。迩来，有些科学家发现中微子可能有静止质量，由于宇宙间中微子数量很大，只要中微子具有区区的３０～５０电子伏的质量，就将使宇宙物质密度大于临界密度，那时引力场将充足强，将使宇宙的膨胀在连续相称长时间后停下来，并转为收缩。收缩过程会渐渐加快，直到回复到无穷密集的状态。然后又可能发生大爆炸，宇宙再一次膨胀……宇宙就如许在膨胀、收缩、再膨胀、再收缩间来回振荡。
研究宇宙永远膨胀下去，会出现什么环境呢？一些科学家的研究结果认为：终极宇宙中可能只有由光子、中微子、电子、正电子构成的稀薄等离子体了。不过，那将是１０１００年之后的事。
由于各种因素和现在掌握的数据都不确定，因此我们的宇宙将来运气是怎样的，照旧未办理的题目。
将来人类的舞台
人口的增长，资源的斲丧，能源的不足，污染的蔓延，这一切使得我们这个星球显得太狭小、太拥挤了。猜测将来，人类的衣、食、住、行将越来越困难。到下一世纪，人类就将面对如许一项震撼宇宙的伟大任务：扩大人类运动的舞台，创造一个新世界。
这个新世界的目标是改造太阳系，创建太阳城。太阳系的确需要改造，因为它的能量分布太不合理了：有生命而需要能量的地球，仅仅获得太阳能量的五千亿分之一，太阳的别的能量都白白弥散到茫茫太空中。一方面是节衣缩食，另一方面却在惊人地浪费，人类显然有权提出“均富济贫”的标语，为自己，也为生命争得更舒适的空间。
这是一场革命：重新组构太阳系，以便更有用地使用太阳能。这个胆大包天的思想也不是今天才出现的，早在１８９３年，俄罗斯航空之父齐奥尔科夫斯基就在他的《地球与天空的“梦想”》一书中提到过这个思想。英国物理学家伯那尔发展了这个思想。１９２９年他猜测说，将来，大多数人可能会居住在空中的天体上。
今天，空间科学家已为此勾画出三种独具匠心的方案。在这些方案中，将来的世界比地球大１００万倍。修建如许一个新世界，质料从何而来？科学家们想到了木星，这个罗马神话中的主神朱庇特，太阳系中最大的行星将成为新世界的矿山。
让我们逐一欣赏一下这些方案，或许能把我们的思路拓宽。
第一个方案：迪森球。这是美国普林斯顿大学物理学家迪森提出的方案。将来的人类世界是半径１亿５千万公里的中空球体，将太阳囊括在此中。如许一来，太阳辐射能可以说是点滴不漏了，在中空球的内球面上用绿色植物或光电池把太阳能截留住。迪森球的外表面积是地球的１０亿倍。
人类就居住在球内，这里有地球、类地球、小行星，或人造行星。也有成千上万个形形色色的生命点。这一切都得靠木星解囊相助。迪森的取料设想是用离心力把木星拉散架。木星是个气态行星，自转一周的时间为１０小时。在木星四周修建一个硕大无比的金属网，用太阳能发电的能力使网带电，从而产生巨大的力量终极得到所需质料。取自木星的质料即可用于制作迪森球球壳和人造行星及形形色色的生命点。如许巨大的世界，可供几万亿人居住得舒惬意服。
这个规划与其说是实践性的，勿宁说是可行性的。因为有的科学家认为，这个设想也许需４万年才气实现。然而也有一些科学家不这么看，他们认为，只要在下一世纪人类能研制出一种核弹而把木星炸毁，改造世界的工程便可开始。有人乃至说，迪森球工程业已破土，听说就是人造卫星、星际探测船已经上天，第一个空间站也表明人类的计划比大自然的创造更高效。
第二方案：环形世界。这是一个像程度转动着的无辐条车轮一样的环形世界，太阳位于轮壳中央，球半径也是１亿５千万公里，环的厚度不到１公里，转速达每秒１２００公里。
为了防止大气逃逸，可能需在环边修建一道高达１６００公里高的山脉或墙壁。为了模仿生命已习惯了的白天与黑夜的变化，在靠近太阳的四周将另建一道环，环上瓜代地出现透光带和不透光带，以到达白天、黑夜的效果。人类在这方面还可以玩点新花样，比如为所欲为地创造出白天长短，又可创造出各种季节变化。这个方案比起第一个方案来的优点是用料较省，因而不消过多地贫苦朱庇特。此外，迪森球内可能没有重力，需创造出模仿重力，而环形世界由于环的自身则不需模仿重力，尽管这个世界中的重力是指向环外的。
第三个方案：阿尔德森盘。这是美国喷气推进器试验室的Ｄ·阿尔德森构思的方案。盘形世界的表面就像是个留声机唱片，太阳位于此中央，重力垂直于盘的表面（除开盘边之外）。盘的南缘处也需修筑一道１６００公里高的墙，以防太阳把新世界的大气吸走。
今天看来，这些方案太像是神话。说真的，构思这类方案的人都是将来学家。题目是，人类是否真的需要扩大自己的世界？还要看怎么说了。当今世界人口增长率为３％，每３５年即翻一番，若能将增长率控制到１％，翻番的时间将延到６９年，按现在燃料斲丧率盘算，地球上的化学燃料尚可维持１００年。从这个角度看，上述方案就不是天方夜谭。
也许人类将来可以或许用巨大的激光炮把太阳改造成可控的超新星，让太阳内部的核反应加快，为地球劳绩更多的能量。也许人类有更雄伟的盼望，创造出一个超球体世界，将银河系的中央包容起来。
也许会有人说，提出如许的人类将来图画，与其说是美好，倒不如说是恐怖，实在，这仅仅是假想而已。
宇宙末日
宇宙有没有闭幕的一天？宇宙将会怎样闭幕？是“砰”然的一声大爆炸，照旧渐渐灭亡？本地球人在无数个夜晚，悄悄地仰望光辉光耀星空，对生命、对宇宙浮想联翩的时候，总会从心田深处发出如许的疑问。
根据科学家使用天文望远镜获得的最新观测结果，宇宙终极不会变成一团熊熊燃烧的猛火，而是会渐渐衰变成永恒的、酷寒的黑暗。这听起来似乎太骇人听闻了。然而地球人或许没有须要杞人忧天。因为地球人暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。根据科学家的推测，宇宙很可能至少将目前这种适于生命存在的状态再维持１０００亿年。这个巨大的数字相称于地球汗青的２０倍，大概，相称于智人（现代人的学名）汗青的５００万倍。既然它将发生在云云遥远的将来，对地球人今天的生存就不会有丝毫影响。
与此同时，科学家又指出：没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会突然消失。但是，随着时间的推移，它可能会让人以为越来越不惬意，并且终极变得不再适于生命存在。
这种环境将会在什么时候出现呢？又会以怎样的方式出现呢？
自从２０世纪２０年代，天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来，“大爆炸”理论不停没有摆脱被修改的运气。根据这一理论，科学家指出，宇宙的终极运气取决于两种相反力量长时间“拔河角逐”的结果：一种力量是宇宙的膨胀，在过去的１００多亿年里，宇宙的扩张不停在使星系之间的隔断拉大，另一种力量则是这些星系和宇宙中全部其它物质之间的万有引力，它会使宇宙扩张的速度渐渐放慢。如果万有引力足以使扩张终极停止，宇宙注定将会坍塌，终极变成一个大火球——“大崩坠”，如果万有引力不足以阻止宇宙的连续膨胀，它将终极变成一个漆黑的寒冷的世界。
显而易见，任何一种了局都在预示着生命的灭亡。不过，人类的终极运气还无法确定。因为目前，人们尚不能对扩张和万有引力作出准确的估测，更不知道谁将是最后的胜利者，天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。
这种不确定因素又是什么呢？科学家指出，这一不确定因素涉及到膨胀理论。根据这一理论，宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间，在这个空间里，最初的膨胀速度要比光速快得多。然而，在膨胀竣事之后，终极推动宇宙高速膨胀的力量也许并没有完全消退。它可能仍然存在于宇宙之中，潜伏在虚无的空间里，并在冥冥中不停推动宇宙的连续扩张。为了证实这种推测，科学家又对遥远的星系中正在发作的恒星举行了多次观察。通过观察，他们认为这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。
倘若真是如许的话，决定宇宙将来运气的就不仅仅是宇宙的扩张和万有引力，还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力所产生的涡轮增压作用有关，而它可以使宇宙无穷扩张下去。
但是，人们最关心的或许是智慧生命自己。人类将在宇宙中饰演什么脚色呢？难道人类注定要灭亡吗？人类已经在越来越快地改变着地球，使用着自己的生存环境，也许到那时，人类会以自己的智慧智慧得胜。谁知道呢？且让将来的地球人和地外一切生命拭目以待吧。人类对宇宙的认识永远没有终极，认识穷尽的那天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。正如爱因斯坦在写给一个对世界的运气感到担心的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的题目，我的意见是：等着瞧吧！”

欢迎光临天盟传媒 - 一个会员自行传媒的平台，人人都是传媒者！ (https://tianmg.com/mp/)