简答题

简述宇宙的未来?

正确答案

按照大爆炸模型,宇宙在诞生后不断膨胀,与此同时,物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。这里有两种可能:
一种可能是宇宙膨胀将永远继续下去。如果宇宙总质量小于某一特定数值,则引力不足以阻止膨胀,宇宙就将一直膨胀下去。在这个系统里,引力虽不足以使膨胀停止,但会不断地消耗着系统的能量,使宇宙缓慢地走向衰亡。宇宙越来越稀薄和寒冷,直至物质本身最后衰亡,只剩下宇宙背景辐射。到非常遥远的将来,所有的恒星燃尽熄灭,茫茫黑暗中潜伏着一些黑洞、中子星等天体。出现寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙,它已经走完了自己的历程,达到了“热寂”的状态。
另一种可能是膨胀停止而代之以收缩。如果宇宙的总质量大于某一特定数值,那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩,造成与大爆炸相反的“大坍塌”。收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的,像一场倒放的电影。在最后的时刻实现“大紧缩”,宇宙逆转回到出发点。引力成为占绝对优势的作用力,所有的物质都因挤压不复存在,一切有形的东西,包括空间和时间本身,都被消灭,成为一切事物的末日。宇宙在大爆炸中诞生于无,此刻也归于无。
宇宙是膨胀还是收缩这两种可能主要取决于宇宙物质的总量。根据目前的估算,宇宙物质的总量只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右,因此如果仅仅依据观测证据,则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。但是可能还有其他种类的暗物质未被我们探测到,可能最普通的基本粒子中微子也存在静止质量,只要其中任何一个问题的答案是肯定的,那么总引力便足以阻止膨胀,宇宙最终可能会坍缩。
此外,宇宙大爆炸学说在两个关键问题上无法解释:其一,大爆炸以前宇宙的图景如何?大爆炸宇宙的理论不能外推到大爆炸之前,尚不能确切地解释“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西,是什么引起了大爆炸。其二,如果宇宙最终重新坍缩回到原点,又会发生什么?有天文学家提出了宇宙“无始无终”论:宇宙一直在反复地收缩然后又膨胀着。宇宙曾经处于体积非常大、物质密度非常小的状态,它在万有引力作用下渐渐收缩、聚拢起来,直到所有的物质统统撞到一起为止。这样的宇宙被称为收缩宇宙。然后,它突然爆炸了,结果形成我们今天观测到的这个膨胀宇宙。今天的宇宙膨胀将被不断起作用的引力所抵消,最终引力迫使宇宙的膨胀完全停顿下来,进而又转为收缩。因此有可能宇宙并没有什么开端,它一直在反复地聚拢然后又分开,分开而后又聚拢,聚拢分开永无止境。这样的一幅图景被称为振荡宇宙。
宇宙的过去和未来究竟是怎样的?相信科学终将会作出令人信服的回答。

答案解析

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  • "宇宙大爆炸理论"是现代宇宙学中最著名、也是影响最大的一种学说,它是到目前为止关于宇宙起源最科学的一种解释。大爆炸理论的主要观点是认为整个宇宙最初聚集在一个"原始原子"中,然后突然发生大爆炸,使物质密度和整体温度发生极大的变化,宇宙从密到稀、从热到冷、不断膨胀,形成了我们的宇宙。最初那次无与伦比的爆发就被称为大爆炸,这一关于宇宙起源的理论则被称为宇宙大爆炸理论。 宇宙大爆炸的设想最早由比利时天文学家勒梅特在1932年提出的。到20世纪40年代,美籍俄国天体物理学家伽莫夫提出了热大爆炸宇宙学模型,并计算出爆炸之初的温度、温度下降的快慢等,论述了演化过程。大爆炸理论在诞生之初由于缺少证据并不使人信服,但到20世纪60年代以后,越来越多的证据表明大爆炸模型在科学上有强大的说服力,特别是英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金对于宇宙起源后最初的宇宙演化图景作了清晰的阐释。 根据大爆炸宇宙学模型的观点,宇宙150亿年的演化过程分为三个阶段。大爆炸的整个过程大致是这样的: 大约150亿年前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大。突然,这个体积无限小的点在四大皆空的"无"中爆炸了,时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。人们将大爆炸的瞬间定作宇宙年龄"零"时。 第一个阶段是宇宙的极早期。宇宙处在这个阶段的时间特别短,短到以秒来计,称为"太初第一秒"。刚刚诞生的宇宙是极其炽热、致密的,随着宇宙迅速膨胀,温度急速下降。宇宙年龄为百分之一秒时,温度降到1000亿摄氏度;宇宙年龄为1秒时,温度继续下降,但仍高达100亿摄氏度以上,宇宙处于一种极高温、高密的状态,当时除氢核--质子外,没有任何别的化学元素,只有由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成,成为热平衡状态下的"宇宙汤"。 第二个阶段是化学元素形成阶段,大约经历了数千年。在"宇宙汤"中,原先只有中子和质子等基本粒子,在3分钟时中子和质子之比为1:6。随着整个宇宙体系不断膨胀,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,化学元素从这一时期开始形成。中子和质子开始核聚变过程,所有的中子迅速合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中,余下的质子就成了氢原子核。这一时期还合成了其它轻元素,如氘、氚、锂、铍、硼等,数量较少。各种轻元素的丰度--即与氢的比例在宇宙各处都是一定的。当温度进一步下降到100万摄氏度时,早期形成化学元素的过程就结束了。此时宇宙间的物质主要是这些比较轻的原子核和质子、电子、光子等,光辐射很强,但是没有星体存在。 第三个阶段是宇宙形成的主体阶段。这个阶段的时间最长,至今我们仍生活在这一阶段中。这一阶段起始于温度降到几千摄氏度时,此时上述各种原子核开始与电子结合为中性原子,这一过程称为复合。由于温度的降低,辐射也逐步减弱,宇宙间主要是气态物质,这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块。又过了几十亿年,中性原子在引力作用下逐渐聚集,先后形成了各级天体。气体逐渐凝聚成星云,并逐渐演化成星系、恒星和行星,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。在个别天体上还出现了生命现象,人类也终于在地球上诞生了。简述伽莫夫、斯蒂芬·霍金对大爆炸理论的贡献?

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