现代物理学基础的思考之九:大爆炸理论的思考 目录 第一章 大爆炸理论1、经典力学框架下的宇宙观2、宇宙背景辐射3、哈勃定律的提出4、大爆炸理论简介5、大爆炸理论的实验根据6、大爆炸理论的经典力学基础7、大爆炸理论的广义相对论基础8、大爆炸理论与现代物理学基本原理之间的矛盾9、 相对性原理和宇宙学原理的疑难10、大爆炸理论与广义相对论的矛盾11、大爆炸理论的天文学困难 12、局爆宇宙学及其实验证据13、局爆宇宙学的困难 14、宇宙自然选择学说简介第二章 宇宙无限论 1、宇宙论中时间箭头的争论 2、量子力学与热力学中的随机性 3、光度佯谬及其解释 4、引力佯谬及其解决 5、宇宙无限论的实验基础 6、宇宙无限论的理论基础 第一章 大爆炸理论 1、经典力学框架下的宇宙观 遂古之初，谁传道之？ 上下未形，何由考之？ 圜则九重，孰营度之？ 翰维焉系？天极焉加？ 八柱何当？东南何亏？九天之际，安放何属？ 隅隈多有，谁知其数？ 天何所沓？十二焉分？ 日月安属？列星安陈？ -屈原，天问 物理学家弗里敦说过：“所有的物理学定律最终都是从宇宙中获取信息的，从牛顿定律到量子力学的所有原理都可以用同一种方法推导出来。”亚里士多德认为时间既是事物运动的尺度也是事物静止的尺度，实质上已得出了时间是物质持续性的量度，时间既不是运动，又不能脱离运动，它依赖于物质的运动而客观存在着。时间是无限的，即时间在量上是无限的，又是无限可分的。宇宙既不生成，也不可能消灭，是单一的和永恒的，它的整个时期既无开端也无终结，在自身包含着无限的时间。【1】16世纪前，人们只能凭肉眼看到六、七千颗星体。1539年哥白尼提出日心说，人类对宇宙的认识进了一大步。 波兰天文学家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473-1543）1536年写成天体运行论，1543年公开出版。认为太阳是宇宙中心，而地球只是一颗普通的行星，这样恒星的东升西落，行星的打圆圈的视运动都能解释了。他对宇宙分成若干天层；太阳静止于中心，挨着是水星天、金星天、带月亮的地球天、火星天、木星天、土星天和恒星天等。地球不是宇宙的中心而是围绕太阳运行的普通行星，其自身又以地轴为中心自转。哥白尼的日心说推翻了统治天文学1000多年的地心体系（即地球是宇宙中心的学说），引起了全世界的轩然大波，人们不得不重新审视自身在宇宙中所扮演的角色。在此之后，天文学上的发现不断地突破人们所建构的关于宇宙中心的知识体系，地球不是中心，太阳也并非就是，银河系也不是，随着爱因斯坦广义相对论的提出，人们才认识到宇宙根本没有中心。17世纪，天文望远镜问世、开普勒三定律和牛顿万有引力定律的建立，标志人类进入掌握行星层次天体运动规律的阶段，为进入工业社会奠定了必要的科学基础。开普勒在弟谷观察的资料基础上，于年发表了新天文学一书，叙述了行星运动的两条定律。第一条定律提出所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。第二条定律指出每一颗行星的向径在相同时间里扫过的面积相等。后来又在宇宙谐和论中补充了第三定律，行星绕太阳公转的恒星周期平方和行星轨道半长径的立方成正比。为牛顿发现万有引力定律铺平了道路。牛顿从苹果落地事实启示联想到一个人站在山崖上，把一块石头轻轻地放开，石头会直落到地面，如果他用力把石头抛向远处，石头就会向前跑一段再成一个弧形落到地上。如果他用力更大，落下更远。若力足够大时，这就不会再落到地面上，而围绕地球公转起来。地球没有引力，该石头就会朝着他抛出的方向照直飞去。引力就像一头拿在小孩手中，一头拴着小石头的绳子一样，从小孩手中牵引着小石头转圈。这样只要证明地球对月球的吸引力确实就是月球绕地球运行所需的向心力。经过十几年的努力，终于找到计算引力的公式，后来跟力学三定律一起发表于自然哲学的数学原理一书中。牛顿提出：物体的每个分子吸引其它分子，这个引力强度与其质量成正比和被吸引的分子之间的距离平方成反比。但牛顿无法解释星体为何一开始就作如此运动。因此，就把上帝作为第一推动者。天体为什么会按哥白尼体系运动，笛卡尔曾提出过以太旋涡理论。后来为康德与拉普拉斯吸收了牛顿引力理论构成旋涡星云演变说。1900年美国的钱伯林提出星子说，认为有一颗恒星运行到太阳附近，在太阳的正面和背面掀起两股巨大的潮，从太阳喷出的物质逐渐汇合成围绕太阳的气盘，并逐渐凝聚成行星和卫星。1916年英国金斯提出“潮汐说”，认为一恒星接近太阳，从太阳表面引出潮汐隆出物，这雪茄烟形长条逐渐脱离太阳并形成行星。杰弗里认为恒星与太阳相撞，撞出物形成行星系。1944年苏联施密特认为太阳通过暗星云时俘获物质，形成绕太阳旋转的星云盘，逐渐形成行星和卫星。同年德国魏扎克认为绕太阳旋转的气体尘埃盘中出现规则排列的旋涡，在次级旋涡中形成行星。稳恒态宇学认为宇宙在时间和空间上都是无限的。它主张宇宙从未有过开始，或者更确切地说，宇宙乃是处于连续的创造过程之中。当宇宙膨胀之时，总密度减少，但密度存在一个下限值，宇宙不会在密度低于此值的情况下存在。当宇宙接近这个下限值时，便会创造出更多的物质来使密度再度升高。因此当宇宙不断地膨胀时，新的物质便连续地在星体中创造出来以填补空隙。新形成的物质就是构成星系的氢。每个新星系团将随着宇宙的不断膨胀而逐渐衰老以致死亡，但又形成新的星系团。新星系形成，老星系死亡，但宇宙的总密度不变。并且总是存在有各种不同年龄的星系。因此，宇宙在任何时期检验都是一样的。尽管个别星系团有所变化，但总体图象是始终如一的。牛顿在自然哲学之数学原理的“总释”里还写道：“六个行星在围绕太阳的同心圆上转动，转动方向相同，而且几乎在同一个平面上;鉴于慧星的行程沿着极为扁平的轨道跨越整个天空的所有部分，不能设想单纯力学原因就能导致如此多的规则运动:因为它们以这种运动轻易的穿越了各行星的轨道，而且速度极大;在远日点，它们运动最慢，滯留时间最长，相互距离也最远，因而相互吸引造成的干涉也最小。这个最动人的太阳、行星和慧星体系，只能来自一个全能全智的上帝的设计和统治。如果恒星都是其他类似体系的中心，那么这些体系也必定完全从属于上帝的统治”。牛顿的原文中仅有：“。我用重力解释了天体运行和海洋的潮汐，但我还不能指出重力自身的原因。”。中世纪文艺复兴以来，生气勃勃的新兴科学，以哥白尼为开端的日心说，向教会写了宣战书!以牛顿自己也表示：“我不知重力自身的原因。上帝设计一切和统治一切”这段话为终结，向教会高悬免战牌！牛顿的星体引力场理论清楚地给出了万有引力定律:在星体时空中，给出了物体由与星体间引力相互作用产生的运动规律。爱因斯坦广义相对论也是星体的引力场理论，核心是:星球告诉周围时-空如何弯曲;时空告诉其中的物体如何运动。由于后者考虑了时空参考系的相对性原理，从而比前者更苻合天文观测的实际结果。这两个引力场理论，对质点在星体引力场中运动的几何轨迹，都给出了很好的描述，并且后者由于满足时空相对性原理而更准确些。参考文献：【1】物理第31卷第2期117页。 2、 宇宙背景辐射(cosmic background radiation) 定义：来自无明显分立源天区的各向同性电磁辐射。在不同波段，辐射有不同的起源，并可具有非宇宙学起源。 所属学科：天文学（一级学科）；星系和宇宙（二级学科） 百科名片:宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2。725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年。大爆炸宇宙学说认为，当宇宙发生大爆炸时，开始时宇宙的温度是极高的，之后慢慢降温，刚到现在约150亿年后大约还残留着3K左右的热辐射。 概念:宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射。二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R。W。威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7。35厘米的微波噪声相当于3。5K。1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖金。 特征：微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0。3厘米75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于0。3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。从0。054厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度近于2。7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义：首先是小尺度上的各向同性。在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0。20。3；其次是大尺度上的各向同性。沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0。3。各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互的联系。 起因：1964年，美国贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯（Penzias，A。A。）和威耳逊（Wilson，R。W。）为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统。他们安装了一架卫星通讯用的喇叭形天线。这架天线有很强的方向性，即喇叭口对向天空中某方向时，地面及空中其它方向光波干扰都很微小。为了检验这台天线的低噪声性能，他们避开噪声源而将天线指向天空进行测量，在波长7。35厘米处所作的测量已经表明，无论天线指向什么天区，总会接收到一定的微波噪声。这种噪声相当显著，并且与方向无关。他们日复一日，月复一月地进行测量，结果都是一样。它既没有周日变化，也没有季节变化。与地球的自转和公转运动也没有明显关系。起先，他们怀疑这种噪声来自天线系统本身。1965年初，他们又对天线进行了彻底检查。他们拆卸了天线的喉部，发现有个鸽子窝，他们又把鸽子窝清除掉。虽然做了种种努力，仍无法把噪声降下来。从而排除了这种噪声来自天线系统本身的可能性。就是说，这种噪声应当是来自空间的一种辐射。这种辐射相当于绝对温度在2。54。5K之间的黑体辐射，通常称之为3K宇宙微波背景辐射。由于天顶方向和地平方向的大气厚度明显不同，彭齐亚斯和威尔逊测得的这种辐射与方向无关，排除了地球大气层起源的可能性。由于银河系物质分布不均匀，因而也排除了银河系起源的可能性。微波背景辐射只可能来自广阔的宇宙。更精确地说，微波背景辐射是高度各向同性的温度约为2。7K的黑体辐射，这是一种充满宇宙各处的均匀辐射。彭齐亚斯和威尔逊在进行这项重要工作时，只是为了测试他们的天线的性能。作为工程师，在完成这项工作后以在4080兆赫上额外天线温度的测量为标题在天体物理杂志上发表他们的结果，意