2、現(xiàn)代宇宙學(xué)中的幾個(gè)問題解析

1、、現(xiàn)代宇宙學(xué)中的幾個(gè)問題在所有科學(xué)學(xué)科中，宇宙學(xué)是最吸引公眾的學(xué)科之一?？档抡f過：有兩種事物，我們愈是沉思， 愈感到它們的崇高和神圣， 愈是增加虔誠(chéng)與信仰， 這就是頭上的天空和心中的道德律?！惫糯煳膶W(xué)，以天體測(cè)量為主，主要研究天體在空間的位置及其運(yùn)動(dòng)；至牛頓時(shí)代，牛頓創(chuàng)立牛頓力學(xué)， 使天文學(xué)出現(xiàn)了一個(gè)新的分支 - 天體力學(xué)， 這是天文學(xué)發(fā)展歷史上的一個(gè)巨大飛躍； 以愛因斯坦提出廣義相對(duì)論為標(biāo)志， 天體物理學(xué)自此誕生并一躍成為天文學(xué)研究的主流。 現(xiàn)代宇宙學(xué)從整體上研究大尺度的時(shí)空性質(zhì),物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。 它是當(dāng)代天文學(xué)中最活躍的前沿陣地之一。 現(xiàn)代宇宙學(xué)的最大特征是必須尊重觀測(cè)到的客觀事實(shí)，須能

2、在理論物理學(xué)的基礎(chǔ)上給予科學(xué)的說明。 它涉及到恒星的起源和演化， 星系的起源和演化，元素的起源和演化等多方面的基礎(chǔ)理論問題。1、量子引力如何幫助解釋宇宙起源？現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論是標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論前者利用量子力學(xué)來描述亞原子粒子以及它們所服從的作用力，而后者是有關(guān)引力的理論很久以來，物理學(xué)家希望合二為一，得到一種“萬物至理” - 即量子引力論，以便更深入地了解宇宙，包括宇宙是如何隨著大爆炸自然地誕生的實(shí)現(xiàn)這種融合的首要候選理論是超弦理論，或者叫M理論-這是其名稱的最新"升級(jí)版”，M代表“魔法” (magic)、"神秘” (mystery或“所有理論之母” (mother

3、of all theories).宇宙真的是在不斷膨脹嗎？宇宙真的是由一次熱大爆炸中形成的嗎？如果真的是，那么大爆炸之前的所謂 數(shù)學(xué)奇點(diǎn)是什么東西？它是怎么形成的？大爆炸前一秒鐘的激發(fā)機(jī)制又是什么？有證據(jù)表 明，在最初的時(shí)刻，宇宙經(jīng)歷了又一次的巨大爆炸，稱為膨脹，這樣宇宙中的最大星體就Sloan 數(shù)字尋天起源于亞原子量子態(tài)的絨毛微細(xì)結(jié)構(gòu)。這一膨脹的根本物理原因是個(gè)謎。項(xiàng)目是利用美國(guó)新墨西哥州的 ApachePoint 觀測(cè)站 2.5 米的天體望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)可見宇宙的 實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目完成對(duì)整個(gè)天空四分之一的系統(tǒng)測(cè)繪任務(wù)后，產(chǎn)生詳細(xì)的圖像，確定一億個(gè)100 萬以上的天體的位置和絕對(duì)亮度，將在某種程度上

4、闡明膨脹之謎。該實(shí)驗(yàn)還將測(cè)量距多個(gè)最近星系的距離，通過一個(gè)比我們到目前探索大100 倍的體積，給出宇宙一個(gè)三維圖像。最后，使我們前所未有地了解到可見宇宙邊緣的物質(zhì)分布情況。這會(huì)提供質(zhì)量密度中原始波動(dòng)情況，膨脹的結(jié)果應(yīng)該是這樣。如果自然界的4 種力量事實(shí)上是在幾百萬度以下表現(xiàn)為不同形式的一種力，那么大爆炸時(shí)期溫度極高、密度極大的宇宙中，重力、強(qiáng)力、 粒子和反粒子之間就沒有什么區(qū)別了，愛因斯坦的物質(zhì)和時(shí)空理論是以更普通的水準(zhǔn)點(diǎn)為 基礎(chǔ)，因此無法解釋宇宙初始時(shí)炙熱的彈丸之地是如何膨脹成今天我們看到的景象的，我們甚至不知道宇宙為什么充滿了物質(zhì)，根據(jù)當(dāng)今物理學(xué)的看法，早期宇宙中的能量應(yīng)該產(chǎn) 生了數(shù)量相當(dāng)

5、的物質(zhì)和反物質(zhì)，之后它們會(huì)互相湮滅，而某些神秘而作用巨大的物理過程 使天平傾向了物質(zhì)，于是足夠的物質(zhì)產(chǎn)生了充滿星球的星系。幸運(yùn)的是，初期宇宙還留下 了一些線索，一個(gè)是宇宙微波本底輻射，這是大爆炸的余輝，幾十年來，不管天文學(xué)家從 宇宙的哪個(gè)角度測(cè)量，這種微弱的輻射都是一樣的，天文學(xué)家相信，這種統(tǒng)一性說明，大 爆炸是伴隨著比光速還快的時(shí)空膨脹開始的。宇宙學(xué)觀測(cè)表明宇宙是膨脹著的。通過對(duì)微 波背景輻射和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等的觀測(cè)，宇宙的歷史可以追溯到極早期發(fā)生的大爆炸。我 們所知的基本物理，比如廣義相對(duì)論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，在那里都不適用。為理解宇宙 起源，需要了解大爆炸時(shí)期的基本物理。2、黑洞信息悖論

6、的解決方法是什么？根據(jù)量子理論， 信息 - 無論它描述的是粒子運(yùn)動(dòng)的速度還是油墨顆粒組成文件的確切方將會(huì)發(fā)生什么事？宇式-是不會(huì)從宇宙中消失的.但物理學(xué)家基普索恩、約翰普雷希爾和斯蒡芬霍金卻提出了一個(gè)固定的假設(shè)： 如果你把一本大不列顛百科全書扔進(jìn)黑洞中去，宙中是否有其他同樣的百科全書是無關(guān)緊要的正如物理學(xué)中所定義的， 信息并不等同于含義，信息僅指二進(jìn)制的數(shù)字， 或是一些其他的代碼， 它被用來精確地描述一個(gè)物體或一種方式所以看起來那些特定的書本里的信息將被吞沒，并永遠(yuǎn)地消失 但人們覺得這是不可能的 霍金博士和索恩博士相信那些信息確實(shí)消失了，而量子力學(xué)必須對(duì)此作出解釋普雷 希爾博士推測(cè)信息其實(shí)并沒

7、有消失； 它也許以某種形式顯示于黑洞的表面， 如同在一個(gè)宇宙 中的銀幕上3 、表達(dá)物理世界特征的所有 （可測(cè)量的） 無量綱參數(shù)原則上是否都可以推算， 或者是否 存在一些僅僅取決于歷史或量子力學(xué)偶發(fā)事件， 因而也是無法推算的參數(shù)？愛因斯坦的表述 更為清楚：上帝在創(chuàng)造宇宙時(shí)是否有選擇？想象上帝坐在控制臺(tái)前，準(zhǔn)備引發(fā)宇宙大爆 炸“我該把光速定在多少”？“我該讓這種名叫電子的小點(diǎn)帶多少電荷”？“我該把普朗 克常數(shù) - 即決定量子大小的參數(shù) - 的數(shù)值定在多大”？他是不是為了趕時(shí)間而胡亂抓來幾 個(gè)數(shù)字？抑或這些數(shù)值必須如此，因?yàn)槠渲猩畈刂撤N邏輯？4 、為什么宇宙常數(shù)有它自身的數(shù)值？它是否為零，是否真正

8、恒定？直到最近，宇宙學(xué)家仍然認(rèn)為宇宙是以一個(gè)穩(wěn)定的速度在膨脹但最近的觀察發(fā)現(xiàn)，這個(gè)常數(shù)宇宙可能膨脹得越來越快 人們用一個(gè)叫宇宙常數(shù)的數(shù)字來描述這種輕微的加速是否如人們?cè)缙谒J(rèn)為的是零， 或者是一個(gè)非常小的數(shù)值， 物理學(xué)家現(xiàn)在還無法做出解釋 根 據(jù)一些基本計(jì)算，這個(gè)常數(shù)應(yīng)該很大 - 是我們觀測(cè)結(jié)果的大約 10到 122 倍換句話說，宇宙應(yīng)該以跳躍般的速度在膨脹 而實(shí)際情況并非如此，肯定有什么機(jī)制在壓制這種作用 如果宇宙真是超對(duì)稱性的， 那宇宙常數(shù)就該被完全抵消掉但這種對(duì)稱性 - 如果確實(shí)存在的話- 看來已經(jīng)破滅如果這個(gè)常數(shù)隨時(shí)間的變化而變化的話，那情況就更加復(fù)雜了5 、宇宙中為什么存在 2.73

9、K 微波黑體背景輻射？它是由什么東西組成的？既然質(zhì)量較大的中子星必將導(dǎo)致引力塌縮形成黑洞，黑洞縮小時(shí)引力塌縮又必將導(dǎo)致引力勢(shì)能趨于無窮大，也就是黑洞質(zhì)量必將趨于無窮大。由此必將導(dǎo)致引力場(chǎng)強(qiáng)度、引力作用范圍都趨于無窮大的“發(fā)散”現(xiàn)象。那為什么我們發(fā)現(xiàn)的所有星系中央星系核內(nèi)都有巨大質(zhì)量的黑洞，卻從未見到質(zhì)量、引力場(chǎng)強(qiáng)度、引力作用范圍的“發(fā)散”現(xiàn)象？6既然我們已經(jīng)知道所有的星系都是由大團(tuán)星云收縮形成的。那么，從宇宙熱大爆炸充分膨脹擴(kuò)散形成稀薄的超大團(tuán)星云，到星云分裂收縮成星系的過程中，密度和萬有引力場(chǎng)又該是如何變化的？為什么有的形成橢圓星系，有的形成旋渦星系，有的又形成棒旋狀的星系呢？星系的旋臂是怎

10、么形成、演化的？整個(gè)星系在形成、演化過程中，是逐漸收縮的？還是逐漸擴(kuò)散的？7現(xiàn)在天文學(xué)界一致認(rèn)定宇宙年齡約150 億年。 該年齡是指恒星年齡、 古老球狀星團(tuán)表面恒星年齡、星系核中央黑洞的年齡、還是整個(gè)星系的年齡？宇宙中占90%以上的暗物質(zhì)到底是什么東西？它們算不算宇宙中的主要成員？這90%以上的暗物質(zhì)年齡又是多少？宇宙種子磁場(chǎng)的來歷是什么？8、恒星、 行星的形成： 天體的形成是天體物理學(xué)中的重要問題。 適合生物存在的行星，在銀河系中出現(xiàn)的幾率到底是多少？9、對(duì)于宇宙學(xué)家、圓周研究所主任尼爾圖羅克（Neil Turok ）來說，讓他無法入睡的問題則是世間一切的起始大爆炸。在宇宙創(chuàng)生之時(shí)， 它處于

11、溫度和密度都無窮大的狀態(tài)奇點(diǎn)，所有已知的物理定律在那時(shí)都會(huì)失效?！拔覀儾恢涝撊绾蚊枋鏊彼f，他參與提出任何一個(gè)囊括所有物理的理論怎么能不包含它？”為了避免宇宙創(chuàng)生的奇點(diǎn)，10 維的宇宙中的一張低維膜，兩了“火劫”理論。這一理論認(rèn)為，我們所處的世界是至少個(gè)分立的三維膜會(huì)沿著垂直的維度前后震蕩。每一萬億年左右， 這兩個(gè)膜就會(huì)彼此靠近并且同時(shí)，圖羅克還寄希望于弦理論碰撞， 碰撞會(huì)釋放出一個(gè)火球進(jìn)而使得每個(gè)宇宙“重生”。以及相關(guān)的“全息原理”。 根據(jù)全息原理， 一個(gè)三維的奇點(diǎn)可以被轉(zhuǎn)換為二維空間中一個(gè)在他說：“這數(shù)學(xué)上更容易處理的東西。 這也許意味著第三維和引力只不過是一種“幻影”。些工具給我了

12、一條思考這一問題的新途徑，并且它在數(shù)學(xué)上非常讓人滿意?！?0、按愛因斯坦引力場(chǎng)方程計(jì)算，細(xì)圓環(huán)和雙球體引力場(chǎng)中心會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)，表明時(shí)空奇異性是采用彎曲坐標(biāo)的描述方法引起的， 不是自然本性。 所謂奇異性黑洞、 白洞和蟲洞以及時(shí)間旅行等在自然界中都是不存在和不可能的。附錄：八大宇宙未解之謎： 有的可能永遠(yuǎn)找不到答案 （來源：星際使者發(fā)布時(shí)間： 2012-06-0515:42:20 )美國(guó)科學(xué)雜志日前選出了八大宇宙未解之謎，這八大宇宙未解之謎都是由頂尖的科學(xué)家從他們所鉆研的領(lǐng)域中歸納出來的。科學(xué)家認(rèn)為，部分謎題的產(chǎn)生是因?yàn)樗麄冞€沒找到解決它們的線索，通過天文觀測(cè)，最終一部分能得到解決。但他們也承認(rèn)，其

13、中一些“可能永遠(yuǎn)也無法找到答案” ，特別是暗物質(zhì)?？茖W(xué)雜志盤點(diǎn)的八大宇宙未解之謎分別是：1 、暗能量， 構(gòu)成現(xiàn)存宇宙的 73%但從未被觀察到或測(cè)量過。 暗能量的存在是“應(yīng)需而生”的，它能平衡關(guān)于宇宙的數(shù)學(xué)公式，但可能永遠(yuǎn)不會(huì)被觀測(cè)到；2 、暗物質(zhì)， 與暗能量緊密相關(guān)， 被描述為將宇宙萬物粘合在一起的“膠水”。為科學(xué)雜志撰寫相關(guān)論文的阿德里安丘認(rèn)為，與暗能量不同，科學(xué)家們很可能有朝一日能切實(shí)觀測(cè)到這種物質(zhì)；3 、重子哪里去了？重子是一種能構(gòu)成特殊物質(zhì)的顆粒，但出于某些原因，當(dāng)研究人員把暗能量、暗物質(zhì)相加并把其它歸于重子時(shí)，研究者所得的結(jié)果竟不是100%；4 、為什么恒星會(huì)爆炸？人們已經(jīng)對(duì)有關(guān)恒星形成以及太陽(yáng)系形成的許多過程有了初步認(rèn)知，但科學(xué)家們承認(rèn)，他們?nèi)圆荒芡耆斫猱?dāng)一個(gè)恒星爆炸時(shí)其內(nèi)部情況到底是怎樣的，只知道爆炸后會(huì)形成超新星；5 、是什么使宇宙再電離？自宇宙大爆炸后數(shù)十萬年，電子被從原子上剝離，但目前尚不知這是為什么；6 、各種能量充沛的宇宙射線的源頭是什