關於宇宙的科學小論文
關於宇宙的科學小論文
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關於宇宙的科學小論文一
老子宇宙觀，是指老子在其《道德經》裡所闡述的宇宙論思想。《老子道德經》是一部涉及宇宙生成過程和狀態、事物的自然發展規律以及哲學文化和科學的傳世之作。
關於哲學和文化內容，自先秦至今的兩千餘年間，《老子》的註釋闡發綿綿不絕，蔚為大觀，據統計有千家之多。其道學思想作為哲學理論為道教所繼承。一種思想能夠不斷地為人關注和傳承，本身就表明這思想的持久生命力和深遠影響力。但是，老子宇宙觀中的自然科學成份卻被歷史所忽略，其科學價值至今未得到探索和研究。本文試圖在這方面進行探索，拋磚引玉，就教大家。
《老子道德經》最完整的遺傳版本，是唐中宗景龍二年（公元708年）易州龍興觀建立的《道德經碑》。最早的是1972年—1974年在湖南省長沙市東郊發掘的“馬王堆漢墓”三號墓穴中出土的《道德經帛書》，距今已有2100餘年。
老子關於宇宙論思想的綜述出現在《道德經》第二十五章中：
“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，獨立而不改，周行而不殆，可以為天地母。吾不知其名，強字之曰：道，強為之名曰：大。大曰逝，逝曰遠，遠曰反。故道大，天大，地大，人亦大。域中有四大，而人居其一焉。人法地，地法天，天法道，道法自然。”
以上的意思為：有一個東西混然而成，在天地形成以前就已經存在。聽不到它的聲音也看不見它的形體，寂靜而空虛，不依靠任何外力而獨立長存永不停息，迴圈執行而永不衰竭，可以作為萬物的根本。我不知道它的名字，所以只能把它叫做“道”，勉強給它起個名字叫做“大”。它廣大無邊而執行不息，執行不息而伸展遙遠，伸展遙遠而又返回本原。所以說道大、天大、地大、人也大。宇宙間有四大，而人居其中之一。人要效法於地，地要效法於天，天要效法於道，道則效法於自然。
老子在這裡把宇宙空間分為多層，第一層是“人”的空間，第二層是“地”的空間，第三層是“天”的空間，最高層是“道”的空間。人要依從地，地要依從天，天要依從道，道是“有物混成，先天地生”的天地之母，即為宇宙，為最高層，而“道”按宇宙自身之自然規律執行。
老子提出的宇宙論，與現代時空理論不謀而合。老子的宇宙多層說，也就是現代時空理論的多維空間。
現代時空論的觀點，宇宙是由各種不同維度的時空結構組成。認識到空間的實質是能量流。如超弦理論認為：真實的時空是高維的。英國物理學家史蒂芬威廉霍金（Stephen William Hawking)提出的M理論（超弦理論之一），指出宇宙是十一維的，但這些維是看不見的，它們自身卷在了一起，被稱為壓縮的維。
從宇宙大爆炸開始，宇宙的生長和膨脹都按“宇宙程式”執行。這種“宇宙程式”是一種宇宙動量流，是控制和規範宇宙有序生長的無形力量，我們稱之為宇宙流。所有的多維空間，都穩定執行在宇宙流中，並受到宇宙流的調節，這就是宇宙流定律。宇宙流也就是老子所說的“道”。
相對論是關於時空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特愛因斯坦(Albert Einstein)創立，根據研究物件不同分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論提出了“四維時空”和“彎曲空間”等全新的概念。認為空間不是平直的歐幾里得空間，而是在引力場中彎曲的黎曼空間；時間也不是獨立於空間的單獨一維，它無時無刻不在空間之中，與空間構成一個統一的四維時空整體。狹義相對論匯出E=mcc以後，質量與能量就成了同一種東西的兩個名稱。質量是內斂的能量，能量是外顯的質量。狹義相對論揭示了宇宙所具有的超乎尋常的秘密；同時性的相對性；運動中的鐘慢、尺縮效應；水星的近日點異動；光譜紅移；引力場中時鐘變慢等。為航天科學、天文學等高新學科奠定了理論基礎。
地球生活在四維空間，只是人類的理解只能理解到三維。然而，人類必須遵從四維空間的執行。為了說明這個問題，我們舉一個三維空間和二維空間的例子。首先假設有一些生活在二維平面世界的生命，比如螞蟻是一種典型的二維空間生物，它們生活在平面世界，對它們來說，只有前後左右之別，沒有上下之分。當它們爬在牆壁上時，也許有人認為它們在往上爬，但對它們來說只是往前爬。因為它們不能理解三維空間的立體概念。因此，它們對三維世界的感知只限於三維物體在平面世界的投影，或者三維物體與平面世界的接觸面。但是行動受三維空間制約，莫名其妙的事件，如，水、雨的侵襲，實際上是來自三維空間。
人生活在三維空間，無法理解四維空間的世界，比如，地球為什麼會自轉，它的能量從哪裡來？如果生活在四維空間，就很好理解了，因為，地球轉動是第四維座標空間。所以，人的三維空間必須受到四維空間制約。
地球的四維空間，在人看來，是三維空間和時間構成。然而，高等智慧認識到的時間，卻是實實在在的空間。四維時空是構成地球世界的最低維度，我們的地球世界恰好是四維，四維時空的意義就是時間是第四維座標，它與空間座標是有聯絡的，也就是說時空是統一的，不可分割的整體，它們是一種“此消彼長”的關係，也就是說，時間和空間是可以轉換的。但是，人卻無法理解作為“時間”的第四維座標，就像螞蟻無法理解第三維座標一樣。
相對論中，時間與空間構成了一個不可分割的整體——四維時空，在四維時空裡，能量是四維動量的第四維分量，動量是描述物質運動的量，動量和能量實現了統一，稱為能量動量四矢。能量與動量也構成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯絡。時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯絡，第四維座標（時間維）始終控制著三維座標，構成四維時空穩定的架構。始終保持著平衡。這就是四維時空平衡定律。
四維時空平衡定律的內容是：時間動態座標控制空間靜態座標，始終保持相對平衡，當空間彎曲時，時間座標會拉動空間座標反彈，最後回到原位。反彈的頻率、幅度和節點，呈現規律性。反彈頻率取決於能量架構的穩定性，能量架構越不穩定，反彈頻率越高。這也就是安分守已的人一生平安，詭計多端的人經常遭受失敗的原因。反彈幅度取決於動量大小，動量大，反彈幅度越大。這就是“大起大落”、“暴漲暴跌”、“物極必反”、“樂極生悲、否極泰來”的道理。而反彈的節點，發生在由於某一事件觸發了被擠壓的能動張量劇烈釋放的那一刻。“善惡終有報”、“多行不義必自斃”，就是指反彈的節點。歷代王侯將相的財富可以甲天下，但是“富不過三代”，就是四維時空平衡定律的有力證明。掌握了四維時空平衡論，測定出人的能量和動量，就掌握了人生執行的軌跡和命運。
我們可以舉一個例子解釋四維時空平衡定律。大家都知道的著名的數學機率實驗：為了確定拋擲一枚硬幣發生正面朝上這個事件的機率，歷史上有人作過成千上萬次拋擲硬幣的試驗。投擲硬幣100次，正面朝上是53次，機率是0.53；投擲硬幣4040次，正面朝上是2048次，機率是0.5069；投擲硬幣24000次，正面朝上是12012次，機率是0.5005。隨著實驗次數的增多，正面朝上這個事件發生的頻率越來越穩定地接近0.5，這就是機率。機率在實驗次數少的時候，有偶然性，但是達到一定次數，就存在必然性。這個必然性的原因就是受到第四維座標所控制，達到總體平衡。
關於宇宙的科學小論文二
1、宇宙起源
今天的宇宙學研究早已經衝破了“九重天”的空間尺度和“七天創世紀”的宗教信仰，21世紀的宇宙學已經是最精密的自然科學之一。
為現代宇宙學研究帶來革命性進展的天文學家無疑是哈勃，他在1929年發現了銀河系周圍星系的退行速度與其相距銀河系之距離成正比。此觀測事實給了後來的物理學家伽莫夫以啟示：既然所有的星系都彼此相互遠離，那麼若沿著時間的長河逆向追溯，它們就必將在有限的時間裡匯聚在一起；反之，若沿著時間發展的箭頭，宇宙則就像發生過一次爆炸一樣，從緻密高溫的狀態膨脹散開。1948年，伽莫夫成功地預言了宇宙大爆炸的“火球”膨脹至今遺留下的溫度應為50K（1956年修正為6K），並鎖定在微波波段。而在1965年，兩位Bell實驗室的工程師Penzias和Wilson無意間得到了震驚世界的發現，儘管他們當時並未意識到所獲得的與方向無關的天空噪聲就是宇宙大爆炸的遺蹟。雖然星系的退行和大爆炸火球的發現及其高度的各向同性，的確給宇宙大爆炸學說奠定了最堅實的觀測基礎，但人們很快就意識到，一個高度各向同性的大爆炸火球並不是人們所期望的。今天，浩瀚的宇宙中充滿了以星系為基本單元的成員，它們並非均勻地分佈於宇宙空間中，而是形成了有規則的結構：既有成千上萬星系組成的“長城”,也有空空如也的“空洞”.一個過於均勻的大爆炸火球作為“種子”是無法形成我們今天所看到的有結構之宇宙。所以，大爆炸的遺蹟（今天稱之為宇宙微波背景輻射）被發現後，人們就一直致力於尋找它上面是否存在不均勻的成分。終於，1992年由GeorgeSmoot領導的一個小組藉助於COBE衛星發現了大爆炸火球上的十萬分之一的溫度起伏，且這些起伏正是人們期望看到的造就今天宇宙萬物的“種子”!隨後，諸多宇宙微波背景輻射探測衛星如WMAP和PLANCK以及南極的大量天文實驗，已經把大爆炸火球的臉譜勾畫得越來越清晰，其測量精度甚至達到了百萬分之一！
除了宇宙中的基本成員星系之外，宇宙大爆炸演化的過程也自然地造就了世間的基本元素：宇宙大爆炸早期，宇宙溫度很高，電子、質子和中子在大爆炸背景光子的作用下無法結合形成穩定的原子，只有當大爆炸火球的溫度隨著宇宙的膨脹降低到10億度時，宇宙中的核合成才得以進行，而核合成僅僅持續了很短時間就又因宇宙溫度過低而終止。所以，宇宙中僅僅合成了最輕的元素氫和氦，其他元素幾乎沒有機會產生。由於中子質量略大於質子質量（差別為1.293MeV），宇宙早期的熱平衡保證了宇宙中有一箇中子，大約就有六個質子，所以宇宙中大量的質子和電子結合，最先形成了氫，兩個質子、兩個中子和兩個電子結合就形成了氦，其各佔宇宙總重子物質的比例為：氫77%和氦23%.今天對宇宙各地，比如太陽、銀河系、其他星系等的天文觀測，都證實了這一比例。甚至，我們人體以氫為主的基本元素構成無不體現著宇宙大爆炸的痕跡。這的確是大爆炸宇宙學的又一巨大成功！那麼我們熟知的化學元素週期表中的其他元素又是從哪裡來的呢？其實，除了最重的幾個人工合成元素，它們也都來自宇宙空間。比如鋰、鈹、硼就來自宇宙射線，而恆星演化的終結（如超新星爆發）造就了其他重元素，包括人們熟知的金、銀、銅、鑽石等。
2、宇宙的命運和暗物質
今天的宇宙正在膨脹，那麼未來的宇宙是會繼續膨脹還是會停止膨脹進而收縮回來呢？問題的答案取決於宇宙中所有物質產生的引力是否能阻止宇宙的膨脹。只要將牛頓第二定律和萬有引力定律應用於我們的宇宙，我們就會發現：如果宇宙今天的平均密度超過一個臨界值ρc,它將來就會停止膨脹並收縮回來；反之，平均密度若比ρc小，則宇宙將永遠膨脹下去。臨界密度ρc的值僅僅由萬有引力常數G和哈勃常數H0決定，且ρc≈10-29g/cm3,這一數值僅僅相當於每一立方厘米的體積記憶體在百分之一個電子！可見，要求宇宙停止膨脹的物質密度其實很低。人們習慣性地定義一個密度引數ΩM=ρ/ρc,若ΩM>1則宇宙將會收縮回來，反之則會永遠膨脹下去。
應用愛因斯坦的場方程於宇宙，則可以給出類似的結論，只不過增加了牛頓引力論中無法描述的能量項。事實上，引力場方程把時空（宇宙）的性質和其中存在的物質能量完美地結合起來，即宇宙的時空由其中的物質能量唯一決定，而時空的特性也反映了其中物質和能量的存在形式。這樣，在廣義相對論框架下的宇宙動力學方程就簡化為：Ωk=1-ΩM-ΩΛ，其中Ωk反映宇宙的幾何性質，ΩM是宇宙的物質密度引數，ΩΛ是宇宙的能量密度引數（又稱宇宙學常數項）。我們既可以用宇宙中物質和能量來描述宇宙的演化性質，也可以等價地使用宇宙的幾何性質來描述宇宙未來演化的行為。若宇宙未來停止膨脹轉為收縮，反映在幾何性質上則是Ωk〉0,或宇宙中三角形內角之和大於180°，引力主導引起時空彎曲；若宇宙永遠膨脹下去，則Ωk<0,或宇宙中三角形內角之和小於180°，引力不足以抵抗膨脹；Ωk=0的宇宙則處於臨界狀態，此時宇宙將永遠膨脹下去，但三角形內角之和正好是180°，歐幾里德幾何可以適用。這樣，宇宙的命運就有兩種等價的描述方式：我們既可以透過測量宇宙中的物質能量密度也可以透過測量宇宙的幾何性質來預知未來。
現在讓我們看一看宇宙中到底有多少物質，這些物質是否足以讓宇宙將來收縮回來，這就引出了宇宙學中的暗物質問題。我們的遊戲從數星星開始：一個星系裡大概有1千億顆恆星，而宇宙中大約有1千億個星系，所以宇宙中大概有1022顆恆星。我們可以把單位體積內這些恆星轉化成質量即密度，然後與ρc≈10-29g/cm3的臨界值作對比，結果這個值僅有0.005.也就是說，宇宙中所有的恆星加起來所貢獻出的物質僅能達到讓宇宙未來停止膨脹的0.5%.所以，若浩瀚的宇宙中僅僅只有恆星，那麼宇宙將要永遠膨脹下去。
宇宙中是否只有閃閃發光的恆星呢？答案顯然是否定的。當天文學家把宇宙的所有已知物質匯聚在一起，就會發現恆星只佔大約五分之一的比例，宇宙的主要物質竟然在可見光波段是看不見的`！1961年，當意大利科學家RiccardoGiacconi把一枚用於X射線探測的火箭送上天空，才意外地發現，宇宙竟然在高能X射線波段如此明亮。隨後，大量的X射線探測衛星揭示出了人們意想不到的結果：宇宙中可以發射電磁輻射的物質主要是以熱氣體的形式存在，溫度甚至可以高達上億度，許多星系、星系群、星系團和大尺度結構都被炙熱的X射線氣體所包圍，它們的質量要比其中的恆星大好幾倍！當我們利用X射線探測衛星把這部分質量統計在內，一下子就可以把宇宙中的所謂重子物質密度提高了幾乎10倍，達到宇宙臨界密度的4%.然而，即使這樣，僅包含熱氣體和恆星的宇宙仍然還是要繼續膨脹的！
的確，人們是藉助電磁波來觀測宇宙的，任何一個波段（如光學）都只能揭示出宇宙中某一特定的物質成分（如恆星），我們也許會丟失沒有電磁輻射的那部分物質，即不發光的暗物質。對此，第一個做出肯定結論的是瑞士天文學家FritzZwicky,他在1937年觀測了一個由數百個星系組成的巨大集團（稱之為Coma）的運動學效應，他發現，由星系動力學給出的星系團質量比其中所有恆星光度給出的質量大了400倍。這是天文學中第一次發現宇宙中可能存在不發光的暗物質成分！
今天，存在暗物質更直接的證據包括：（1）中性氫測量表明，星系（包括銀河系）的旋轉曲線在遠離恆星的星系暈裡仍然保持幾乎不下降的趨勢，違背了僅有恆星起作用的開普勒定律，暗示星系存在巨大的暗物質暈；（2）經過引力場的光線會發生彎曲，產生所謂的引力透鏡效應，光線偏折的大小僅與其中產生引力場的質量有關，不管其是否發光。自1979年觀測到遙遠類星體的引力透鏡現象以來，引力透鏡效應已經普遍應用於各類宇宙天體的質量測量，人們發現，引起引力透鏡的引力質量遠超出透鏡天體的發光質量。比如在典型的星系團裡，引力質量比發光的光學總質量大幾乎300倍；（3）宇宙大尺度結構形成理論和觀測表明，要形成今天宇宙中各種結構，僅靠重子物質遠遠不足以使其“成型”.比如，銀河系由大約1千億顆恆星組成，在137億年的宇宙年齡內，僅靠恆星自身的引力完全無法聚整合今天的銀河系，因為重子物質需要有效耗散其內能才能收縮為星系，而暗物質的存在造就了巨大的引力勢阱，幫助重子物質緊密“團結”在一起，組成了今天龐大的銀河系；（4）我們曾經提及，星系群和星系團都存在高溫熱氣體，溫度可達上億度。若無巨大暗物質引力場的束縛，那麼如此高溫度高能量的熱氣體則早已經逃逸瓦解。
當我們把動力學、引力透鏡效應等一些不依賴於發光物質特性的測量手段用於宇宙各系統的質量測量中，然後再與宇宙的臨界密度ρc去對比，結果發現，ΩM已經提高至0.27,比恆星和熱氣體的貢獻高出大約7倍。但是，包含了全部暗物質在內的宇宙平均密度也只達到27%的臨界值，故仍然不足以使得宇宙封閉--有朝一日停止膨脹而收縮回來。此刻，我們很茫然，如果在宇宙中再找不到其他的物質成分，我們就只能眼睜睜地看著宇宙永無止境地膨脹下去，人類就只能“凍”死在溫度逐步降低的冰冷宇宙中。看來，我們真的別無選擇！
3、宇宙的命運和暗能量
也許，我們對宇宙命運的結論還下得太早或過於武斷。畢竟，由愛因斯坦場方程給出的宇宙動力學演化方程包含了三個引數，而我們至此僅僅測量了其中的一個--物質密度引數ΩM,還剩下能量引數ΩΛ和空間曲率引數Ωk,只有把後面兩個引數再確定至少一個，我們才能真正預測宇宙的命運。
測量能量密度引數ΩΛ並不是一件容易的事，若ΩΛ代表著真空能或宇宙學常數，則它在宇宙空間和時間尺度上都是一個不變化的引數，對於一個僅在宇宙大尺度才顯現的常量，我們幾乎找不到有效的測量途徑。所以，人們的注意力轉向了測量宇宙的幾何性質，即宇宙曲率引數Ωk.誠然，人們也無法在宇宙空間構造一個三角形去測量其內角之和是否小於、等於或大於180°。
大爆炸遺留的火球即微波背景輻射的光子傳至地球，經歷了漫長的旅途，是人類目前所能接收到的來自最遙遠宇宙的資訊，它必然攜帶了宇宙幾何的資訊。微波背景上面分佈著斑斑點點的溫度不均勻區域（見圖1），儘管其幅度不超過十萬分之一，但只要我們知道了微波背景輻射上這些斑斑點點溫度不均勻區域之間間距的統計性質，就可以得到宇宙的幾何特性。比如，一個開放的、未來永遠膨脹的、三角形內角之和小於180°的宇宙，單位面積上斑點的數目就會比較多；相反，若宇宙是閉合的、未來轉為收縮並且三角形內角之和大於180°，由於光線的彎曲，單位面積上斑點的數目就相對較少。自1992年發現微波背景輻射的起伏以來，人們進行了大規模的微波背景輻射各向異性的測量，試圖獲得宇宙的幾何性質。經過三十多年的努力，天文學家終於給出了所謂宇宙微波背景輻射角功率譜的精準測量，得出的結論使得我們多少有點驚奇：宇宙的宏觀幾何形式是平坦的（Ωk=0），三角形內角之和正好等於180°。於是，宇宙將永遠膨脹下去。