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试论述宇宙的起源学说——大爆炸宇宙学

问答题
2021-12-28 03:13
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正确答案

关于宇宙的起源有许多假说,其中最有影响的是1948年由美国天体物理学家伽莫夫提出的大爆炸宇宙学。
1、大爆炸宇宙学的基本观点
大爆炸宇宙学认为,宇宙早期是一个超高密、超高温的“宇宙蛋”。宇宙蛋在某种物理条件下,发生迅猛的大爆炸,于是便开始不断膨胀起来,结果物质也随着时空膨胀而从密到稀、从热到冷地演化着,在演化过程中逐渐形成各种恒星体系。
2、大爆炸过程
(1)基本粒子阶段:宇宙早期,密度近于无穷大的状态,温度极高,在100亿K以上,当时宇宙只存在质子、中子、电子、光子及中微子等基本粒子。
(2)元素形成阶段:随着宇宙的绝热膨胀,温度下降很快。当温度降至10亿K时,中子失去自由存在的条件,质子与中子结合成氢、氦,各种化学元素开始形成。当温度下降到100万K时,早期形成的各种化学元素告一段落。
(3)宇宙形成阶段:宇宙继续膨胀和冷却,直到约1000万年以后,温度下到3000K时,电子和核才组成稳定的原子。辐射减退,宇宙间主要是气态物质,并逐渐凝聚成星云,再进一步形成各种星系和恒星,成为我们今天观测到的具有各种类型天体的宇宙。
3、主要观测事实
大爆炸宇宙学的成功之处,在于它比其他宇宙学说能说明较多的观测事实:
第一,谱线红移现象。观测得知,多数河外星系的谱线红移,星系距离愈远,红移现象愈大,符合哈勃定律(ν=H•R)。哈勃红移是宇宙膨胀的反映。式中ν为星系红移速度,H为哈勃常数,及为星系距离。
第二,天体观测年龄与理论年龄相吻合。大爆炸宇宙学认为所有天体都是在温度下降后的产物。理论上,任何天体年龄都应比大爆炸温度下降至今的200亿年时间为短。观测事实是,现今天体的年龄都不超过200亿年。
第三,氦丰度证据。大爆炸宇宙学认为氦是在星系及天体形成之前,在宇宙早期高温条件下形成。在氦合成时代*,宇宙中氦丰度约为25%,与宇宙中的各种天体氦丰度近一致(约占30%),如银河系氦丰度为29%,大麦哲伦星系氦丰度为25%,小麦哲伦星系氦丰度为29%。
第四,微波辐射证据。大爆炸宇宙学认为,宇宙间存在各向同性的微波段的背景辐射,相当于3K的热辐射。1965年,在微波波段上发现了3K微波辐射,在定性与定量上与大爆炸理论相符,被认为是宇宙大爆炸遗留下余热的最有力的证据。
虽然,大爆炸宇宙学能解释一些观测事实,但仍存在不少问题,如宇宙蛋中无限密度以及爆炸机制等问题。


试题解析

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学习《宇宙的未来》时,教师使用了下列教学补充材料。大爆炸理论揭示了宇宙演化的壮阔景象。宇宙膨胀大约开始于200亿年前。这个初始时刻及其以前的条件纯属猜测的范畴。早期宇宙非常炽热、非常致密,同时也许还是很不规则的。这种不规则性和各向异性逐渐消失了。在大爆炸后数分钟内出现了一些核反应,宇宙中几乎所有的氦就是在那时合成的。随着膨胀的进行,宇宙逐渐变冷,就像热空气边膨胀边冷却一样。宇宙背景辐射就是这个早期时代的遗迹。人们一直恰当地把它称为原始火球的剩余辐射。根据一种宇宙演化的方案,随着宇宙中物质的冷却,它终将凝聚为原星系。原星系分裂为恒星并聚在一起成为范围广阔的巨大集团。随着头几代恒星的诞生和死亡.逐渐合成了碳、氧、硅、铁这类重元素。当恒星演化为红巨星时,它们便抛出凝结为尘粒的物质。从气体和尘埃云中形成了新一代的恒星。至少在一个这样的星云里,冷的尘埃坍缩成一个环绕恒星的薄盘。尘粒通过合并彼此附着并累积成较大的物体,这些物体在彼此引力的吸引下长大,形成从小行星到大行星的形形色色天体,这些天体就构成了太阳系。(选自《宇宙的起源与演化--大爆炸》,科学普及出版社1988年版)对上述资料的使用分析不恰当的是()。
"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。生命现象出现在宇宙形成的哪个阶段?这个阶段的主要特征是什么?
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