宇宙的科学小论文

2021-07-11 论文

　　宇宙是神秘而又深邃的，下面就是小编为您收集整理的关于宇宙的科学小论文的相关文章，希望可以帮到您，如果你觉得不错的话可以分享给更多小伙伴哦！

　　关于宇宙的科学小论文一

　　老子宇宙观，是指老子在其《道德经》里所阐述的宇宙论思想。《老子道德经》是一部涉及宇宙生成过程和状态、事物的自然发展规律以及哲学文化和科学的传世之作。

　　关于哲学和文化内容，自先秦至今的两千余年间，《老子》的注释阐发绵绵不绝，蔚为大观，据统计有千家之多。其道学思想作为哲学理论为道教所继承。一种思想能够不断地为人关注和传承，本身就表明这思想的持久生命力和深远影响力。但是，老子宇宙观中的自然科学成份却被历史所忽略，其科学价值至今未得到探索和研究。本文试图在这方面进行探索，抛砖引玉，就教大家。

　　《老子道德经》最完整的遗传版本，是唐中宗景龙二年（公元708年）易州龙兴观建立的《道德经碑》。最早的是1972年—1974年在湖南省长沙市东郊发掘的“马王堆汉墓”三号墓穴中出土的《道德经帛书》，距今已有2100余年。

　　老子关于宇宙论思想的综述出现在《道德经》第二十五章中：

　　“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天地母。吾不知其名，强字之曰：道，强为之名曰：大。大曰逝，逝曰远，远曰反。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。”

　　以上的意思为：有一个东西混然而成，在天地形成以前就已经存在。听不到它的声音也看不见它的形体，寂静而空虚，不依靠任何外力而独立长存永不停息，循环运行而永不衰竭，可以作为万物的根本。我不知道它的名字，所以只能把它叫做“道”，勉强给它起个名字叫做“大”。它广大无边而运行不息，运行不息而伸展遥远，伸展遥远而又返回本原。所以说道大、天大、地大、人也大。宇宙间有四大，而人居其中之一。人要效法于地，地要效法于天，天要效法于道，道则效法于自然。

　　老子在这里把宇宙空间分为多层，第一层是“人”的空间，第二层是“地”的空间，第三层是“天”的空间，最高层是“道”的空间。人要依从地，地要依从天，天要依从道，道是“有物混成，先天地生”的天地之母，即为宇宙，为最高层，而“道”按宇宙自身之自然规律运行。

　　老子提出的宇宙论，与现代时空理论不谋而合。老子的宇宙多层说，也就是现代时空理论的多维空间。

　　现代时空论的观点，宇宙是由各种不同维度的时空结构组成。认识到空间的实质是能量流。如超弦理论认为：真实的时空是高维的。英国物理学家史蒂芬威廉霍金（Stephen William Hawking)提出的M理论（超弦理论之一），指出宇宙是十一维的，但这些维是看不见的，它们自身卷在了一起，被称为压缩的维。

　　从宇宙大爆炸开始，宇宙的生长和膨胀都按“宇宙程序”运行。这种“宇宙程序”是一种宇宙动量流，是控制和规范宇宙有序生长的无形力量，我们称之为宇宙流。所有的多维空间，都稳定运行在宇宙流中，并受到宇宙流的调节，这就是宇宙流定律。宇宙流也就是老子所说的“道”。

　　相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)创立，根据研究对象不同分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论提出了“四维时空”和“弯曲空间”等全新的概念。认为空间不是平直的欧几里得空间，而是在引力场中弯曲的黎曼空间；时间也不是独立于空间的单独一维，它无时无刻不在空间之中，与空间构成一个统一的四维时空整体。狭义相对论导出E=mcc以后，质量与能量就成了同一种东西的两个名称。质量是内敛的能量，能量是外显的质量。狭义相对论揭示了宇宙所具有的超乎寻常的秘密；同时性的相对性；运动中的钟慢、尺缩效应；水星的近日点异动；光谱红移；引力场中时钟变慢等。为航天科学、天文学等高新学科奠定了理论基础。

　　地球生活在四维空间，只是人类的理解只能理解到三维。然而，人类必须遵从四维空间的运行。为了说明这个问题，我们举一个三维空间和二维空间的例子。首先假设有一些生活在二维平面世界的生命，比如蚂蚁是一种典型的二维空间生物，它们生活在平面世界，对它们来说，只有前后左右之别，没有上下之分。当它们爬在墙壁上时，也许有人认为它们在往上爬，但对它们来说只是往前爬。因为它们不能理解三维空间的立体概念。因此，它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影，或者三维物体与平面世界的接触面。但是行动受三维空间制约，莫名其妙的事件，如，水、雨的侵袭，实际上是来自三维空间。

　　人生活在三维空间，无法理解四维空间的世界，比如，地球为什么会自转，它的能量从哪里来？如果生活在四维空间，就很好理解了，因为，地球转动是第四维坐标空间。所以，人的三维空间必须受到四维空间制约。

　　地球的四维空间，在人看来，是三维空间和时间构成。然而，高等智慧认识到的时间，却是实实在在的空间。四维时空是构成地球世界的最低维度，我们的地球世界恰好是四维，四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系，也就是说，时间和空间是可以转换的。但是，人却无法理解作为“时间”的第四维坐标，就像蚂蚁无法理解第三维坐标一样。

　　相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，在四维时空里，能量是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系，第四维坐标（时间维）始终控制着三维坐标，构成四维时空稳定的架构。始终保持着平衡。这就是四维时空平衡定律。

　　四维时空平衡定律的内容是：时间动态坐标控制空间静态坐标，始终保持相对平衡，当空间弯曲时，时间坐标会拉动空间坐标反弹，最后回到原位。反弹的频率、幅度和节点，呈现规律性。反弹频率取决于能量架构的稳定性，能量架构越不稳定，反弹频率越高。这也就是安分守已的人一生平安，诡计多端的人经常遭受失败的原因。反弹幅度取决于动量大小，动量大，反弹幅度越大。这就是“大起大落”、“暴涨暴跌”、“物极必反”、“乐极生悲、否极泰来”的道理。而反弹的节点，发生在由于某一事件触发了被挤压的能动张量剧烈释放的那一刻。“善恶终有报”、“多行不义必自毙”，就是指反弹的节点。历代王侯将相的财富可以甲天下，但是“富不过三代”，就是四维时空平衡定律的有力证明。掌握了四维时空平衡论，测定出人的能量和动量，就掌握了人生运行的轨迹和命运。

　　我们可以举一个例子解释四维时空平衡定律。大家都知道的著名的数学概率实验：为了确定抛掷一枚硬币发生正面朝上这个事件的概率，历史上有人作过成千上万次抛掷硬币的试验。投掷硬币100次，正面朝上是53次，概率是0.53；投掷硬币4040次，正面朝上是2048次，概率是0.5069；投掷硬币24000次，正面朝上是12012次，概率是0.5005。随着实验次数的增多，正面朝上这个事件发生的频率越来越稳定地接近0.5，这就是概率。概率在实验次数少的时候，有偶然性，但是达到一定次数，就存在必然性。这个必然性的原因就是受到第四维坐标所控制，达到总体平衡。

　　关于宇宙的科学小论文二

　　1、宇宙起源

　　今天的宇宙学研究早已经冲破了“九重天”的空间尺度和“七天创世纪”的宗教信仰，21世纪的宇宙学已经是最精密的自然科学之一。

　　为现代宇宙学研究带来革命性进展的天文学家无疑是哈勃，他在1929年发现了银河系周围星系的退行速度与其相距银河系之距离成正比。此观测事实给了后来的物理学家伽莫夫以启示：既然所有的星系都彼此相互远离，那么若沿着时间的长河逆向追溯，它们就必将在有限的时间里汇聚在一起；反之，若沿着时间发展的箭头，宇宙则就像发生过一次爆炸一样，从致密高温的状态膨胀散开。1948年，伽莫夫成功地预言了宇宙大爆炸的“火球”膨胀至今遗留下的温度应为50K（1956年修正为6K），并锁定在微波波段。而在1965年，两位Bell实验室的工程师Penzias和Wilson无意间得到了震惊世界的发现，尽管他们当时并未意识到所获得的与方向无关的天空噪声就是宇宙大爆炸的遗迹。虽然星系的退行和大爆炸火球的发现及其高度的各向同性，的确给宇宙大爆炸学说奠定了最坚实的观测基础，但人们很快就意识到，一个高度各向同性的大爆炸火球并不是人们所期望的。今天，浩瀚的宇宙中充满了以星系为基本单元的成员，它们并非均匀地分布于宇宙空间中，而是形成了有规则的结构：既有成千上万星系组成的“长城”,也有空空如也的“空洞”.一个过于均匀的大爆炸火球作为“种子”是无法形成我们今天所看到的有结构之宇宙。所以，大爆炸的遗迹（今天称之为宇宙微波背景辐射）被发现后，人们就一直致力于寻找它上面是否存在不均匀的成分。终于，1992年由GeorgeSmoot领导的一个小组借助于COBE卫星发现了大爆炸火球上的十万分之一的温度起伏，且这些起伏正是人们期望看到的造就今天宇宙万物的“种子”!随后，诸多宇宙微波背景辐射探测卫星如WMAP和PLANCK以及南极的大量天文实验，已经把大爆炸火球的脸谱勾画得越来越清晰，其测量精度甚至达到了百万分之一！

　　除了宇宙中的基本成员星系之外，宇宙大爆炸演化的过程也自然地造就了世间的基本元素：宇宙大爆炸早期，宇宙温度很高，电子、质子和中子在大爆炸背景光子的作用下无法结合形成稳定的原子，只有当大爆炸火球的温度随着宇宙的膨胀降低到10亿度时，宇宙中的核合成才得以进行，而核合成仅仅持续了很短时间就又因宇宙温度过低而终止。所以，宇宙中仅仅合成了最轻的元素氢和氦，其他元素几乎没有机会产生。由于中子质量略大于质子质量（差别为1.293MeV），宇宙早期的热平衡保证了宇宙中有一个中子，大约就有六个质子，所以宇宙中大量的质子和电子结合，最先形成了氢，两个质子、两个中子和两个电子结合就形成了氦，其各占宇宙总重子物质的比例为：氢77%和氦23%.今天对宇宙各地，比如太阳、银河系、其他星系等的天文观测，都证实了这一比例。甚至，我们人体以氢为主的基本元素构成无不体现着宇宙大爆炸的痕迹。这的确是大爆炸宇宙学的又一巨大成功！那么我们熟知的化学元素周期表中的其他元素又是从哪里来的呢？其实，除了最重的几个人工合成元素，它们也都来自宇宙空间。比如锂、铍、硼就来自宇宙射线，而恒星演化的终结（如超新星爆发）造就了其他重元素，包括人们熟知的金、银、铜、钻石等。

　　2、宇宙的命运和暗物质

　　今天的宇宙正在膨胀，那么未来的宇宙是会继续膨胀还是会停止膨胀进而收缩回来呢？问题的答案取决于宇宙中所有物质产生的引力是否能阻止宇宙的膨胀。只要将牛顿第二定律和万有引力定律应用于我们的宇宙，我们就会发现：如果宇宙今天的平均密度超过一个临界值ρc,它将来就会停止膨胀并收缩回来；反之，平均密度若比ρc小，则宇宙将永远膨胀下去。临界密度ρc的值仅仅由万有引力常数G和哈勃常数H0决定，且ρc≈10-29g/cm3,这一数值仅仅相当于每一立方厘米的体积内存在百分之一个电子！可见，要求宇宙停止膨胀的物质密度其实很低。人们习惯性地定义一个密度参数ΩM=ρ/ρc,若ΩM>1则宇宙将会收缩回来，反之则会永远膨胀下去。

　　应用爱因斯坦的场方程于宇宙，则可以给出类似的结论，只不过增加了牛顿引力论中无法描述的能量项。事实上，引力场方程把时空（宇宙）的性质和其中存在的物质能量完美地结合起来，即宇宙的时空由其中的物质能量唯一决定，而时空的特性也反映了其中物质和能量的存在形式。这样，在广义相对论框架下的宇宙动力学方程就简化为：Ωk=1-ΩM-ΩΛ，其中Ωk反映宇宙的几何性质，ΩM是宇宙的物质密度参数，ΩΛ是宇宙的能量密度参数（又称宇宙学常数项）。我们既可以用宇宙中物质和能量来描述宇宙的演化性质，也可以等价地使用宇宙的几何性质来描述宇宙未来演化的行为。若宇宙未来停止膨胀转为收缩，反映在几何性质上则是Ωk〉0,或宇宙中三角形内角之和大于180°，引力主导引起时空弯曲；若宇宙永远膨胀下去，则Ωk<0,或宇宙中三角形内角之和小于180°，引力不足以抵抗膨胀；Ωk=0的宇宙则处于临界状态，此时宇宙将永远膨胀下去，但三角形内角之和正好是180°，欧几里德几何可以适用。这样，宇宙的命运就有两种等价的描述方式：我们既可以通过测量宇宙中的物质能量密度也可以通过测量宇宙的几何性质来预知未来。

　　现在让我们看一看宇宙中到底有多少物质，这些物质是否足以让宇宙将来收缩回来，这就引出了宇宙学中的暗物质问题。我们的游戏从数星星开始：一个星系里大概有1千亿颗恒星，而宇宙中大约有1千亿个星系，所以宇宙中大概有1022颗恒星。我们可以把单位体积内这些恒星转化成质量即密度，然后与ρc≈10-29g/cm3的临界值作对比，结果这个值仅有0.005.也就是说，宇宙中所有的恒星加起来所贡献出的物质仅能达到让宇宙未来停止膨胀的0.5%.所以，若浩瀚的宇宙中仅仅只有恒星，那么宇宙将要永远膨胀下去。

　　宇宙中是否只有闪闪发光的恒星呢？答案显然是否定的。当天文学家把宇宙的所有已知物质汇聚在一起，就会发现恒星只占大约五分之一的比例，宇宙的主要物质竟然在可见光波段是看不见的！1961年，当意大利科学家RiccardoGiacconi把一枚用于X射线探测的火箭送上天空，才意外地发现，宇宙竟然在高能X射线波段如此明亮。随后，大量的X射线探测卫星揭示出了人们意想不到的结果：宇宙中可以发射电磁辐射的物质主要是以热气体的形式存在，温度甚至可以高达上亿度，许多星系、星系群、星系团和大尺度结构都被炙热的X射线气体所包围，它们的质量要比其中的恒星大好几倍！当我们利用X射线探测卫星把这部分质量统计在内，一下子就可以把宇宙中的所谓重子物质密度提高了几乎10倍，达到宇宙临界密度的4%.然而，即使这样，仅包含热气体和恒星的宇宙仍然还是要继续膨胀的！

　　的确，人们是借助电磁波来观测宇宙的，任何一个波段（如光学）都只能揭示出宇宙中某一特定的物质成分（如恒星），我们也许会丢失没有电磁辐射的那部分物质，即不发光的暗物质。对此，第一个做出肯定结论的是瑞士天文学家FritzZwicky,他在1937年观测了一个由数百个星系组成的巨大集团（称之为Coma）的运动学效应，他发现，由星系动力学给出的星系团质量比其中所有恒星光度给出的质量大了400倍。这是天文学中第一次发现宇宙中可能存在不发光的'暗物质成分！

　　今天，存在暗物质更直接的证据包括：（1）中性氢测量表明，星系（包括银河系）的旋转曲线在远离恒星的星系晕里仍然保持几乎不下降的趋势，违背了仅有恒星起作用的开普勒定律，暗示星系存在巨大的暗物质晕；（2）经过引力场的光线会发生弯曲，产生所谓的引力透镜效应，光线偏折的大小仅与其中产生引力场的质量有关，不管其是否发光。自1979年观测到遥远类星体的引力透镜现象以来，引力透镜效应已经普遍应用于各类宇宙天体的质量测量，人们发现，引起引力透镜的引力质量远超出透镜天体的发光质量。比如在典型的星系团里，引力质量比发光的光学总质量大几乎300倍；（3）宇宙大尺度结构形成理论和观测表明，要形成今天宇宙中各种结构，仅靠重子物质远远不足以使其“成型”.比如，银河系由大约1千亿颗恒星组成，在137亿年的宇宙年龄内，仅靠恒星自身的引力完全无法聚集成今天的银河系，因为重子物质需要有效耗散其内能才能收缩为星系，而暗物质的存在造就了巨大的引力势阱，帮助重子物质紧密“团结”在一起，组成了今天庞大的银河系；（4）我们曾经提及，星系群和星系团都存在高温热气体，温度可达上亿度。若无巨大暗物质引力场的束缚，那么如此高温度高能量的热气体则早已经逃逸瓦解。

　　当我们把动力学、引力透镜效应等一些不依赖于发光物质特性的测量手段用于宇宙各系统的质量测量中，然后再与宇宙的临界密度ρc去对比，结果发现，ΩM已经提高至0.27,比恒星和热气体的贡献高出大约7倍。但是，包含了全部暗物质在内的宇宙平均密度也只达到27%的临界值，故仍然不足以使得宇宙封闭--有朝一日停止膨胀而收缩回来。此刻，我们很茫然，如果在宇宙中再找不到其他的物质成分，我们就只能眼睁睁地看着宇宙永无止境地膨胀下去，人类就只能“冻”死在温度逐步降低的冰冷宇宙中。看来，我们真的别无选择！

　　3、宇宙的命运和暗能量

　　也许，我们对宇宙命运的结论还下得太早或过于武断。毕竟，由爱因斯坦场方程给出的宇宙动力学演化方程包含了三个参数，而我们至此仅仅测量了其中的一个--物质密度参数ΩM,还剩下能量参数ΩΛ和空间曲率参数Ωk,只有把后面两个参数再确定至少一个，我们才能真正预测宇宙的命运。

　　测量能量密度参数ΩΛ并不是一件容易的事，若ΩΛ代表着真空能或宇宙学常数，则它在宇宙空间和时间尺度上都是一个不变化的参数，对于一个仅在宇宙大尺度才显现的常量，我们几乎找不到有效的测量途径。所以，人们的注意力转向了测量宇宙的几何性质，即宇宙曲率参数Ωk.诚然，人们也无法在宇宙空间构造一个三角形去测量其内角之和是否小于、等于或大于180°。

　　大爆炸遗留的火球即微波背景辐射的光子传至地球，经历了漫长的旅途，是人类目前所能接收到的来自最遥远宇宙的信息，它必然携带了宇宙几何的信息。微波背景上面分布着斑斑点点的温度不均匀区域（见图1），尽管其幅度不超过十万分之一，但只要我们知道了微波背景辐射上这些斑斑点点温度不均匀区域之间间距的统计性质，就可以得到宇宙的几何特性。比如，一个开放的、未来永远膨胀的、三角形内角之和小于180°的宇宙，单位面积上斑点的数目就会比较多；相反，若宇宙是闭合的、未来转为收缩并且三角形内角之和大于180°，由于光线的弯曲，单位面积上斑点的数目就相对较少。自1992年发现微波背景辐射的起伏以来，人们进行了大规模的微波背景辐射各向异性的测量，试图获得宇宙的几何性质。经过三十多年的努力，天文学家终于给出了所谓宇宙微波背景辐射角功率谱的精准测量，得出的结论使得我们多少有点惊奇：宇宙的宏观几何形式是平坦的（Ωk=0），三角形内角之和正好等于180°。于是，宇宙将永远膨胀下去。

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