宇宙大爆炸是怎么回事？爱因斯坦一生中最大的错误又是什么？李永乐老师讲宇宙为什么是膨胀的（2018最新） the big bang||| Big Bang|biggest mistake|Li Yongle on expansion| Was geschah mit dem Urknall, was war Einsteins größter Fehler in seinem Leben und warum dehnt sich das Universum aus, von Mr. Y.L. Lee (2018 Update) What was the Big Bang all about? And what was Einstein's biggest mistake in his life? Mr. Yongle Li on Why the Universe is Expanding (2018 Update) Qu'est-ce que le Big Bang ? Et quelle a été la plus grande erreur d'Einstein dans sa vie ? M. Yongle Li sur les raisons de l'expansion de l'univers (mise à jour 2018)

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 Hello everyone, I’m Teacher Li Yongle

有 同学 问 我 A classmate asked me

我们 为什么 要 认为 宇宙 是从 一次 大 爆炸 开始 的 ||||universe||||Big Bang|| Why should we think that the universe started with a big bang

科学家 是 如何 得到 这个 结论 的

今天 我们 就 来 研究 一下 这个 问题

为了 说明 这个 问题 首先 我们 要 从 一个 佯谬 开始 |||||||||paradox|

称之为 奥伯斯 佯谬 |Aubers| |Oberus|

奥伯斯 是 一位 天文学家

他 提出 了 一个 佯谬

所谓 佯谬 就 指 的 是

和 现实生活 中 的 感觉 完全 相反 的 结论 叫 佯谬 |real life|||||paradox||paradox||paradox

他 说 假如 我们 常规 的 宇宙 是 稳态 的 ||||||||steady state| ||||regular||||steady state|

宇宙 是 稳态 ||steady state

所谓 稳态 是 什么 意思

就是 宏观 来看 这个 宇宙 是 静止 的 均匀 的 并且 是 无限 的 |macroscopic|||||stationary||uniform||and is||infinite|

无限 包含 无限 空间 和 无限 时间

那么 你 在 夜晚 的 时候 看 天空

这个 整个 天空 应该 是 明亮 的 ||the sky|||bright|

而 不 应该 是 只有 几颗 星星 其他 地方 是 黑 的 这 是 不 对 的

宇宙 如果 是 稳态 的 那么 夜晚 天空 就 应该 是 明亮 的 |||steady state|||night sky||||||

这 就是 奥伯斯 佯谬

说 为啥 呀

晚上 的 时候 没有 太阳 为什么 天是 亮 的

这 原因 是 这样 的

他 说 你 看 这个 宇宙 不是 均匀 无限 的 吗 对 不 对 |||||||uniform|infinite|||||

所以 宇宙 中 的 发光 的 星球 在 宇宙 中 弥漫 ||||luminous celestial bodies||||||permeate

弥漫 的 结果 就是 你 从 地球 上去 看 permeate||||||||

假如 这是 地球

你 在 任何 一个 方向 上 都 会 看到 一颗 星

你 在 这个 方向 会 有 一颗 星

你 在 这个 方向 会 有 一颗 星

你 在 这个 方向 看起来 没有 星 |||direction|||

但是 只要 你 足够 远 总 还是 有 一颗 星 的

所以 这些 个 新 的 星光 到达 地球 之后 就 整个 把 你 照亮

你 在 天空 中一看 整个 天空 都 是 亮 的 |||in|||||| |||at a glance||||||

但 事实上 是 这样 吗 不是 吧

我们 的 天空 只有 少数 几颗 星 其他 地方 都 是 黑 的 ||||a few|a few|||||||

这是 为什么

那有 同学 说 是不是 因为 这个 星离 我们 远 呀 ||||||star distance||| ||||||star distance|||

离 我们 远 所以 你 就 看不见 太弱 吗 |||||||too weak|

不会 这样 的

为什么 呢 我们 可以 通过 数学模型 去 计算 它 |||||mathematical model|||

大家 看

假如 这里 有 一颗 星球 它会 发光 ||||||shine

地球 在 这个 位置

这样一来 这个 星球 在 发光 的 时候

它 只有 一部分 光 能 到达 地球 多少 光 呢

假如 这个 星球 发光 的 功率 是 P |||||power output||

地球 和 星球 之间 距离 是 R ||||distance||

那么 星球 会 把 它 的 功率 发到 整个 球面 上 |||||||||surface| |||||||||spherical surface|

所以 地球 上 接收 的 功率 叫 P 收 它 应该 是 正比 于 什么 ||||||||||||proportional|| |||received|||||||||||

应该 是 正比 于 P/(4πR^2) 除以 这个 表面积 |||||R||| |||||surface area|divided by||surface area

因为 你 是 把 这个 功率 P 是 分布 在 整个 球面 上 的 对 不 对 ||||||||distributed|||||||| ||||||||distributed||||||||

所以 说 你 能够 收到 的 是 正比 于 1/(4πR^2) |||||||directly proportional|| |||||||directly proportional||

也就是说 距离 越远 收 的 越少 这是 其一 |||||||first point

但 问题 是 地球 在 一个 方向 去 收 星光 的 时候

它 在 这个 方向 去 收 星光 的 时候

你 仔细 想一想

它 的 这里 有 一个 面

这个 面上 的 每 一个点 发 的 光 都 有 可能 会 到达 地球

而 这个 面 的 面积 S 它 是 正比 于 这个 距离 R^2 的 对 不 对 ||||area||||||||||||

而 星球 因为 有 一个 假设 是 均匀 的 |||||||uniform|

也就是说 每个 地方 星球 密度 是 一样 的

所以 这个 星球 的 个数 ||||number of

在 这个 角度 内 星球 的 个数 它 是 正比 这个 面积 S 的

而 这个 面积 S 根据 相似形 我们 知道 它 正比 于 R^2 |||||similar shape|||||| |||||similar shapes||||||

那 你 会 发现 每 一个 星球 发射 的 光 到达 地球 是 正比 于 1/R^2 的

而 你 在 这个 角度 上 星球 的 个数 又 正比 于 R^2

所以 它们 俩一 乘 ||together| ||the two|multiplied

在 一定 的 角度 内发 的 光 到达 地球 是 跟 你 远近 没有 关系 的 ||||within||||||||||| ||||internal emission||||||||distance|||

不管 是 在 远 还是 在 近 看起来 都 应该 是 一样 亮 的

所以 整个 天空 应该 一直 都 是 亮 的

那么 你 现在 看起来 天空 不是 一直 都 亮 的 怎么回事 啊

所以 人们 对于 这个 问题 就 得 有 一些 解释 对 不 对

那么 我们 来说 一下 解释 吧

比如说 最 开始 人们 认为 宇宙 确实 是 静止 的 ||||||||stationary|

那 这个 问题 怎么 去 解决 呢

比如说 奥伯斯 还有 一些 其他 的 科学家 就 这么 认为

第一个 情况 就是 挡住 了 |situation||blocked|

什么 叫 挡住 了 呢

你 比如说 这个 方向 它 就 黑

这个 方向 为什么 是 黑 的

那 是因为 这有 一个 星球 在 这 发光 对 不 对

结果 这里 有 一个 不 发光 的 黑体 这个 黑体 就 把 光 给 挡住 了 |||||||black body|||||||| |||||||black body|||||||block the light|

所以 说 你 就 看不见 这个 光 有没有 这种 可能 不 可能

为什么 不 可能

因为 你 有 个 假设 宇宙 是 无限 时间 的 |||||||infinite||

经过 无限 时间 照射 这个 方向 的 光会 使 这个 黑体 加热 |||||||light will|||| |||irradiation||||light will|causes|||

升温 到 一定 程度 之后 黑体 就 会 变成 恒星 它 就 开始 发光 了 temperature rise||||||||become|star|||||

所以 早晚 有 一天 所有 的 天空 都 是 亮 的 |||||||||bright|

你 又 假设 宇宙 是 无限 的 所以 天空 还是 亮 的

因此 这种 假设 是 不 成立 的 |||||not established| |||||valid|

还有 一些 邪门 的 假设 ||strange||hypothesis

比如说 所有 的 星体 在 某个 方向 都 排成 一条 直线 |||celestial bodies|||||line up||a straight line

我们 看到 的 一颗 星 它 其实 不是 一颗 它 后面 有 一串 儿 ||||||||||||a string|

而 有些 方向 它 就是 没有 就是 宇宙 的 排列 不是 有 规律 的

那 这 又 和 你 均匀 矛盾 的 对 不 对 ||||||contradiction||||

所以 说 像 这种 情况 这个 被 黑体 挡住 了 不 可能

有 规律 排列 也 不 可能

所以 这种 说法 基本上 是 被 认为 是 错误 的

那 后来 人们 就 想 还有 什么 其他 的 可能 没有 还有

宇宙 如果 不是 静态 的 |||static|

而是 在 膨胀 的 ||expansion|

宇宙 如果 是 在 膨胀 的 这个 就 可以 解释

所谓 宇宙 膨胀 的 意思 是 说

这个 星球 跟 地球 相比 它 不是 静止不动 的 |||||||not stationary|

它 是 一直 在 往外 奔跑 |||||running out

它 如果 一直 在 往外 奔跑 的话

它 所 发射 的 这个 光 就 会 出现 红移 现象 |||||||||redshift|phenomenon

或者说 它 这个 光 的 能量 就 会 变小

能量 变小 了 之后 就 不再 满足 上述 刚才 说 的 这 两个 公式 了 |||||||the above||||||formulas|

所以 这样一来 只要 离 我们 足够 远 的 星球 他 看起来 就是 黑 的

看不见

宇宙 在 膨胀 出现 了 红移 现象

那么 这种 红移 现象 会 造成 某 一个 方向 的 宇宙 看不见

还有 一种 可能 宇宙 是 有限 的

这个 有限 既 包含 有限 的 时间 也 包含 有限 的 空间

所谓 有限 的 意思 是 什么

就是说 在 宇宙 的 之外 是 什么 东西 什么 都 没有

所以 在 某 一个 方向 它 本身 就是 没有 星球 的 对 不 对 ||||||itself|||||||

还有 就是 宇宙 是 有限 时间 的

有限 时间 和 有限 空间

一个 是 空间 有限 所以 某个 方向 它 本身 就 没有 星球

还有 就是 时间 有限 宇宙 时间 是 有限 的

所以 某 一个 星球 发 的 光 还 没有 到达 地球

所以 我们 就 看不见 对 吧

这种 说法 也 是 有 可能 正确 的

那么 现在 我们 就 认为 后面 这 两个 是 正确 的

就是 宇宙 的确 在 膨胀

而且 它 是 一个 有限 的

到底 是 谁 第一个 提出 大 爆炸 呢

我们 要 说明 这件 事 仍然 是 由 广义 相对论 得到 的 ||||||||general relativity|||

首先 呢 爱因斯坦 提出 了 广义 相对论

广义 相对论 从 一 开始 提出 它 的 目的 就是 为了 解释 宇宙

但是 很 遗憾 爱因斯坦 最 开始 提出 广义 相对论 的 时候 ||regrettably|||||general relativity|||

认为 宇宙 还是 静止不动 的 |||still and motionless|

所以 他 引入 了 一个 叫做 宇宙 常数 的 东西 来 修正 这个 模型 ||introduced|||||||||correct||

他 还是 以 静态 模型 来 进行 处理 的

后来 有 一个 俄罗斯 科学家 名字 叫 亚历山大 · 弗里德曼 |||||||Alexander|Friedmann

亚历山大 比较 好 写

这个 亚历山大 他 通过 爱因斯坦 的 方程 进行 求解 发现 ||||||equation|||

你 如果 认为 宇宙 不是 静态 的 而 宇宙 是 一个 膨胀 的

那么 你 就 不 需要 这个 宇宙 常数 了 可以 约 掉 是 吧 ||||||||||to|||

亚历山大 这个 结论 比 爱因斯坦 更 先进 了 一步

而 爱因斯坦 的确 承认 他 自己 错 了

被 称为 自己 一生 中 最大 的 一个 错误 就是 爱因斯坦 认为 的

因为 爱因斯坦 最 开始 认为 宇宙 是 静态 的

后来 有 一个 科学家 名字 叫 哈勃 ||||||Hubble ||||||Hubble

哈勃 通过 观测 红移 现象 得出 的 一个 结论 什么 结论

远处 的 星球 的确 在 离 我们 而 去 而且 离得 越远 跑 得 就 越 快

这个 就 称之为 哈勃 定律

通过 哈勃 定律 我们 就 明白 了 宇宙 的确 是 在 膨胀 的

我们 明白 了 宇宙 膨胀

那么 宇宙 既然 是 膨胀 的 就 一定 是 有限 的

为什么

你 想

这些 个 宇宙 目前 它 还 在 一圈 一圈 往外 膨胀

宇宙 是 在 往外 膨胀 的

那么 在 膨胀 之前 我 倒 推回去 ||||||push back

宇宙 之前 的 结果 一定 越来越 小 越来越 小

最终 会 集中 在 一个点 上

那么 这个 点 密度 无穷大 称为 超密态 ||||||super dense state ||||||super dense state

一切 的 物理 规律 在 这 一点 上 都 不再 成立 了 ||||||||||establish|

我们 起个 名字 叫 什么 我们 只能 起个 名字 叫 大 爆炸

Big Bang 对 吧 叫 大 爆炸 |explosion|||||

所以 我们 就 想 既然 宇宙 在 膨胀 ||||since|||

那么 宇宙 的 开端 一定 是 一个 超密态 的 点

这个 点 就 称之为 大 爆炸

大 爆炸 发生 在 距今 137 亿年 之前 ||||ago|billion years|

那么 我们 是 怎么 推算出 这个 时间 的 ||||calculate out|||

哈勃 定律 的 内容 又 是 什么

这个 内容 我们 会 在 下 一节课 给 大家 进行 讲解 ||||||||||explanation

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