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） 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)

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 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

称之为 奥伯斯 佯谬

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

他 说 假如 我们 常规 的 宇宙 是 稳态 的

宇宙 是 稳态

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

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

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

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

所以 宇宙 中 的 发光 的 星球 在 宇宙 中 弥漫

弥漫 的 结果 就是 你 从 地球 上去 看

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

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

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

这是 为什么

那有 同学 说 是不是 因为 这个 星离 我们 远 呀

离 我们 远 所以 你 就 看不见 太弱 吗

不会 这样 的

为什么 呢 我们 可以 通过 数学模型 去 计算 它

大家 看

假如 这里 有 一颗 星球 它会 发光

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

地球 和 星球 之间 距离 是 R

那么 星球 会 把 它 的 功率 发到 整个 球面 上

所以 地球 上 接收 的 功率 叫 P 收 它 应该 是 正比 于 什么

应该 是 正比 于 P/(4πR^2) 除以 这个 表面积

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

所以 说 你 能够 收到 的 是 正比 于 1/(4πR^2)

也就是说 距离 越远 收 的 越少 这是 其一

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

而 星球 因为 有 一个 假设 是 均匀 的

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

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

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

在 一定 的 角度 内发 的 光 到达 地球 是 跟 你 远近 没有 关系 的

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

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

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

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

经过 无限 时间 照射 这个 方向 的 光会 使 这个 黑体 加热

升温 到 一定 程度 之后 黑体 就 会 变成 恒星 它 就 开始 发光 了

所以 早晚 有 一天 所有 的 天空 都 是 亮 的

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

还有 一些 邪门 的 假设

比如说 所有 的 星体 在 某个 方向 都 排成 一条 直线

我们 看到 的 一颗 星 它 其实 不是 一颗 它 后面 有 一串 儿

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

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

而是 在 膨胀 的

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

它 是 一直 在 往外 奔跑

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

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

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

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

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

认为 宇宙 还是 静止不动 的

所以 他 引入 了 一个 叫做 宇宙 常数 的 东西 来 修正 这个 模型

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

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

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

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

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

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

一切 的 物理 规律 在 这 一点 上 都 不再 成立 了

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

所以 我们 就 想 既然 宇宙 在 膨胀

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

那么 我们 是 怎么 推算出 这个 时间 的

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

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