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内容导航：1、宇宙尽头在何方，宇宙现有的几个谜团猜想2、斯蒂芬玻尔兹曼定律：红外线的概念及性质1、宇宙尽头在何方，宇宙现有的几个谜团猜想
宇宙尽头在何方
在19世纪以前，人们认为太阳系几乎就是一切，不相信太阳系以外还存在其他星球。到1900年，人们又认为太阳系所属的银河系就是整个宇宙。至于银河系的大小，当时最大胆的估计是宽约2万光年（光年即光在一年中所走过的距离，约等于94605亿公里），其中包含大约20~30亿颗像太阳一样的恒星。
1920年，天文学家哈洛·沙普利等人根据当时掌握的测量恒星距离的新方法，
算出了银河的真实宽度是10万光年，其中包含的恒星总数达2000—3000亿颗。同20年前的看法相比，银河“扩大”了100倍，而且还断定这极度扩大了的银河，并不是全部宇宙。
与此同时，天文学家又发现宇宙是由许多个像银河系一样的星系集成的，每个星系大约由几十亿到几万亿颗星体组成。而且证明了宇宙是动态的，成群存在的星系彼此相互分离，它们之间的距离越来越大，好像宇宙也在不断扩大。
1929年，美国天文学家埃德温·P·哈勃等人设计出了确定星系距离的多种方法，证明即使是离我们比较近的星系（例如仙女星座系），距离我们也有230万光年。60年代，人们发现某些曾被认为是我们自己星系中的没有光泽的恒星，实际上离我们星系非常遥远，被人们称为“类星体”。这些“类星体”，最近的离我们也有10亿光年，远的则达120亿光年以上。
按照宇宙诞生之后就急速扩大的宇宙模型，可以计算出宇宙的年龄为130亿年。这就是说，从地球到宇宙“尽头”的距离，理论上应是130亿光年。
至于宇宙究竟有多大，它的“尽头”究竟在何处，也许将永远是个谜。
宇宙产生的猜想
宇宙是怎样产生的？这是当今最大的谜。目前，大多数科学家接受的是“大爆炸宇宙学”。这一学说认为，宇宙起源于一个温度极高、体积极小的原始火球。在距今150~200亿年前，由于我们还不知道的物理原因，这个火球发生了大爆炸。随着空间膨胀、温度降低，物质的密度也逐渐减小，原先存在的质子、中子等基本粒子结合成氘、氦、锂等元素，以后又逐渐形成星系、星系团，并逐渐形成恒星、行星，而且在一些天体上还出现了生命现象，最后诞生了人类，宇宙初步形成。
大爆炸学说不断得到证实。1991年4月23日，美国加利福尼亚大学天文物理学家乔治·斯穆特在美国物理学会会议上宣布，他领导的科学小组发现了宇宙诞生初期的物质云团，有力地支持了大爆炸学说。
他们的这一发现引起世界科学界的极大关注，被认为是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家斯蒂芬·霍金4月24日发表声明说：“这是本世纪最重要的发现。”
大爆炸学说可以解释较多的观测现象。例如，天文学家观测到远处的天体总是远离地球而去，这证明宇宙仍在膨胀；各种天体的年龄都小于200亿年，这也符合该学说有关大爆炸后才形成各种天体的推论。另外，大爆炸理论还成功地预言了宇宙背景辐射的存在。大爆炸学说预言在大爆炸之后，星系形成之前宇宙的结构应当是云团。这一巨大云团的发现证实了大爆炸学说的预言，通过对这一云团的观测，科学家可以进一步推测宇宙初期的情景。
而且，这一巨大云团的发现还证实了科学家的另一个预言，即宇宙质量的90%存在于“暗物质”中。以往天文学家观测到的宇宙总质量远比理论上计算出的宇宙总质量要小得多。这些“消失”了的物质被称为“暗物质”。“暗物质”的多少直接影响着宇宙的未来，如果宇宙总质量小于某一数值，那么它将像现在这样一直膨胀下去；如果它的总质量大于这一数值，那么天体之间的引力将使宇宙停止膨胀，并在这一巨大引力作用下开始收缩，形成宇宙“大坍塌”，直至大爆炸前的状态。
宇宙和谐吗
宇宙的运动有规律与和谐似乎已成为一种万古不变的信条。从古希腊时期起，著名的毕德哥拉斯学派就提出了“美是和谐与比例”，进而指出，人类生活的宇宙正是由于这种和谐才演化到今天并且秩序井然的。也正是由于这种和谐，天体才应该是球形的，其运动也应该是圆周运动。
16世纪，哥白尼经过自己的观测，否定了传统的“地心说”，提出了“日心说”。他认为，以太阳为中心的这种宇宙模型既符合天体运动的规律，又体现了一种“美妙的和谐”。后来的德国天文学家开普勒也非常推崇毕德哥拉斯的美学原则，把天体运动同音乐的音阶联系起来。牛顿从力学上对天体运动作了更深入的探讨，他提出了万有引力定律，不仅对运动的变化提出了更科学的解释，而且还指导天文学家发现了海王星。牛顿的万有引力定律体现出宇宙的秩序是如此的和谐。
这种“先定的和谐”也影响着现代天文学的研究。著名的反映宇宙膨胀的“宇宙大爆炸”假说非常具体地体现了“和谐”的原则，它以哈勃关于星系红移的观测事实为基础，并且预言了宇宙背景微波辐射的存在。这些都是宇宙和谐图景在大尺度宇宙空间上的再现。
现代物理学家爱因斯坦指出，宇宙这种先定的和谐可给人以美感和快感，是人类一切文学与艺术创作、毅力和耐心产生的源泉。
长期以来，宇宙的和谐性已被人们普遍接受，但近年来却遭到了挑战。以美国麻省理工学院的科学家萨斯、天文学家威兹德姆为代表的一些人认为，整个太阳系根本无法预测，
也许400万年后，牛顿学说就被证实是错误的。他们认为，在宇宙中存在一种现象，根据某种简单的法则预测，由于许多偶然的因素起作用，会导致非常复杂和无规则的现象，这就是混沌现象。
那么，宇宙的主宰究竟是和谐还是混沌呢？这真是一个无法解释的谜。
宇宙会热死吗
1854年，德国科学家亥姆霍兹提出了宇宙热死说，他指出，宇宙只能使所有的能量转化为热，并最终处于均匀的状态，进而使宇宙陷入永恒的静止状态。这种假说也称作热死假说或热力学假说。
热死假说引起了世人的恐慌，因为那死寂的没有生命的宇宙就等于世界的未日来临，为了消除这个假说，许多科学家都对此进行了尝试，德国物理学家克劳修斯和奥地利物理学家玻尔兹曼曾为此展开争论，后者认为宇宙并非只向一个方向变化，也会向相反方向转化。恩格斯也不同意热死假的观点，他认为这同能量守恒原理相矛盾。
由于热死假说同宇宙无限论相矛盾，主张大爆炸学说的宇宙学家则从宇宙膨胀的观点加以解决。俄国科学家费里德曼曾经作过精密的计算，结果表明宇宙可能会周期性地收缩和膨胀，也可能会无限制地膨胀下去。后来美国天文学家哈勃利用加州威尔逊山上的1.5米望远镜和2.5米望远镜也发现宇宙是在膨胀着。根据这个观点，宇宙物质中分为粒子和辐射（如光线、红外线、紫外线x射线），由于宇宙的热膨胀，粒子是热平衡的，辐射也是热平衡的，但二者之间不是热平衡的，达到热平衡尚须一定的时间，由于引力作用，所以它们没有足够的时间达到热平衡。
然而，一些科学家对于宇宙热膨胀提出了疑问，把某些特定的物理性质的解释都归结到宇宙初始时的情况是不能令人满意的。人们都希望宇宙不会有热死那一天，希望生命和文明世界延续下去，但一直没有找到解决热死假说的办法。
宇宙中最神秘的谜团
黑洞的所谓“黑”，表明它不向外界发射和反射任何光线，因此人们无法看见它，它是“黑”的；所谓“洞”，是表明任何东西一进入它的边界便休想再出去，所以它活像一个真正的“无底洞”。黑洞为什么有这样的特性？这是因为它有极其强大的引力场，以至于任何东西，包括光在内，都不能从中逃掉。不仅如此，黑洞强大的引力场还足以摧垮其内部的一切物体，所以黑洞内部不具备任何类型的物质结构，这就是著名的“黑洞无常定理”。黑洞具有奇特的、令人难以想像的古怪性质。
它的密度大得惊人，如果把太阳变成一个黑洞，它的半径就要从现在的70万千米“压缩”到3千米左右，即缩小到二十三万分之一；如果把我们的地球变成一个黑洞，那么它的半径就要从现在的6000多千米“压缩”到仅几毫米，相当于一颗小小的绿豆。经过天文学家研究，对黑洞的来源有3种看法：一是恒星在其晚年核燃料全部耗尽，星体在其自身引力作用下开始收缩凹陷，如果收留凹陷物质的质量大于太阳质量的3倍，那么收缩凹陷的产物便是黑洞；二是星系或球状星团的中心部分恒星很密集，星体之间容易发生大规模的碰撞，由此产生超大质量的天体坍缩后，便可以形成质量超过太阳1亿倍的黑洞；三是根据大爆炸的宇宙模型推断，大爆炸的巨大力量会把一些物质挤压得极其紧密，于是形成了“原生黑洞”。
天文学家还列举了许多星体轨道畸变的事实，以确认黑洞的存在。但是，尽管天文学家都认定黑洞的存在，但没有一个人找到一个黑洞。因此，黑洞是否存在，至今还是个谜。
2、斯蒂芬玻尔兹曼定律：红外线的概念及性质
红外线的概念及性质
红外线
1、红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米到1毫米之间，频率比红光低的不可见光。
2、一般来说，红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，又称为红外热辐射，热作用强。
3、高于绝对零度的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。
红外线的性质
红外线本质上是一种电磁波，红外线可分为三部分，即近红外线，波长为（3-2.5）～（1-0.75）μm之间;中红外线，波长为（40-25）～（3-2.5）μm之间;远红外线，波长为1500～（25-40）μm 之间。
红外线的特点
1、红外线频率较低，产生热效应。红外线只能穿透到原子、分子的间隙，会使原子、分子的振动加快、间距拉大，即增加热运动能量，从宏观上看，物质在融化、在沸腾、在汽化，但物质的本质并没有发生改变，这就是红外线的热效应。
2、红外线的波长越短，频率越高、能量越大的波穿透达到的范围越大;波长越长，频率越低、能量越小的波穿透达到的范围越小。
红外线的概念及性质
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由英国科学家赫歇尔于1800年发现，又称为红外热辐射，热作用强。他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。
因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒介。红外线的英文名是Infrared，其中的infra-意为意为“低于，在…下”。 太阳光谱上红外线的频率低于可见光线，频率为 0.3THz～400THz，对应真空中波长为 1000μm～0.75μm。
红外线可分为三部分，即近红外线（高频红外线，能量较高），波长为 (3~2.5)μm～(1~0.75)μm 之间；中红外线（中频红外线，能量适中），波长为 (40~25)μm～(3~2.5)μm 之间；远红外线（低频红外线，能量较低），波长为1500μm～(40~25)μm 之间。
红外线（尤其是远红外线）具有很强的热效应，它能够与生物体内大多数无机分子和有机大分子发生共振，使这些分子运动加速并相互摩擦，进而产生热量，因此红外线可以用于加热，也可以应用于分子光谱研究中。远红外线在科研中又称“太赫兹射线”或“太赫兹光”，与微波频段相邻，具有红外线和微波的双重性质，在科研上得到了很多关注，广泛应用于生物、化学、分子光谱学、有机合成等学科领域中。
分类
近红外线（Near Infra-red， NIR）：2.5μm ~ 0.7μm
中红外线（Middle Infra-red， MIR）：25μm ~ 2.5μm
远红外线（Far Infra-red， FIR）：500μm ~ 25μm [1]
极远红外线：1000μm ~ 15μm
红外线辐射源可区分为四部分：
白炽发光区（Actinic range）：或称“光化反应区”，由白炽物体产生的射线，自可见光域到红外域。如灯泡（钨丝灯，TUNGSTEN FILAMENT LAMP）、太阳。
热体辐射区（Hot-object range）：由非白炽物体产生的热射线，如电熨斗及其它的电热器等，平均温度约在400℃左右。
发热传导区（Calorific range）由滚沸的热水或热蒸汽管产生的热射线。平均温度低于200℃，此区域又称为“非光化反应区”（Non-actinic）。
温体辐射区（Warm range）：由人体、动物或地热等所产生的热射线，平均温度约为40℃左右。
红外线的概念及性质
什么是红外线
“红外”，顾名思义，是指在红光的外面光线。具体来说，红外线是指波长在0.76-1000微米之间的电磁波。众所周知．当你取一块三棱镜放在太阳光下，可以看到一条绚丽的彩虹，它是由红、橙、黄、绿、青、兰、紫七包光组成，这七色可见光中，其光波的波长由长至短依次排列．其中紫光的光波最短，红光的光波最长。
那么，红光的外侧．即比红光的光波还长的、看不见的、波长范围在0.76-lOOO微米之间的这段电磁波，即为红外线。
红外线的基本特性[1]
红外线本来就与可见光是不可分割的。因此，可见光所具有的一切特性红外线都有。如光按直线前进、光的反射定律、光的折射定律、光的干涉、光的'衍射、光的偏振等。另外，红外技术的各种应用均以红外线的发射特性和吸收特性为依据，红外线的发射特性最重要的有三条定律。
(一)基尔霍夫辐射定律
对于一定的辐射波长而言，物体的辐射本领和它在同一温度下的吸收本领成正比。换句话说，一个良好的辐射体，它必然是一个良好的吸收体。这一定律，在红外医疗仪器的设计中应用很广。
(二)斯蒂芬—玻尔兹曼定律
W = εσT4
W——总的辐射出射度；
ε——材料表面的发射率；
σ——斯蒂芬—玻尔兹曼常数；
T——物体的绝对温度。
该定律指出物体的总的辐射出射度与物体温度的4次方以及材料表面的发射率成正比。
根据这一定律，一个物体的温度与物体热辐射的总功率有着对应关系，即测量其辐射率就知其温度，相反，知其温度则就知其辐射总功率。应用这个原理可以设计和制造各种医用热象仪和红外治疗仪。
(三)维恩位移定律
峰值波长λm与黑体绝对温度T之乘积为一常数。
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