標準宇宙模型樣本

資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。標準宇宙模型的發(fā)展和展望摘要:《觀測宇宙學》第三章宇宙模型和宇宙的演化,主要介紹了從廣義相對論建立以來,人們對宇宙的認識的變化過程。經(jīng)過對本章的學習,我了解到了幾種不同的宇宙模型,以及她們各自的優(yōu)缺點,了解了在各個模型條件下宇宙的誕生和演變過程。其中有代表性的有伽莫夫大爆炸宇宙模型、霍伊爾的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型、狄拉克大數(shù)宇宙模型等。在此,我僅根據(jù)自己的理解以及文獻的參考,談一談自己對標準宇宙模型的理解以及該模型的可觀測證據(jù)和它所面臨的困難。關(guān)鍵詞:標準宇宙模型;證據(jù);困難;一,標準宇宙模型所謂標準宇宙模型是指以弗里德曼宇宙模型為基礎,伽莫夫?qū)⑵溥\用于早期宇宙的演化而形成的一種宇宙模型。她是一種結(jié)合核物理、粒子物理、相對論、量子力學知識對宇宙起源和演化的一種解釋。是當前主流的宇宙模型。1.愛因斯坦宇宙19,愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論,提出了引力只不過是由于物體的質(zhì)量而使時空變彎曲的后果。在此基礎上建立的愛因斯坦宇宙模型,為現(xiàn)代宇宙學奠定了基礎。廣義相對論在以下兩個極端的領(lǐng)域里應當是重要的。一個是在超高密度物質(zhì)附近,例如在中子星或黑洞等致密天體附近,時空的彎曲將很顯著;另一個是在宇宙尺度上,盡管宇宙的平均密度很低,時空彎曲很小,但因宇宙涉及的尺度極大,時空彎曲在大范圍的積累效應不可忽略。愛因斯坦宇宙是一個靜態(tài)的宇宙,該模型的一個嚴重缺點是它的不穩(wěn)定性。按此模型,宇宙一旦經(jīng)受了一個即使是非常微小的收縮,則由于引力的增加,必將一直收縮下去;反之,一旦有一個微小的膨脹,則必將一直膨脹下去。既然愛因斯坦的靜態(tài)宇宙是不穩(wěn)定的,也就沒有必要再假設宇宙是靜止的了。2.弗里德曼宇宙1922年,弗利德曼提出了宇宙在膨脹的假設。1927年,勒梅特利(G.Lemaitre)進一步指出,當時已發(fā)現(xiàn)的星系譜線紅移現(xiàn)象,可能就是宇宙膨脹的表現(xiàn)。這些預言,被1929年發(fā)現(xiàn)的哈勃定律所證實。這就是著名的弗利德曼宇宙模型,它是現(xiàn)代宇宙學的基礎。弗里德曼宇宙采用RW度規(guī),形式如下:(1.1)其中k稱為曲率指數(shù),能夠取1,0和1三個值。當時,r的取值范圍限制在小于1,否則分母會取零或負值,ds可能是虛數(shù)。當時,宇宙的尺度范圍是有限的,或者說是封閉的,這時R相當于宇宙的半徑。當時,宇宙的尺度范圍能夠取任意值,是無限的,或者說是開放的,這時R只是宇宙中某個典型的尺度。對于膨脹的宇宙,,R(t)隨著時間t的增長而增大。然而,引力的存在使膨脹速率減慢,故有.因此,能夠利用以下兩個可觀測量來描述宇宙的膨脹: , , (1.2)其中是t時刻的哈勃常量,能夠與現(xiàn)在時刻的哈勃常量H0不同,q是宇宙減速因子。二,熱大爆炸如果宇宙在長時間內(nèi)一直在膨脹著,那么物質(zhì)密度就一直在逐漸變稀。往前追溯至宇宙尺度為今天的百分之一時,宇宙密度將達到今天的106倍,超過了星系的密度(約為今天宇宙平均密度的105倍),于是星系將擠在一起,實際上它們不能存在。由此可見,宇宙的結(jié)構(gòu)在某一時間之前是不存在的,它只能是演化的產(chǎn)物。在沒有結(jié)團之前,宇宙一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體,在熱平衡下有均勻的溫度,稱為宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使宇宙溫度降低,反之往前追溯,越早的宇宙就有越高的溫度。這樣,甚早期的宇宙就應當是溫度很高、密度很大的氣體,它以很大的速率膨脹著。這正是宇宙熱大爆炸觀念的基本看法。1950年前后,伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。她假設宇宙的歷史能夠追溯到溫度1010K以上,這時粒子之間的熱碰撞足以使原子核瓦解。因此,原子核作為微觀性結(jié)團,也只能是宇宙演化的產(chǎn)物。伽莫夫等人成功地解釋了氦的宇宙平均豐度高達1/4的事實?？墒?她的初步理論并沒能贏得當時人們的信任。直到最近20多年來,這一理論才發(fā)展得比較成熟。能夠設想,宇宙誕生的時候,物質(zhì)密度為無限大。這時,空間是高度彎曲的,能量集中為引力能。隨著宇宙的膨脹,引力能逐漸轉(zhuǎn)化為粒子能,從而產(chǎn)生出各種各樣的粒子來。宇宙繼續(xù)膨脹,溫度繼續(xù)下降,就會演出一幕幕生動真切的演化畫面來。這個大爆炸宇宙學由于只用了已知的物理學規(guī)律,非常簡單地描述了宇宙的性質(zhì)、運動和演化,并得到了觀測事實的支持,現(xiàn)在已為大多數(shù)學者所認可,稱之為宇宙學的標準模型。三,宇宙的演化表一給出了宇宙演化的時間表。我們今天的物質(zhì)世界,是在約一二百億年時間內(nèi),由一連串的物理過程逐步形成的。物質(zhì)世界各色各樣的粒子是在宇宙誕生僅約10-44s的普朗克時代產(chǎn)生出來的。T/KE/eVt時代物理過程103210281044s普朗克時代粒子產(chǎn)生102810241036s大統(tǒng)一時代重子不對稱性產(chǎn)生1013109106s強子時代大量強子過程1011107102s輕子時代輕子過程510951055se+e湮沒1091053min核合成時代4He等生成41030.44105a復合時代中性原子生成,光子脫耦,星系形成2.731041010a現(xiàn)在表一:宇宙的演化過程四．標準宇宙模型的觀測證據(jù)1.宇宙背景輻射宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)和熱譜的驗證,歷來被視為證實了標準宇宙的一項重要預言。標準模型認為充滿宇宙的背景輻射產(chǎn)生于宇宙的早期,且隨著宇宙的膨脹而冷卻,COBE衛(wèi)星的觀測結(jié)果證實了波長約從0.5mm到30mm的波段內(nèi),宇宙背景輻射譜與各向同性的熱普朗克譜符合極佳?！睒藴誓Ｐ途蛿嘌云渥V必定非常接近于熱譜,而觀測結(jié)果正是如此”2.輕元素豐度和中微子代數(shù)在標準宇宙模型中,宇宙早期的熱密狀態(tài)下,一系列的熱核反應確立了有關(guān)輕元素的相對豐度,具體的豐度值則依賴于諸宇宙學參數(shù)。右圖給出了標準模型預言的輕元素豐度。已知現(xiàn)在的溫度值T0,并假定一個現(xiàn)實的物質(zhì)密度,宇宙的熱史便隨之確定,包括整核綜合時期的密度、溫度和膨脹速率。在物質(zhì)均勻分布,且輕子數(shù)可與重子數(shù)相比擬的標準計算中,所得到的輕元素豐度和觀測結(jié)果符合極佳,這是標準模型的又一重要成就。3.紅移的原本問題標準模型認為河外天體光譜線的紅移源于宇宙膨脹,故高紅移天體必較低紅移天體更遠。總所周知,已經(jīng)有大量的觀測事實支持了這一論斷。標準宇宙模型預言了低紅移星系會對高紅移天體產(chǎn)生引力透鏡效應。而觀測上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的前景星系和星系團對類星體的引力透鏡成像,為這類高紅移類星體處于地紅衣星系背后提供了實例。4.星系和類星體的演化在標準模型中,相應于紅移Z≈0.6---1的宇宙年齡為今日宇宙年齡的一半,如今觀測到的天體的最大紅移值已經(jīng)超過7,標準宇宙模型預言,在這樣大的紅移范圍之內(nèi),應該能觀測到星系和類星體性質(zhì)的顯著演化。檢驗演化的方法之一是星系隨紅移或視星等的計數(shù)。對致密富星系團的認證深度已經(jīng)達到Z≈1,Z≥0.8的某些富星團顯示出一些反常的藍星系,即所謂的Butcher-Oemler效應。強射電星系的認證已達到相當高的紅移,射電星系的光學-紅移外形態(tài)表現(xiàn)出某種隨紅移變化的顯著趨勢。在紅移Z≈2-2.5處,類星體的數(shù)目至少為現(xiàn)時的103倍。因此,在宇宙歷史上似乎有一個”類星體時期”,她們表現(xiàn)出了數(shù)目的演化。五．標準模型的困難標準宇宙模型系統(tǒng)的闡述了宇宙演化各個時期的物理狀態(tài)和演化過程,給出來一幅非常自然的圖景,而且解釋了大量的觀測事實。這一理論的巨大成功是20世紀科學的重大成就之一。宇宙學的標準模型在成功地解釋了宇宙的基本觀測事實之后,也還面臨著兩方面的挑戰(zhàn)。一方面,標準模型本身還存在一些根本性的困難;另一方面,觀測技術(shù)的進一步改進還會帶來新的挑戰(zhàn)。在宇宙早期,如在普朗克時代,由于空間高度彎曲,引力場必須量子化,這屬于量子宇宙學問題。20世紀80年代以來,量子宇宙學已有了一些很有思想性的推斷,但遠未形成成熟的理論。到大統(tǒng)一時代,盡管已經(jīng)產(chǎn)生了像重子起源和暴脹宇宙這樣重大的概念性突破,可是大統(tǒng)一理論本身還帶有很大的猜測性和不準確性,它還遠遠不是一種成熟的理論。而且,由于涉及的粒子能量非常高,不可能經(jīng)過加速器來取得數(shù)據(jù)。從天文學角度看,只能經(jīng)過遺跡來判斷大統(tǒng)一時代的情況,這也十分困難。學角度看,只能經(jīng)過遺跡來判斷大統(tǒng)一時代的情況,這也十分困難。復合時代以來,宇宙經(jīng)歷著從均勻氣體的平庸狀態(tài)演化到星體世界的過程,這又是一個十分重要的難題。從純理論的角度看,結(jié)構(gòu)形成理論至少依賴于三個基本的宇宙信息,即宇宙密度有多大,今天宇宙的主要組分是什么,擾動的最初起源是什么。這些信息都密切地與甚早期宇宙的知識和超高能物理的知識相聯(lián)系,我們對它們的了解至今還不準確。另外,宇宙的標準模型還存在幾個根本性的困難,其中最主要的是所謂的視界疑難、平直性疑難和磁單極疑難。1)按照大爆炸宇宙學,計算宇宙極早期(如1039s)的熱力學過程能夠得到一個結(jié)論:那時宇宙中至少存在1083個無因果關(guān)系的區(qū)域。這意味著極早期的宇宙是極不均勻的。可是,宇宙學原理和微波背景輻射都表明宇宙是十分均勻的,那么宇宙是怎樣在極短的時間內(nèi)一下子由極不均勻變得十分均勻了呢?這就是所謂的視界疑難。2)根據(jù)大爆炸宇宙學和現(xiàn)在的觀測事實能夠推斷,在宇宙年齡接近普朗克時間tp時,應該有作為宇宙演化的初始條件,這就是說宇宙在極早期已經(jīng)十分接近平直,然而為什么會這樣?這就是所謂的平直性疑難。3)理論計算表明,宇宙中所含磁單極子密度n≥4103/m3,可是實驗觀測并沒有發(fā)現(xiàn)磁單極子。根據(jù)實驗的精度,如果磁單極子存在的話,其密度n<81019/m3.理論與迄今為止的實驗觀測很不一致,這就是所謂的磁單極疑難。這些疑難的一個關(guān)鍵是宇宙的膨脹太慢。六．結(jié)論標準宇宙模型自誕生以來,經(jīng)過一代天文學家的不斷研究,理論上的不斷補充,已經(jīng)日漸完善。已經(jīng)能夠解釋許多觀測現(xiàn)象。給出來的宇宙圖景,宇宙演化史也比較清晰。同時她還有許多不完美的地方,需要實驗水平的不斷提高,觀測手段的不斷創(chuàng)新才能有所突破。當前,宇宙學是一門數(shù)據(jù)貧乏的科學。我們需要更多地知道有關(guān)宇宙的現(xiàn)在和它的早期時刻的情形。關(guān)于后發(fā)座星系團的重子物質(zhì)的觀測,氘豐度和哈勃常量的新測定,宇宙物質(zhì)的原