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乡度宓
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1 安徽师大关工委大学生科普讲座宇宙的来历 2006 诺贝尔物理奖解读安徽师范大学物理与电子信息学院陆同兴初稿修改

2 内容一浩瀚宇宙二宇宙诞生于大爆炸? 三宇宙大爆炸证据四八大谜团

3 一浩瀚宇宙

4 何谓宇宙? 在中国, 在最早的庄子齐物论中, 宇的含义包括各个方向, 如东西南北的一切地点宙包括过去现在白天黑夜, 即一切不同的具体时间淮南子. 原道训注 : 四方上下曰宇, 古往今来曰宙, 以喻天地, 即宇宙是天地万物的总称, 是时间和空间的统一英语中更常用词 Universe 是天地万物万有的意思 cosmos, κοσµοζ 古希腊人认为宇宙的创生乃是从浑沌中产生出秩序来, 称宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体与弥漫物质的总称

5 天文望远镜是观测天体的最重要手段从 1609 年伽利略发明光学望远镜起, 在波长上从射电波长可见光 x 光到咖码光 ; 在构置上有透射反射式及组合式, 在安置上有地面到太空, 形式多种多样望远镜宇宙的观察手段 1609 年伽利略发明的望远镜射电望远镜 (1937 年 ) 即将建造的巨型麦哲伦望远镜, 由七个直径 8.4m 镜头组合式哈勃望远镜年中国最大的光学望远镜

6 宇宙的尺度天文学上人们常用光所走过的时间来计算距离光的速度是每秒 300,000 公里, 每秒钟可绕地球 7.5 圈光在 1 年中所走的距离称为光年, 为 : d = ct = ( 300,000) (1yr) = km 地球月球的平均距离为 384,000 公里, 约需 1.3 秒钟 ; 地球太阳约需 8.4 分钟 ; 地球其他恒星不少于 3 光年地球 8.4 分钟太阳秒差距 (parsec) 天文上常用的另一个测量恒星距离的单位以地球公转轨道半径为底边所对应的三角形内角称为视差当这个角为 1 角秒时, 三角形一条边的长度为 1 秒差距 1pc 地球 1.3 秒钟月亮 1 pc= 3.26 光年 1 Mpc= 3.26 x10 6 光年

宇宙由星系星团星际气体尘埃物质等构成星系宇宙中庞大的星星的岛屿, 也是宇宙中最大

太阳就是其中之一银河系的结构是一个典型螺旋状恒星系从侧面看, 银河系是一个中间厚

7 宇宙由星系星团星际气体尘埃物质等构成星系宇宙中庞大的星星的岛屿, 也是宇宙中最大最美丽的天体系统之一目前人们已在宇宙观测到了约一千亿个星系它们中有的离我们较近, 可以清楚地观测到它们的结构 ; 有的非常遥远, 已知最远的星系离将近一百三十亿光年银河系银河系是宇宙中的一个普通星系, 它约包含了两千亿颗星体, 其中约一千亿颗为恒星, 太阳就是其中之一银河系的结构是一个典型螺旋状恒星系从侧面看, 银河系是一个中间厚边缘薄的扁平盘状体银盘的直径约 10 万光年, 中央厚约 1 万光年太阳系居于银河系边缘, 距银河系中心约 3.3 万光年

星团银河系中约有 500 个球状星团, 全天最亮最大的是半人马座 ω 星团 (NGC5139) ω 星团的成员达到几百万颗恒星, 中心部分的恒星彼此相距平均只有 0.

8 河外星系, 是位于银河系之外由几十亿至几千亿颗恒星星云和星际物质组成的天体系统仙女座星系是最靠近我们银河系的一个主要河外大星系, 距离我们约 250 万光年包含 1 万多亿颗星球, 是至今为止发现的最大星系星系整体跨度为 22 万光年, 在晴朗的夜晚可以用肉眼观测到它恒星往往成群分布数目在十个以上, 而且在物理性质上相互联系的星群叫做星团银河系中约有 500 个球状星团, 全天最亮最大的是半人马座 ω 星团 (NGC5139) ω 星团的成员达到几百万颗恒星, 中心部分的恒星彼此相距平均只有 0.1 光年 1677 年, 天文学家哈雷发现这个星团时误以为是一颗恒星, 因为用肉眼虽然能直接看到它, 却不能分辨出它内部团聚的恒星 ω 距离地球约光年, 年龄大约 120 亿岁河外星系

星云极其稀薄的气体和尘埃组成星云蟹状星云是 1054 年中国古代天文学家最早发现天关客星蟹状星云

源于一次超新星 ( 天关客星 ) 爆炸星云中心, 有一颗正在高速旋转的脉冲星猎户座大星云,

猎户座大星云正不断孕育出大量新的恒星, 其中大部分恒星都形成于 200-300 万年前,

9 星云极其稀薄的气体和尘埃组成星云蟹状星云是 1054 年中国古代天文学家最早发现天关客星蟹状星云 (M1, 或 NGC 1952) 位于金牛座 ζ 星东北面, 距地球约 6500 光年它是个超新星残骸, 源于一次超新星 ( 天关客星 ) 爆炸星云中心, 有一颗正在高速旋转的脉冲星猎户座大星云, 为最接近我们的一个恒星形成区, 直径约 16 光年, 距地球约 1500 光年猎户座大星云正不断孕育出大量新的恒星, 其中大部分恒星都形成于万年前, 实际年龄不到太阳和地球的千分之一该星云中的许多恒星目前正处于形成阶段在星云的附近有许多恒星组成一个银河星团, 称为猎户座星云星团哈勃望远镜拍摄到的猎户座星云全景照片

包括一些暗星系在内, 总数可能上万哈勃太空望远镜拍摄的 CL0024+17 星系团影像超星系团大尺度结构人们把 10Mpc 以上的星体结构称为宇宙的大尺度结构这一层次叫超星系团 (super-cluster of galaxies),

10 星系团与大尺度结构星系团星系的空间分布不是无规的星系气体和大量暗物质在引力的作用下可能聚集成庞大的天体系统, 它们被称为星系团 (cluster of galaxies), 代表宇宙结构中比星系更大一个新层次星系团包含的星系数相差很大, 少的只有十几个星系, 多的可达数千星系团的平均直径约为 5 Mpc 目前已发现上万个星系团, 距离远达 70 亿光年之外小星系团, 如本星系群有银河系仙女星系等约 40 个星系大星系团, 如后发星系团有上千个较明亮的成员星系, 包括一些暗星系在内, 总数可能上万哈勃太空望远镜拍摄的 CL 星系团影像超星系团大尺度结构人们把 10Mpc 以上的星体结构称为宇宙的大尺度结构这一层次叫超星系团 (super-cluster of galaxies), 典型尺度为数十 Mpc 观测表明, 星系在大尺度上的分布呈泡沫状即有许多看不到星系的空洞区, 而星系聚集在空洞的壁上, 呈纤维状或片状结构当我们把星系看成宇宙物质的基本单元, 那么星系的分布状况就是宇宙结构现在看来, 直至 50Mpc 的尺度为止, 星系的分布呈现有层次的结构

11 二宇宙诞生于大爆炸? 一种基于理论研究与实验观测的流行理论

认为宇宙间应用新的引力场方程替代牛顿的万有引力方程 R ab 1 2 g ab R = 8πGT ab g ab 四维时空度规张量, R ab

12 爱因斯坦的宇宙 1666 年, 牛顿从开普勒定律出发, 推导出行星在它们的轨道上运动的力与它们到旋转中心 ( 太阳 ) 的距离平方成反比, 发现了具有划时代意义的万有引力定律 F m1 m G R = 年, 爱因斯坦提出了广义相对论认为宇宙间应用新的引力场方程替代牛顿的万有引力方程 R ab 1 2 g ab R = 8πGT ab g ab 四维时空度规张量, R ab 空间曲率张量, R 曲率标量, T ab 物质的能量 - 动量张量爱因斯坦称这是他一生最大的错误为建立一个静态有限无界的宇宙模型, 爱因斯坦对场方程引入了一个修正常数 Λ, 称为宇宙常数

13 早在 1912 年, 施里弗 (Slipher) 就得到了星云的光谱, 结果表明许多光谱都具有红移这是光学多普勒效应的结果说明这些星云在朝远离我们的方向运动随后人们知道, 这些星云实际上是类似银河系一样的星系哈勃的发现相对于实验室的某元素谱线, 该元素从遥远星球来的谱线波长变长了, 称为谱线红移 u ν = ν 0 1 c c 光速 u 星球退行速度 ν 静止物体谱线频率 0 ν 运动物体谱线频率

Gamow 1904 1968) 美籍俄裔核物理与宇宙学家根据天文观测, 宇宙中质量约占 25% 的化学元素是氦这么多氦无法在恒星内部核反应中合成,1948 年, 伽莫夫大胆提出了氦元素是在宇宙大爆炸几分钟后合成的在他的研究生 R A

14 1922 年, 年轻的苏联数学家 A A 弗里德曼通过理论推导, 率先预言了宇宙的膨胀 1927 年, 比利时人乔治勒梅特, 在计算爱因斯坦场方程的基础上, 认为宇宙的物质和能量最初都高密度聚集在一个不稳定的宇宙蛋或原初原子中, 由于某种原因宇宙蛋向外爆炸, 并逐渐向外扩散形成了今天我们所看到的各种宇宙成分宇宙大爆炸的预言伽莫夫 (G. Gamow ) 美籍俄裔核物理与宇宙学家根据天文观测, 宇宙中质量约占 25% 的化学元素是氦这么多氦无法在恒星内部核反应中合成,1948 年, 伽莫夫大胆提出了氦元素是在宇宙大爆炸几分钟后合成的在他的研究生 R A 阿尔弗的博士论文中提出, 约在亿年前, 宇宙是个高温高密的原始火球, 球内充满辐射和基本粒子当原始火球温度下降到 10 亿 K 时, 基本粒子发生核聚变反应, 并因爆炸而膨胀, 爆炸后早期宇宙的环境合成了今天人们看到的各种元素 1948 年 4 月, 伽莫夫等人在物理评论通讯上发表化学元素的起源, 论述了宇宙起源于大爆炸的思想此后, 阿尔弗与赫尔曼在自然杂志上发表了另一篇论文, 提出了证实大爆炸理论的方法

大爆炸模型是这样的 : 宇宙是不断膨胀的, 而且由于引力的作用, 膨胀的速度会随时间发生变化万有引力作用于宇宙一切物质与能量之间, 起到剎车的作用, 阻止星系外跑, 从而使膨胀速度越来越慢在诞生初期, 宇宙从高密度状态迅速膨胀, 随着时间的推移, 宇宙体积越来越大, 膨胀速度越来越小大爆炸宇宙模型宇宙的起源于一个具有无限高温度的点 At the actual start of the

15 大爆炸模型是这样的 : 宇宙是不断膨胀的, 而且由于引力的作用, 膨胀的速度会随时间发生变化万有引力作用于宇宙一切物质与能量之间, 起到剎车的作用, 阻止星系外跑, 从而使膨胀速度越来越慢在诞生初期, 宇宙从高密度状态迅速膨胀, 随着时间的推移, 宇宙体积越来越大, 膨胀速度越来越小大爆炸宇宙模型宇宙的起源于一个具有无限高温度的点 At the actual start of the Big Bang, there is no size (only a point) and temperature is infinite 按照大爆炸模型, 宇宙演化到现今人们所见到的景象, 经历了创生, 暴胀 ( 年龄约为秒 ), 原初元素合成 ( 年龄约为 100 秒 ), 光子电子退耦和原子形成 ( 年龄约为 10 万年 ), 第一代恒星形成 ( 年龄约为 2 亿年 ), 等几个重要时期 ( 年龄约为 137 亿年 ) 大爆炸 BIG BANG 大爆炸理论的反对者霍伊尔认为, 认同大爆炸模型等于公然邀请创世理论, 在与上帝妥协

16 三宇宙大爆炸证据

物理学认为, 一切物体与周围电磁辐射处于相互作用之中一方面物体向周围发射电磁辐射,

17 物理学认为, 一切物体与周围电磁辐射处于相互作用之中一方面物体向周围发射电磁辐射, 同时又吸收来自周围的辐射当热平衡时, 物体发射与吸收相等如果没有反射, 物体能全部吸收外来的辐射, 则这样的物体称为黑体黑体发射电磁辐射的能力比同温度下的任何其它物体强绝对黑体是很难找到的, 但是一些发热物体, 例如木炭电热器白炽灯等, 具有近似黑体辐射性质黑体辐射? 黑体的电磁辐射不是在单一波长上的辐射, 而是有一个波长的分布范围黑体辐射按波长的分布仅与温度有关, 与物体的性质无关, 并由普朗克定律表述人们常可以从测量所获得的噪声功率密度对波长的分布曲线上, 求得该物体的温度

宇宙应当残留有温度为几开的背景辐射, 与之对应的波长在厘米波段上, 从而引起了学术界对背景辐射的重视 Robert Henry Dicke May 6, 1916 March 4, 1997 上世纪 60 年代, 普林斯顿大学的 R.H. 迪克设想, 在宇宙历史的早期热密阶段可能有些可观测到的辐射遗留下来在迪克这一思想的推动下, 该大学的一位青年理论工作者 P.

18 大爆炸的余辉既然宇宙诞生于 100 多亿年的大爆炸宇宙间物质肯定非常寒冷, 但不至于没有一点余温它应该是与某个波长范围相对应的低温辐射, 并充斥于整个宇宙之中, 称之为宇宙背景辐射托尔曼 (Tolman) 第一个研究了宇宙背景辐射,1934 年他提出宇宙背景辐射以黑体辐射的形式保留下来 1948 年, 伽莫夫等人计算, 如果宇宙最初的温度约为十亿度, 则会残留有约 5~10k 的背景辐射 1964 年, 苏联的泽尔多维奇英国的霍伊尔泰勒美国的皮伯斯等人都预言, 宇宙应当残留有温度为几开的背景辐射, 与之对应的波长在厘米波段上, 从而引起了学术界对背景辐射的重视 Robert Henry Dicke May 6, 1916 March 4, 1997 上世纪 60 年代, 普林斯顿大学的 R.H. 迪克设想, 在宇宙历史的早期热密阶段可能有些可观测到的辐射遗留下来在迪克这一思想的推动下, 该大学的一位青年理论工作者 P.E.J. 皮伯斯进行了计算, 得出早期宇宙遗留下来的背景辐射约为 10 K 迪克并建议 P.G. 罗尔和 D.T. 威克森来建造一种低噪声的天线去探测这种辐射

彭齐亚斯和威尔逊的烦恼 1964 年, 贝尔实验室的射电天文学家 A. 彭齐亚斯和 R.W. 威尔逊, 为了改进卫星通讯, 建立了高灵敏度的号角式接收天线系统, 配备了最低噪声的红宝石微波激射器 64 年 5 月, 他们在 7.35cm 处测量天顶处的噪声, 发现天线总噪声温度为 6.7K, 在扣除了所有可能的噪声之后, 发现仍有 3.

19 彭齐亚斯和威尔逊的烦恼 1964 年, 贝尔实验室的射电天文学家 A. 彭齐亚斯和 R.W. 威尔逊, 为了改进卫星通讯, 建立了高灵敏度的号角式接收天线系统, 配备了最低噪声的红宝石微波激射器 64 年 5 月, 他们在 7.35cm 处测量天顶处的噪声, 发现天线总噪声温度为 6.7K, 在扣除了所有可能的噪声之后, 发现仍有 3.5K 余额 1965 年初, 他们在对银河系银晕气体射电强度测量前, 清除了天线上鸟粪等所有污物, 以降低一切可能出现的噪声, 结果依然消除不掉 3.5K 的额外噪声在随后一年的观测中, 发现这个额外噪声四季不变, 且与方向无关彭齐亚斯和威尔逊为此感到非常困惑 A. 彭齐亚斯 (Penzias Arno,1933~) 美国射电天文学家 21 岁毕业于纽约市立大学, 25 岁获哥伦比亚大学硕士学位 1961 年到贝尔电话实验室, 翌年获博士学位 1972 年任无线电物理部主任 1975 年美国科学院院士 R. 威尔逊 (Robert W.Wilson,1936~) 威尔逊 1936 年出生于休斯敦 1962 年获博士学位 1963 年进入贝尔实验室, 致力于射电天文方法研究星际分子测定星际物质中同位素的相对丰度 1976 年任无线电物理部的主任人们常将测量到的噪声功率, 换算成噪声等效温度 T: T=P/kB P- 在 B 带宽内收到的噪声功率 k- 玻耳兹曼常数

20 宇宙背景辐射的确认在得知迪克小组的工作后, 彭齐亚斯与迪克通了电话迪克寄去了皮布尔斯的论文预印本, 与同事们访问了彭齐亚斯实验基地双方商定在天体物理学发表各自的成果, 迪克小组是理论文章宇宙黑体辐射, 彭齐亚斯的是实验报导 4080MHz 处天线额外温度测量论文发表引起极大反响, 对宇宙学发展影响不可估量 CMB 在宇宙各处具有各向同性无偏振, 经最后修订, 它是 2.7K 绝对温度 ( 零下 ) 的黑体谱根据理论分析, 在极热状态下早期宇宙处于热平衡状态下, 热辐射能量密度分布遵循普朗克定律, 具有各向同性特点随着宇宙的热膨胀, 宇宙逐渐冷却, 残存的光辐射谱仍应保持普朗克分布彭齐亚斯与威尔逊检验到的辐射是否服从这一分布? 在 1965 后近十年中, 许多小组参加了测试, 证实彭威观测到的额外天线温度属于宇宙微波背景辐射 (CMB) 彭齐亚斯和威尔逊获得了 1978 年度诺贝尔物理学奖对应于 2.7K 辐射温度 1 迪克小组 :3.2cm 波段,3.0±0.5K, 2 夏克斯哈夫特小组 :20.7cm 波段,2.8±0.6K, 3 彭齐亚斯小组 :21.1cm 波段,3.2±0.1K 4 康奈尔大学的火箭小组和麻省理工学院的气球小组完成高空观测, 获得远红外区 3K 黑体辐射, 5 加州大学伯克利分校的伍迪小组高空气球, 0.25cm 0.06cm 波段, 得 2.99K 黑体辐射实验结果与理论符合极好

到太空去测量 CMB 的峰值在 1mm 处为了排除地面辐射干扰 1974 年马瑟等建议实施 COBE 项目到太空去测量 CMB 在 COBE 项目中马瑟等负责测量

年 11 月 COBE 卫星升空 1990 年 1 月, 马瑟在一次会议上展示了 COBE 探测到的黑体辐射光谱曲线, 被证明完全符合黑体辐射特征, 对应于 2.

00003K) 的温度扰动, 表明宇宙早期辐射存在微小向异性约翰马瑟瑞典皇家科学院宣布, 将 2006 年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰马瑟 (John C.

21 到太空去测量 CMB 的峰值在 1mm 处为了排除地面辐射干扰 1974 年马瑟等建议实施 COBE 项目到太空去测量 CMB 在 COBE 项目中马瑟等负责测量 CMB 的黑体形式, 他精心设计了专用远红外光谱仪 ; 斯穆特在加州大学研究大爆炸, 在 COBE 中设计了高灵敏微波差分辐射计以探寻 CMB 温差的方向性 1989 年 11 月 COBE 卫星升空 1990 年 1 月, 马瑟在一次会议上展示了 COBE 探测到的黑体辐射光谱曲线, 被证明完全符合黑体辐射特征, 对应于 2.726K 温度 ( 零下 ) 斯穆特则发现了 CMB 辐射具有各向异性 1992 年, 他宣布 CMB 具有十万分之几 ( K) 的温度扰动, 表明宇宙早期辐射存在微小向异性约翰马瑟瑞典皇家科学院宣布, 将 2006 年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰马瑟 (John C. Mather) 和乔治斯穆特 (George F. Smoot), 以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性 COBE COsmic Background Explorer 乔治斯穆特

将有助于研究早期宇宙, 帮助人们更多地了解恒星和星系的起源公报说, 他们的工作使宇宙学进入了精确计算时代公认的理论认为, 这个温度起伏起源于宇宙形成初期极小尺度上的量子起伏,

22 背景温度的微小起伏彭齐亚斯和威尔逊发现的 CMB 是各向同性的 COBE 探测到的 CMB, 在扣除各向同性本底后, 显示出微小的皱纹温度起伏 COBE 观测结果红色 : 高温蓝色 : 低温温度差别为 10-4 K 诺贝尔奖评审委员会发布的公报说, 马瑟和斯穆特借助美国 1989 年发射的 COBE 卫星做出的发现, 为有关宇宙起源的大爆炸理论提供了支持, 将有助于研究早期宇宙, 帮助人们更多地了解恒星和星系的起源公报说, 他们的工作使宇宙学进入了精确计算时代公认的理论认为, 这个温度起伏起源于宇宙形成初期极小尺度上的量子起伏, 随着宇宙的暴涨放大到宇宙学尺度上正是由于温度的起伏, 造成物质宇宙物质分布的不均匀性, 最终形成诸如星系团等的一类大尺度结构如果没有这微小的各向异性, 宇宙中的物质可能均匀分布得像烂稀泥一样, 就不会有今天这样如此丰富多彩的宇宙

COBE 卫星得到的图像分辨率不高, 掩盖了很多关键细节 2001 年 6 月新的微波背景探测器 WMAP

的灵敏度与角分辨率分别是 COBE 的 45 倍与 33 倍, 能够探测到 CMB 的 5x10-6 K

23 COBE 卫星得到的图像分辨率不高, 掩盖了很多关键细节 2001 年 6 月新的微波背景探测器 WMAP 威尔金森各向微波异性探测器升空它处于地球外侧 ( 距地球 150 万 km) 绕太阳作轨道飞行 WMAP 的灵敏度与角分辨率分别是 COBE 的 45 倍与 33 倍, 能够探测到 CMB 的 5x10-6 K 温差, 图像更清晰精细由 WMAP 的五年探测数据得宇宙年龄 :137±2 亿年宇宙组成 : 重子物质占 4.6%, 暗物质占 23%, 暗能量占 72% WMAP 图中水平红色区是银河系的辐射, 在分析时需要扣除 WMAP Wilkinson Anisotropy Probe Microwave 高清晰度 CMB

24 四八大宇宙谜团

25 宇宙年龄第一谜团宇宙年龄根据 WMAP 测量的数据, 测算出大爆炸理论的宇宙的年龄是 137±2 亿年因为由哈勃定律知道, 星系视向速度 V 与距离 D 呈线性关系, V=H 0 D H 0 为哈勃常数, 由 WMAP 给出宇宙膨胀的哈勃常数为 : H 0 =73km/s/Mpc 1 Mpc= 3.26 x10 6 光年, 得宇宙的年龄 : t = 1/H=137 亿年由大爆炸理论推出的宇宙的年龄与其他方法, 例如通过对 Ia 型超新星的观测测算所得到的结果相一致的天文学认为,Ia 超新星是白矮星爆炸形成的该明亮的爆炸事件可作为天文学家的标准烛光, 用于测量宇宙的膨胀程度利用它的光变曲线形状等参数来测的年龄白矮星是将近死亡的恒星白矮星随时间逐渐冷却, 成为测量宇宙年龄的理想时钟借助白矮星估算宇宙年龄, 好似通过余烬去推测一团炭火是何时熄灭的 2009 年 9 月, 哈勃太空望远镜观测到银河系中一棵最古老的白矮星, 位于天蝎星座中名为 M4 的球状星团中, 距地球 7000 光年这星团中星的年龄约为 120 亿至 130 亿年这棵白矮星前身是宇宙中的第一批恒星可能诞生宇宙的大爆炸后不到 10 亿年目前这颗白矮星质量是太阳的 1.3 倍, 它现已接近死亡状态当它的质量增长超过太阳质量的 1.4 倍时, 它将最终爆炸或者崩溃, 形成叫做中子星的更密集星体

达到热平衡, 这时光子中微子电子正电子中子质子等处于热平衡状态物质创生第二谜团随着宇宙的膨胀与冷却, 由于中子比质子稍重一些, 质子转变为中子需要消耗较多能量, 比中子转变为质子困难一些

26 物质的创生随着宇宙的膨胀, 物质与辐射的密度都会随时间减小, 但辐射还有红移, 所以辐射密度减小得更快在大爆炸后数千年, 物质与辐射密度发生交叉, 宇宙从辐射主导转变为物质主导在大爆炸后的极高温度下, 宇宙早期是辐射主导的并且都是高能光子 ( 咖玛光子 ) 高能光子的相互碰撞产生正负粒子对 ; E 光子 = hν 正负粒子对的相互碰撞使粒子对湮灭, 并产生光子如果粒子对产生的速率与它们的湮灭速率相等, 达到热平衡, 这时光子中微子电子正电子中子质子等处于热平衡状态物质创生第二谜团随着宇宙的膨胀与冷却, 由于中子比质子稍重一些, 质子转变为中子需要消耗较多能量, 比中子转变为质子困难一些当弱相互作用停止, 中子和质子不再大量互相转换时, 留下的中子与质子相对数目有一个确定的比值 :1/5 正负粒子存在微小的不对称性, 绝大部分粒子湮灭, 极少量多余的正粒子构成了今天的物质世界正反物质与光子对生对灭

27 核合成通常物质由原子组成, 原子由原子核与核外电子组成, 核是怎样来的? 当 t =10 2 s, T =10 9 K 时, 宇宙中的可见物质有电子质子和中子, 质子与中子数比为 5:1 质子和中子发生剧烈聚合反应, 质子与中子结合成氘核 p + n D + γ 核的来历第三谜团氘核与质子结合形成氦核 3 D + p He + γ 3 4 He + D He + n 但是宇宙的膨胀和冷却, 氦核无法通过核反应生成更重的元素 He+ He He + 2 p p + p D + n 上述诸过程可将中子全部消耗完, 可见物质中只剩质子氦核和电子质子和电子结合为氢原子核这样最初三分钟约有 22-24% 的物质形成氦 4, 剩下的几乎全部是氢, 仅有十万分之几是氦 3 和氘最初形成的氢和氦, 构成了宇宙中 99% 以上的物质形成行星和生命的重元素, 只占不到 1%, 它们大部分是在大爆炸之后很久形成于恒星的内部

光子的能量已无法克服原子核与电子间的电磁吸引力, 结果, 原子核与电子结合成中性原子当

仅有特定波长的光子被吸收 ), 称为辐射与物质 ( 重子 ) 退耦, 宇宙变得透明起来

就是辐射与物质脱耦的最后时期的宇宙辐射 T >3*10 3 K hν > 13.

28 宇宙浑浊到透明第四谜团宇宙怎样从浑浊到透明? 当大爆炸后 38 万年, 温度降至约几千 K 时, 光子的能量已无法克服原子核与电子间的电磁吸引力, 结果, 原子核与电子结合成中性原子当 T 3000K, 宇宙主要由原子光子和暗物质构成使得光子可以自由地运动 ( 仅有特定波长的光子被吸收 ), 称为辐射与物质 ( 重子 ) 退耦, 宇宙变得透明起来由于辐射与物质脱耦后光子可以自由传播, 因此, 今天所观测到的微波背景辐射 (CMB) 就是辐射与物质脱耦的最后时期的宇宙辐射 T >3*10 3 K hν > 13.6ev T < 3*10 3 K hν < 13.6ev 浑浊的宇宙透明的宇宙暴涨 ( 大爆炸后秒 ) 大爆炸后 38 万年引力波光 137±2 亿年 Now

应由其它物质 ( 暗物质 ) 的引力来驱动 CMB 皱纹的来历第五谜团当温度下降到光子和物质解耦时刻, 等离子流体中的声学振荡便冻结成 CMB 上的皱纹

大爆炸后 38 万年的宇宙已由暗物质主导暗物质与辐射场间没有耦合, 但有引力它的密度涨落形成引力势阱在光子和物质解耦前, 在引力势作用下, 光子 -

29 宇宙中有暗物质? 2000 年, 英国天文学家 R.Minchin 等在探测距离地球 5 千万光年的室女座星系的氢辐射时, 发现一个质量为太阳 1 亿倍的天体 ( 室女座 HI21) 它旋转极快, 无法用观察到的氢气量来解释, 应由其它物质 ( 暗物质 ) 的引力来驱动 CMB 皱纹的来历第五谜团当温度下降到光子和物质解耦时刻, 等离子流体中的声学振荡便冻结成 CMB 上的皱纹温度和物质密度功率谱的振荡特征 WMAP 五年探测的结果, 大爆炸后 38 万年得到宇宙组成为重子物质 12 为 %, 暗物质 63%, 光子 15%, 中微子 10% 大爆炸后 38 万年的宇宙已由暗物质主导暗物质与辐射场间没有耦合, 但有引力它的密度涨落形成引力势阱在光子和物质解耦前, 在引力势作用下, 光子 - 重子掉入引力势阱并被压缩, 结果光子温度升高, 等离子流体压强增大 ; 增大的压强使流体膨胀, 光子温度下降光子 - 重子在引力势阱中的运动类似于弹簧上的质点振荡, 从而产生声波频率的温度起伏对 CMB 图做谱分析得到温度起伏对视角分布曲线, 视角度 1º 附近波峰对应 CMB 上大尺寸斑点第 2,3 峰是基峰的二次与三次谐波

开始出现最初的星系, 并逐渐形成星系团超大星系团和大尺度结构在很多星系内部, 形成恒星的过程是相当快速的恒星怎样形成第六谜团黑洞把恒星撕裂在星系形成过程中,

30 观测表明, 宇宙中存在着大量气体和尘埃, 最丰富是氢, 但密度每 cm 3 小于一个在引力作用下, 星际物质很快收缩, 在收缩过程中所释放出的引力能使原物质变热, 当温度上升到 1000 万度时将产生热核反应热核反应产生的辐射压力会阻止物质进一步收缩, 当两者达到平衡, 一颗恒星就诞生了其中暗物质起了至关重要的作用第一代恒星可能形成于大爆炸后几百万年时间在随后几十亿年间, 开始出现最初的星系, 并逐渐形成星系团超大星系团和大尺度结构在很多星系内部, 形成恒星的过程是相当快速的恒星怎样形成第六谜团黑洞把恒星撕裂在星系形成过程中, 许多年轻的星系会受到与中心黑洞有关的剧烈过程黑洞会把恒星撕裂, 并把它们变成由热气体组成的围绕其自身的吸积盘大多数的类星体和活动星系核会随时间逐渐死去生命现象会出现星系中, 我们的太阳和太阳系形成得稍晚, 大约在 45 亿年前, 这时银河系已经存在了相当长的一段时间了

宇宙在经历爆涨以后, 由于万有引力, 按理说膨胀速度将逐步变缓但是对遥远的超新星所进行的大量观测表明, 宇宙在加速膨胀按引力场方程,

Abell 2029 等 26 个在 10~80 亿光年不同距离的星系团, 通过计算它们内部的炽热气体,

Abell 2029 星系 X 射线图像 99 年发射的钱德拉 X 射线卫星 WMAP 对 CMB 完成了精确测量,

左右, 所以仍有约 2/3 的短缺这一短缺的物质称为暗能量, 在宇宙空间中几乎均匀分布, 其基本特征是负压, 抗衡物体间引力

31 宇宙在经历爆涨以后, 由于万有引力, 按理说膨胀速度将逐步变缓但是对遥远的超新星所进行的大量观测表明, 宇宙在加速膨胀按引力场方程, 加速膨胀的现象说明出宇宙中存在着压强为负的暗能量 NASA 钱德拉 X 射线 (Chandra X-ray) 太空望远镜, 探测了 Abell 2029 等 26 个在 10~80 亿光年不同距离的星系团, 通过计算它们内部的炽热气体, 从每个星系团里炽热气体与暗物质的比例, 了解到宇宙在不同时期的膨胀情形, 得出宇宙从 60 亿年前开始加速扩张结论暗能量第七谜团 Abell 2029 星系 X 射线图像 99 年发射的钱德拉 X 射线卫星 WMAP 对 CMB 完成了精确测量, 计算出宇宙中物质的总密度 WMAP 数据显示, 在宇宙中暗能量占总物质的 72% 宇宙所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其 1/3 左右, 所以仍有约 2/3 的短缺这一短缺的物质称为暗能量, 在宇宙空间中几乎均匀分布, 其基本特征是负压, 抗衡物体间引力目前对暗能量的基本看法是它在宇宙形成时已存在, 但在星系间近距离时, 由于彼此间引力较强, 引力的影响远大于暗能量的斥力 ; 当星系间距离随着宇宙膨胀而越来越远, 重力影响减弱, 宇宙便开始因暗能量的斥力而加速膨胀

32 1917 年 Einstein 将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构, 他发现方程的解是不稳定的, 宇宙在膨胀或者收缩为求引力场方程的均匀的和各向同性的解,Einstein 加入一个起斥力作用宇宙学常数 Λ 宇宙的未来第八谜团得到一个静态宇宙模型 1922 年, 俄国数学家 A. Friedman 求得不含宇宙常数项的引力场方程的通解如果暗能量密度是个常数, 宇宙将持续加速膨胀, 星系群间与星系团间也会越来越远但暗能量也有随时间增加的可能, 宇宙则会持续加速直到发生解体, 那时星系行星乃至原子都已被向外扯裂由第 2 式有它表示宇宙的膨胀实际上由三项来共同驱动 : 物质项宇宙学常数项和曲率项可以表示为

33 结束语据于爱因斯坦的广义相对论宇宙膨胀和宇宙背景辐射的天文观测以及氦与氘丰度之测量, 现在多数人认可了我们的宇宙起源于大爆炸然而在 100 年前, 一个静态永恒的宇宙是人们的共识那时, 根本没有人竟会相信宇宙起源于一团霹雳火球, 也不想到元素合成于大爆炸的最初时刻与恒星的内部核心, 更想没想过空间的膨胀与物质可能导致空间弯曲由于存在种种疑团, 宇宙大爆炸起源远非今日的科学定论一些人不喜欢宇宙有起点与终点的结论, 提出了其他种种模型 : 诸如多次爆炸或者振荡循环宇宙理论, 认为宇宙将会膨胀收缩膨胀, 永远延续下去相信随着探测手段与技术的进步科学理论的深化, 人类对宇宙的认识也将逐步深入

34 Thanks for Attention!

Microsoft Word - bigbang.doc

Microsoft Word - bigbang.doc 1.2 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学(Big Bang Cosmology)是由勒梅特(Georges Le Maitre) 伽莫夫 (George Gamow)等人提出的一种学说他们根据广义相对论统计热力学以及天文学上观测到的宇宙膨胀现象推论,我们所处的宇宙其存在的时间是有限的早期的宇宙曾处在高温度高密度的状态下随着宇宙膨胀其温度密度逐渐降低并最终形成我们今日所见的宇宙英国科学家霍伊尔(Fred