宇宙有多大(1)

1、课题课题：宇宙究竟有多大？ 对于对于宇宙宇宙究竟有多大包含两层意思：究竟有多大包含两层意思：1.宇宙的范围有多大？2.宇宙的年龄有多大？ 宇宙在空间上是无限大的，是无穷无尽的，无边无际的。宇宙在空间上是无限大的，是无穷无尽的，无边无际的。不但如此，宇宙的不但如此，宇宙的“寿命寿命”也是无始无终的，它没有开始的一也是无始无终的，它没有开始的一刻，将来也永远没有消灭的一天。刻，将来也永远没有消灭的一天。暗物质太阳系银河系河外星系p暗物质（包括暗能量）被认为是宇宙研究中最具挑战性的谜题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可见的世界只占宇宙物质的10%不到。暗物质无法直接观测，却能干扰星体发出

2、的光波或引力等，其存在能被明显感受到。p太阳系是以太阳为中心，和所有受到太阳的重力约束天体的集合体：8颗行星、至少165颗已知的卫星、5颗已经辨认出来。p太阳系的大小约120亿千米p银河系是太阳系所在的天体系统，包括一千二百亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它p银河系的直径约10万光年p河外星系是指在银河系以外，由大量恒星组成，但因距离遥远，在外表上都表现为模糊的光点，因而又称“河外星云”。n关于宇宙的宏观结构： 行星 恒星和星云 星系团 大尺度结构p我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有八颗大行星和一颗矮行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、

3、海王星。p恒星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。p星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。p星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。p人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（观测到的宇宙的大小是104Mpc）。p有迹象表明，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。5关于宇宙的结构的相关图示：宇宙大爆炸宇宙大爆炸 宇宙大爆炸理论的产生 “大爆炸宇宙论大爆炸宇宙论”认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。 理论内容理论内容 早期的宇

4、宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙宇宙温度温度。大爆炸过程大爆炸过程 大爆炸开始时 约137亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后10-43秒宇宙从量子背景出现。 大爆炸后10-35秒 引力分离，夸克、玻色子、轻子形成。 大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，

5、正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚 中子和质子。 大爆炸后5-10秒 10亿度，质子和中子形成。 大爆炸后13.8秒后 30亿度，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度，原初核反应过程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。哈勃定律 观测事实：星系距离越远退行速度越大 光的颜色与它的波长有关。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应。他认为，光波变长是由于宇宙正在

6、膨胀的结果。哈勃的这个重大发现奠定了现代宇宙学的基础。膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解。想象在一条松紧带上缝有一排纽扣。假定从松紧带的两端把它拉长，结果所有的纽扣都彼此远离。不论我们选择从哪个纽扣来看，它邻侧的纽扣似乎都在远离，而且这种膨胀是处处相同的，不存在特殊的中心。当然，我们在画这排纽扣时，它有一个中心纽扣，但这与系统的膨胀方式毫不相干。只要把这条带纽扣的松紧带无限加长，或环成一个圆圈，这个中心便不再存在了。视界 从任意一个纽扣来看，离它最近的纽扣以某种速度退行，再下一个纽扣则以两倍数度退行，依此类推。在你看来，纽扣离得越远，它退行得越快。因此这种膨胀意味着退行速度与距离

7、成正比-这是一个极为重要的关系。借助这个图像，我们就可想象出光波是如何在膨胀空间中或星系中传播的。，难怪哈勃发现，红移量与距离成正比，同这个简单的图像模拟结果完全一致。宇宙大爆炸论证据 1、红移。、红移。2、膨胀空间。、膨胀空间。 3、背景辐射。 4、元素丰度。 Whenever you are looking at the sky, you are looking at the pass.(无论你何时看星空，你看到的都是过去。） 宇宙在膨胀，当我们看到100亿光年处的星光时，那个星星早已不在距离我们100亿光年的地方了。 光会因为引力效应的影响而不走直线，引力也会让时空扭曲，变得不平坦。 我

8、们目前所能观测到的最远的东西，来自137亿光年外宇宙微波背景辐射。 在宇宙大爆炸过后的初期，并没有任何光能从大爆炸产生的物质中逃脱出来，那团东西很挤很热，甚至连光线都挤不出来。而当这最古老的曙光冲出的那一刹，距大爆炸开始已经过去30多万年了，在这段时间里宇宙又膨胀了。 光线不是我们丈量宇宙的唯一标尺。在尽可能满足各方条件下：宇宙是不静止不平坦的时空；宇宙中两点之间或许会以超过光速彼此远离；等等。经过一系列的数据和定理的待人，公式的简化抵消，得到一个简单的公式：距离=3*光速*宇宙时间。代入数据宇宙时间137亿年，得到约470亿光年。 当然别忘了这是简化了公式计算出的结果，天文科学家们计算出的答

9、案是：宇宙的直径达930亿光年。 能观测到的137亿光年是怎样得到呢？ 1.用射电望远镜收集观测数据记录或实时传送到数据处理中心。 2.然后计算机依靠这些观测值计算得出目标天体的精确位置。而最常用的计算方法是三角视差法、造父视差法（标准烛光法）和哈勃定律方法。三角视差法 天文学家把需要测量的天体按远近不同分成好几个等级。天文学家用三角视差法测量它们的距离。 视差就在我们身旁。试看看远处的一个物体，在鼻子前举起一直手指，并且闭上一只眼，用另一只眼观看，反复交换两只眼，会发现相对于时钟，手指好像跳了位置。这就是视差。把手伸直，你会发现跳变的位置好像小了一点。因为有视差，我们才能分辨物体的远近，产生

10、距离感。 造父视差法（标准烛光法） 物理学中有一个关于光度、亮度和距离关系的公式。SL0/r2。测量出天体的光度L0和亮度S，然后利用这个公式就知道天体的距离r。 亮度是指我们所看到的发光体有多亮，这是我们在地球上可直接测量的。 光度是指发光物体本身的发光本领，关键是设法知道它就能得到距离。天文学家勒维特发现“造父变星”，它们的光变周期与光度之间存在着确定的关系。于是可以通过测量它的光变周期来定出光度，再求出距离。如果银河系外的星系中有颗造父变星，那么我们就可以知道这个星系与我们之间的距离了。那些连其中有没有造父变星都无法观测到的更遥远星系，当然要另外想办法。哈勃定律方法 当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系 ：V = H0d 。其中v为退行速度，d为星系距离，H0=100h0kms-1Mpc（h0的值为0h01）为比例常数，称为哈勃常数。这就是著 名的哈勃定律。 利用哈勃定律，可 以先测得红移/通过多普勒 效应/=V/C求出V，再求出d。 三角视差法和造父视差法是最常用的两种测距方法，前