物理宇宙学研究专题2014

物理宇宙学研究进展曲阜师范大学物理工程学院2014年11月现代物理学专题“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地”。

－《淮南子·原道训》天地→宇宙→宇宙论→宇宙学

宇宙学：研究宇宙的起源、运动、演化和归宿。经典宇宙学：牛顿引力理论为基础，牛顿把地球上的引力与天体之间的引力统一，解释了行星运动。现代宇宙学：爱因斯坦建立了广义相对论，开创了现代宇宙学研究。量子宇宙学：霍金的量子隧道创生。霍金的量子宇宙学为宇宙的起源给出了合理的解释，是真空涨落产生了宇宙大爆炸，并进行了时光隧道的理论探讨。参考书：物理宇宙学讲义，北京大学，俞允强一、宇宙的形貌怎样认识宇宙？观察!肉眼观察人们用肉眼能看见的恒星约6000颗，夜晚好天能看到约3000颗，因为夏天和冬天看到的是不同的星空。从点点星空可以看到什么？星座

季节不同，天上的星星排列也不同。由亮星组成的图形，结合神话故事，用人物、动物和器具命名。通过观测定出了黄道,又把黄道(地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆)分成12等份对应12个星座。(黄道12宫)黄道12宫与中国24节气的对应关系太阳在12个月内绕黄道运行1周,在古人看来，太阳是至高无上的神，它休息的地方自然是金碧辉煌的宫殿。占星学说，把人格分为12大类分别与十二星座对应。娱乐

1922年，国际天文学联合会决定，将全天的星区划分成88个星座。在天球赤道以北29个，在天球赤道以南46个，跨在天球赤道南北的有13个（每个星座实际所占黄道不均等，多了蛇夫座介于射手座和天蝎座之间）。

21世纪的黄道星座与占星学已不一致，由于地轴的变动，太阳系的移动及各恒星本身的运动等原因，每隔二千多年，太阳到达每一宫的时间便会推迟约一个月。现时的春分点并不在白羊座，已经退到双鱼座了。实际上，用24节气表示更准确。科学观察:十七世纪，伽利略、牛顿发明了望远镜，宇宙观测的范围更大、更准确。当今已有大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜。

大型射电天文望远镜(366米)哈勃空间望远镜(2.4米)仪器观察、太空考察科学观察:十七世纪，伽利略、牛顿发明了望远镜，宇宙观测的范围更大、更准确。当今已有大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜。

天文观测已触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都可以一览无余。嫦娥五号试验器拍摄的地月照仪器观察、太空考察仪器观察依据的主要原理是什么？它可以获得宇宙天体的哪些数据？第一部分宇宙天体的测量原理获得天体信息的手段电磁辐射和万有引力电磁辐射：研究天体最基本和最重要的渠道绝大部分天文探测成果来自于电磁辐射.根据波长,电磁波依次分为伽玛射线、X射线、可见光、射电波。光学窗口：3000～7000埃，红外窗口：8～13μ，射电窗口：10MHz~300GHz1.通过恒星光谱分析恒星物质组成发射光谱（暗背景），吸收光谱（强背景）通过光谱分析推测恒星表面温度黑体辐射＝＞维恩位移定律λmaxＴ=0.29物体的温度越高，它的光谱就越蓝，反之就越红

3.三角法测量距离

半年前后对待测恒星的视位置作两次测量，即可定出角度p，称为视差。再根据日地距离r可得恒星的距离d为：

视差角度

，相应的距离＝3.1x1016m，称为1秒差距，记作1pc。秒差距为距离单位，角度用秒作单位。距离公式：1pc=3.26光年，例：某恒星的视差为0.1”，它距离我们10pc，即32.6光年。局限性：地面观测，地球公转轨道直径作基线，测量恒星距离的范围大约100pc。1光年（ly）＝9.04605536×1015米(9万亿公里)＝63239.08AU1天文单位（AU）＝1.496×1011米(1.496亿公里,平均日的距离)1秒差距（PC）＝3.085678×1016米(30万亿公里)＝3.261631ly光度L：单位时间内恒星辐射的能量(光子数)。视亮度B：单位时间内、单位面积上地球上接受到的光能。L和B的关系：

恒星视亮度B比较容易直接测量，若知道其光度L，便可求待测恒星的距离。三角法已测定近距离的几千颗恒星，测量它们的视亮度B和光度L。研究这些恒星的其它性质和它们的光度之间的关系，得到它们之间的规律。利用这些规律，通过待测恒星的光度确定其距离。4.光度法测距（更远的恒星）主星序：大部分恒星分布在一条从左上到右下的窄带上，当氢耗尽后，星序就离开主星序。如红巨星、白矮星则偏离。主序星：处在主星序的恒星。恒星星光的光谱→其表面温度再利用赫罗图→它的大致光度根据观测到的视亮度→它与我们的距离这种方法受到恒星光度的限制，太遥远恒星，视亮度很低，以至我们观测不到或者观测误差太大。能测量的距离<105pc，能测出银河系中大多数恒星的距离。

变星：够观测到亮度变化的恒星。

食变星实际上是双星系统造成的，两颗星彼此绕着对方旋转，其轨道面恰好和它们与地球的联接平行。这样，当比较暗的一颗星转到比较亮的那颗星和我们地球之间的时候，就把亮星的光遮住了一部分，于是总的亮度就减退了。当这颗暗星转到亮星的一旁或后面，不再遮光的时候，系统又恢复了最大观测亮度。

脉动变星（造父变星）的变光现象，是由它自己体积变化造成的，如仙王座造父一的直径是我们太阳的30倍，约4000万公里。它就像人体的心脏一样，总在不停地搏动——膨胀与收缩，直径前后相差达500万公里。膨胀时它的亮度就减弱，收缩时亮度就增加，搏动的周期也就是它亮度变化的周期。利用周期性脉动变星测距（光度法）麦哲伦星云中25个造父变星：1912年,Leavitt得到不同变星的光变周期与其光度有确定的关系造父变星的光变周期与光度有确定关系，光度通常很大，约比太阳亮5个量级，这种方法能测量的距离比主序星大很多，达到10Mpc的范围（远处星系中周期性脉动变星→测出其距离，同时可得到该星系离我们的距离，因为一般星系的大小与这距离相比小的多）。因此，造父变星是一种星系距离标志器--量天尺。

5.超新星作距离标志物Ia型超新星是由白矮星和它的伴星组成的双星系统，白矮星不断从伴星吸积物质，当其质量增加到约1.4倍太阳质量(钱德拉塞卡极限)，白矮星的简并电子态物质承受不住巨大压力，开始塌缩，内部核心处的碳氧开始聚变，形成10亿度高温并放出超巨量的能量，整个白矮星就像炸弹一样猛烈的爆发，喷出的物质达到3%光速，光度是太阳的10亿倍。正因为它总是发生在几乎相同的质量条件下，Ⅰa型超新星（光谱中没有氢原子特征光谱，有独特的光度曲线）就几乎具有标准烛光的性质，同时又是极强的光源。6.光度法测恒星大小星等：最初分为六等（1-6），1等最亮，6等最暗，1等星的亮度是6等星的100倍。后来有了严格的星等数学表达式，超出了1-6的范围，总之，星等越小，亮度越高，如Ia超新星爆发的星等为-19。肉眼看到星：1等：22个，2等：71个，3等：190个，4等：610个，5等：1929，6等：其余。恒星大小：恒星半径的对数与绝对星等和温度的对数之和成正比。赫罗图给出了恒星的温度与亮度的关系。

目视星等和绝对星等的转换公式：M＝m＋5－5logd，M为绝对星等;m为目视星等;d为距离。（绝对星等：假想把星体放在距离10秒差距远的地方，所观测到的视星等）7.利用光度测定宇宙的物质密度

设M为星系质量，L为星系光度，V为体积，N为V内含有的星系个数，则平均密度为引入质光比

M/L，平均密度可写为宇宙中的平均光密度式中Lsun为太阳光度。8.动力学方法确定星系质量假设物质为球对称分布，则这里v为旋转速度，M为半径r内的质量。引力势能为引入有效半径Reff,则,其中M为待确定的星系质量，因此，σ为星系内物质的速度分布，动能为

第二部分宇宙形貌与恒星演化地球月球一、地月系统地球质量M＝5.9742×1027克（81.29倍的月球质量）地球体积＝1.0832×1021立方米（51.58倍的月球体积）地球平均密度＝5.518克·厘米-3（月球平均密度＝3.3克·厘米-3）平均轨道速度＝29.79公里／秒（月球平均轨道速度＝1.011公里／秒）月地平均距离＝384401公里=30.134地球赤道直径地球赤道半径=6378.155公里(赤道周长＝40075.13公里，3.7倍的月球半径)地球年龄～46亿年

二、太阳系有八大行星，还有上百颗卫星、为数众多的小行星、奥尔特云（半径为5万～10万个天文单位的球形云团），大量彗星皆是来自该星云。地球轨道的远点(7月初)1.52亿公里，近点(1月初)1.47亿公里。冥王星轨道半径约69亿公里。太阳的结构和参数太阳直径1,391,980km(109R地)质量1.99*1033g(33万Ｍ地)平均密度1.41g/cm3光度3.83*1033erg/s自转周期～25days公转周期200万地球年线速度19.7公里／秒表面温度5,800K视星等-26.7绝对星等+4.8日地距离149597892km=1AU太阳年龄54.5亿年太阳的辐射功率

太阳是一个直径约140万公里的巨大火球，根据太阳光度，可以推算每秒钟向四周辐射放出的能量有3.83×1026焦，根据地球截面可求得到达地球的能量约占其总辐射量的20～22亿分之1(约为182×1017焦，全年合5.74×1024焦，这相当于现今地球上总发电量的10万倍)。

贝特研究恒星能量生成问题，提出核聚变模型，氢燃烧形成氦4HHe。He核质量=3.97mp能量释放E=0.03mpc2，释放出的能量从核区向外传播，辐射压抗拒引力，而使主序星处于平衡状态。核聚变温度：，聚变率对温度非常敏感，温度增加一点，聚变率增加很多。贝特也因此获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

太阳能量来源：太阳内部每秒钟以6.56亿吨之多的氢转变为6.525亿吨氦灰，其中3.5*106吨按质能关系转化为能量，太阳中有1027吨氢，其中10%的氢足够热而发生核聚变。根据太阳质量及核聚变反应速率，估计太阳的年龄至今已有49亿年，大约在约五十亿年内这程序将开始加速，预计太阳燃烧氢而发光的寿命约为1010年。若乘人类发射的最快宇宙飞船（“旅行者”号速度是每小时5.2万公里)到比邻星去旅行，来回一次就得17万年。牛郎星、织女星相距16光年。太阳系外较近的几颗恒星比邻星，半人马座，离我们最近的恒星，为4.22光年，大小约为太阳的1/7，红矮星(亮度弱，肉眼观测不到)，表面温度：2670K-3100K。天狼星，大犬座，肉眼能看见的最亮的恒星，约为太阳大小的２倍，表面温度

9940K，距离8.6光年。织女星，天琴星座，大小是太阳的3倍，距离约有27光年。牛郎星，天鹰星座，是太阳的1.6倍，距离约有16光年。1755年，Kant(德)认识到银河系是恒星组成的旋转扁盘，是“宇宙岛”之一。1785年，Herschel（英）通过不同方向的恒星密度，得到第一幅银河系整体图像。银河系为扁盘状，太阳位于中心附近。三、银河系银河系示意图银河系的外形象中间厚边缘薄的扁平盘状体,包含有几千亿颗恒星,其中约400亿颗星集中在直径为3000光年的中央核球上，由年龄超过100亿年的老年星球构成。银河系的历史已经有约120亿年。正常星系含有～1011恒星暗物质晕，质量1012Msun中心大质量黑洞106～109Msun银盘直径=10万ly（中央厚约1万ly）银河系总质量=2×1012倍太阳质量太阳到银心的距离=26,000光年太阳附近银河系的自转速度=222±20公里/秒太阳处银河系旋转周期≈2.20×106年相对于3K背景的运动速度≈600公里/秒（通过不同方向微波背景的多普勒效应测量）法国属地留尼汪岛上一个火山湖附近（海拔超过3000米）洁净无云的夜晚拍银河的照片。银河系核心区域(300X115光年)红外光照片揭示了银河系中心区域充满了炽热的气体、尘埃物质和超大质量恒星，可能还存在一个质量大约相当于400万个太阳的超大黑洞。在可见光波长下,这一区域是看不见的(可见光波长多被尘埃物质吸收)。

四、河外星系

1885年人们在“仙女座大星云”中陆续发现许多超新星，意识到它离我们十分遥远，应该在银河系之外。实际上，并非天穹上一切发光体都是银河系的一部分，天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，称它们为河外星系，现在已知道存在1250亿个以上的星系。

仙女星系（M31）仙女座河外星系的构造与银河系类似，有密集的核、旋臂、星系盘和星系晕，距离地球220万光年，直径约为16万光年，包含有3-4千亿颗恒星，还有许多变星、星团和新星等特殊天体。我们在夜空中见到的是220万年前的仙女座大星云。NGC1309星系波江座中200个星系中的一个，距地球约１亿光年。2005年9月哈勃拍摄。由哈勃空间望远镜于2004年拍摄位于波江座的星系NGC1300，直径大约6900光年（21Mpc）。涡状星系(M51)的照片

一条旋臂正伸向近旁一个较小的伴星系，它巨大的引力正将后者撕裂。两个星系距离地球约2000万光年，它们太过遥远，肉眼是无法看到。然而借助长时间曝光技术，得以欣赏它们的美丽身影,而旋臂中的氢气让它显出从粉红到偏红的色调。科学家观测到2.8亿光年外四星系碰撞

五、星系团

当我们把观测的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系构成的“介质”，而恒星只是星系内部细致结构的表现。为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。

星系的空间分布有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。可以肯定的是，星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个新层次。这层次的尺度大小为几百万光年，平均质量是星系平均质量的100倍。本星系群

(LocalGroup):超过~30个星系，包括银河系，仙女星系,

大麦哲伦云,小麦哲伦云等。长蛇座(Hydra)中距离至少为3亿光年的星系群。摄于1999年1月12日。星系群NGC5985。原子核人地球太阳太阳系

银河系星系团超星系团哈勃半径10－15100106～710910131021102310241026星系团：M～1015Msun（一般星系～1011Msun）

室女星系团(Virgocluster):

大约包含2000个星系

星系团尺度约1300万光年距离地球约6000万光年是离地球最近的一个星系团本星系群受其强大的引力作用哈勃半径是指望远镜可能观测到的观测半径，大致为200亿光年的距离。这个半径以外的星系以光速退离我们，无法观测。

美最近公布了132亿光年外迄今最远宇宙深空图像，哈勃望远镜在过去10年间不断重复地对南部天空的一处区域进行曝光观察，前后总耗时大约50天，总曝光时间约合200万秒。在极超深场的图像中，认证出其中最年轻的星系诞生于宇宙仅有4.5亿年历史的时期。覆盖的天空区域仅仅相当于一个满月张角的很小一部分，但仍然包含了多达5500个星系天体目标，其中最暗弱星系的亮度仅有人类肉眼可见最暗弱天体亮度的亿分之一。从近距离观测宇宙时，物质会组成恒星、星系和星系群。如果把视野拉远，宇宙看起来会更加平滑，就像从飞机上看地面时景观会交融在一起一样。1秒差距(PC)＝30.8万亿公里＝3.261631光年

1Mpc=326万光年500Mpc=16.3亿光年＝146万亿亿公里六、宇宙物质的构成（１）普通物质（已认识的，有基本粒子构成）占宇宙物质的4%。按元素分：氢和氦占99%(氢占3/4，氦占1/4)，

其余元素物质1%。按亮暗分：发光物质：10%(恒星、发光气体和辐射）不可见的物质：90%（星系际气体、中微子、黑洞）

(2)暗物质暗物质：23%暗物质无法直接观测到，但我们可以看到它的引力的效应。测量星系的运动情况，发现几乎所有星系中星云的运动速度都不随半径而改变，若按照普通物质的量来计算，星系旋转速度属于反常现象。可能的解释：要么物理学定律出错，要么存在未知的物质。

猜测：一是重子，二是中微子，三是轴子等，正在进行着各种实验，试图找到这种暗物质粒子。科学经验告诉我们，物理学定律在宇宙中是具有较好的普适性的，于是暗物质自然成为科学重点探讨的对象。暗物质究竟是什么成分呢？问题:“暗物质”太多了，大大超出了理论允许的范围。如果暗物质确实存在，它在宇宙中的地位和作用将比可见物质更重要。

暗物质分布图

（３）暗能量（未知）占宇宙物质的73%。

七、恒星的演化

处于主星序阶段的恒星，核聚变主要在它的中心（核心）部分发生。辐射压与它自身收缩的引力相平衡。核反应：T<1.8*107K,M<1.2Msun能量释放：γ光子，中微子，正电子。产能率：1H+1H==>2H+e++ν2H+1H==>3He+γ3He+3He==>4He+1H+1H

流体静力平衡质量球对称分布：

引力气压平衡方程：m(r)为r内的质量，ρ为密度，p为压强，G为引力常数。

核区氢燃烧尽后，没有足够的压强抵抗引力，核区塌缩而被加热,热向外释放，核区进一步塌缩，温度进一步增高，直至新的核反应发生。

41H

4He

(1Msun10*109年）34He12C

(1Msun2*109年）

12C+4He16O

12C+12C24Mg

……56Fe(大质量恒星，持续时间很短）寿命：恒星维持稳定发光的时间。决定恒星寿命的因素只有一个：质量！质量愈大,寿命愈短！如海山二（太阳质量的150倍），寿命只有100多万年。红巨星（redgiantstar)核区氢耗尽，塌缩、加热。围绕He核的氢壳层区被加热发生核聚变。其剧烈的氢燃烧使得星体外部膨胀、变冷、变亮、变红----红巨星。核区外氢壳层燃烧内部：变热，He壳层、H壳层燃烧外部：膨胀、变冷，包裹着C-O核的外层区域膨胀形成星云，星云被电离、加热。在～104年的时间尺度上外层膨胀，剩下裸C-O核和电子。→白矮星白矮星

（whitedwarf）

（演化末期质量M<1.2Ms）

在恒星衰老的过程中，恒星内部的密度愈来愈大，恒星内部半径愈来愈小。这些重元素外层有许多电子，在高温高压下，这些电子将全部电离为自由电子，形成简并电子气体，电子之间的排斥力（简并压）抵抗引力形成动力学稳定结构，这就是白矮星。在天文观察上已得到证实，宇宙中存在着许多白矮星，其质量一般小于太阳的质量，其平均密度约106克/厘米3。高温度（从几十万K到几千K），发光白亮，强度小。因为没有能量的来源，它将会逐渐释放热量变冷，冷却到光度不再能被看见→冷的黑矮星。天狼星A(恒星)年龄

2-3×108

年，天狼星A会在其形成之后10亿年之内用尽储存在核心的氢。1844年，天文学家从天狼星运行的异常轨迹而推测它拥有另一颗看不见的伴星,1862年被证实。天狼伴星B(白矮星)，质量比太阳稍大,而半径(4828千米)比地球还小,质量是地球的35万倍,它的物质主要处于简并态,平均密度约3.8×106克/立方厘米，表面重力加速度是地球表面的3亿倍。由于在内部已经没有能量的生成,剩余的热量会以辐射的形态放射出外太空,天狼星B终究会逐渐冷却变为黑矮星,需时多于2亿年。天狼A和天狼B之间的距离近点是12亿公里，远点是47亿公里。质量

2.02(A)/0.978(B)M☉半径

1.711(A)/0.0084(B)R☉表面重力

(logg)4.33(A)/8.57(B)

亮度

25.4(A)/0.026(B)L☉温度

10500(A)/25200K(B)

对于更大质量恒星,恒星衰老后内核有更大的引力，电子的简并压强不足以与自引力抗衡，星球还会继续坍缩，强大的压力把原子核外的所有电子都挤进原子核里，与质子结合成中子。这样星球外部的物质几乎变成由中子组成的流体，中子之间的排斥力比电子的要大得多，它与强大的引力相抗衡，这种高密度中子态物质组成中子星，其物质密度高达1015克/厘米3，如果将地球压缩成这一密度的球体，半径只有110米。典型的中子星质量为1.4～3.2M⊙。半径R～

10km，中子星的产生伴有超新星的产生。天文观测上的脉冲星就是中子星。当恒星收缩为中子星后，会形成自转磁性体，能达到每秒几圈到几十圈，在它的某一部分向外发射出电波。各种脉冲星的周期不同，0.1秒－几秒。中子星（1.2Ms<M<3.2Ms）当恒星质量M>25M⊙，衰老后再也没有任何物理机制或能量来抵抗自引力，星体将不可阻挡地塌缩、加热，最终发生灾变性塌缩，引起超新星爆发，演化为黑洞。黑洞的质量M>3.2M⊙。霍金在理论上证明了宇宙中存在黑洞是可能的。也许夸克打破了中子，但却被禁闭在整个星体之中，好象是装在容器中的夸克汤，人们形象地称之为夸克星。根据理论计算，宇宙中密度最大的实体应是“黑洞”，为1.8×1025克／厘米3。按这个密度计算地球半径仅有4.3厘米。超新星爆发史书记载的超新星爆发（客星）有12次，可见持续时间由几个月到一两年。超新星爆发时的亮度相当于太阳正常发光的数万亿倍。爆炸如此剧烈，即便发生在距离地球几十光年远的地方，它迸发出的光芒也足以烤焦我们的地球。1970年观测到的一颗超新星，在爆发后的30天中直径以5000千米/秒的速度膨胀，最大时达到3倍太阳系直径。在这之后直径又开始收缩。理论而言，质量介于太阳的8～25倍之间的恒星会在一场超新星爆炸中结束自己的生命。当这颗恒星耗尽所有可用的燃料，它就会突然失去一直支撑自身重量的压力，核心瞬间被压缩，核心直径减小，产生巨大能量，反弹能量被释放，星核与星壳分离，产生X光爆，10亿倍恒星的亮度，可维持几个月，抛射大部分能量，释放大量的能量。孕育新一代恒星及周围行星的原始材料。它的核心坍缩成为一颗中子星或者黑洞。据天文观察统计，在宇宙中每个星系大约数百年出现一个超新星。按照此数据，宇宙之中可能有上亿个黑洞。

黑洞的概念1783年，英国自然哲学家米歇尔把光速有限与牛顿的逃逸速度的结合，发现了引力的最富魅力的结果，预言了黑暗星的存在。1939年，奥本海默等通过高度理想化计算证明塌缩恒星形成暗星（后来这种暗星被称为史瓦西黑洞）。1967年才提出了黑洞这一名词。黑洞是质量很大的暗天体，与一切可见天体相比，黑洞正是最强的引力场源，能把任何东西都裹卷其内，光线也不能幸免。黑洞中心体积很小密度极大，其周围空空如也的天区。

视界:黑洞的边界称为视界(光在视界上作环绕运动)。

视界以内的区域称为黑洞。视界半径

黑洞的性质:从黑洞得不到任何信息,具有负的热容量，时空互换，黑洞的”粒子”可以通过一种量子隧道过程蒸发出来(霍金)。其实黑洞长着三根毛:质量M、角动量J、电荷Q。

黑洞有三种类型，一种是位于星系中央的“超级黑洞”其质量为太阳的几百万～几十亿倍（视界半径大约是数百到数千万公里，星系形成的初期形成），另一种是恒星级的黑洞，其质量大概有数十个太阳左右（视界半径只有数十或者数百公里，大质量恒星的演化形成）。还有是介于两者中间的“中等质量黑洞。例如：银河系中心的超大质量黑洞，约200万个太阳质量，视界约为780万公里。通过其周围恒星运动和辐射观测，“第一次看到如此接近黑洞中心的区域，也终于找到了迄今为止最令人信服的证据，支持了‘银河系中心存在超大质量黑洞’的观点”（英国的《自然》）。对宇宙天体运动规律和动因的研究：牛顿把地球上的引力与天体之间的引力统一，解释了行星运动。爱因斯坦建立了广义相对论，开创了现代宇宙学研究。

霍金的量子宇宙学为宇宙的起源给出了合理的解释，是真空涨落产生了宇宙大爆炸，并进行了时光隧道的理论探讨。第三部分宇宙学研究介绍一、宇宙学的建立宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。宇宙学是研究这个整体的性质、结构、运动和演化规律的学问。宇宙学作为一门科学，也必须在观测事实的基础上，建立一个系统的逻辑体系。怎样建立这个体系？人们首先想到用牛顿力学和牛顿时空观来建立这个体系。但是，人们很快发现，不论宇宙有限还是无限，牛顿力学和牛顿时空观均不能作为研究宇宙的一个正确的科学框架。G=6.67×10-11N·m^2/kg^2银河系2*1042kg仙女星系1043kg距离220万ly=2*1022m

1915年，爱因斯坦提出了革命性的思想，认为惯性力和万有引力是等效的。万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现，这就是等效原理。地球上的自由落体运动是惯性运动；行星绕太阳运动也是惯性运动。

建立了广义相对论－现代宇宙学理论。

四维时空的宇宙几何和方程表示为：

m惯Lӫ(t)=-m引gθ(t)宇宙学原理

宇宙在大尺度上是均匀及各向同性的，没有任何一个观测者在宇宙中占有特殊的位置（空间）。观测支持“宇宙学原理”，那是以星系为“分子”的均匀稀薄气体。物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动。光束弯曲的实验观察1919年日全蚀期间，证实了爱因斯坦关于光束从太阳近旁通过时要发生偏移的预言。广义相对论效应的实验检验引力红移时钟的走速与引力场场强大小有关。例如，地球周围，海拔越高钟速越快，恒星的原子光谱线红移，已经被实验所验证。(卫星定位)水星近日点的进动根据引力场方程计算得到的进动速率与天文观测值符合。爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时，还非常肯定宇宙是静态的。在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个“反引力”，这个力是无源的，是空间-时间结构所固有的，它有空间-时间内在膨胀的趋势，刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引，结果形成了静态的宇宙。

爱因斯坦宇宙模型的严重缺点是不稳定。因为微小的扰动会使宇宙收缩或膨胀。

1922年，弗利德曼认为既然爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的，也就没有必要再假设宇宙是静止的了。不妨假设宇宙就处在动态，至于是膨胀还是收缩，则要由观测来决定。k=+1,封闭,有限;k=0,平直,无限;k=–1,开放,无限。宇宙的几何可以表示为（四维时空）R(t):宇宙尺度因子，k:宇宙曲率

1.宇宙膨胀的实验观察

1929年哈勃发现远处星系的光谱谱线波长都比实验室内测得的同一条谱线的标准波长要长，发生了红移，红移量正比于星系离我们距离。如果把这个红移看作由多普勒效应引起，那么红移表示的是星系在离我们远去，而且，愈远的星系退行速度愈大。二、宇宙膨胀模型的建立

第二类红移

宇宙学红移

它由于宇宙空间自身的膨胀所造成的，例如遥远星系离我们远去。这并不是因为星系在空间运动，而是星系之间的虚无空间(严格说是时空)在膨胀。第一类红移

多普勒红移当一个物体，比如一颗恒星，远离观测者而运动时，其光谱将显示相对于静止恒星光谱的红移，因为运动恒星将它朝身后发射的光拉伸了。第三类红移引力红移当火箭在引力场中向上运动时，它损失能量并减速。但光不可能减速;光永远以同一速率c传播。既然光损失能量时不减速，那就只有增加波长，也就是红移。

膨胀的宇宙

所有星系都离我们而去，这正好表现了宇宙正在膨胀。用气球的膨胀来示意宇宙空间的膨胀，星系间的距离在不断地扩大。我们为什么感觉不到？有电、磁、引力作用的束缚体系不膨胀，否则，物理常数、物理定律也要随时间演化。另外，膨胀的速度是在Mpc的尺度上。

74*3600*24*365/(106*3.36*63239)=0.011公里/年/天文单位

假定宇宙膨胀是等速的，我们就可以按此速度倒算回去，总有一天宇宙会收缩到密度、温度都是无穷大的状态，那就是宇宙诞生的时刻。

宇宙膨胀是等速的、减速的、还是加速的？2012年10月8日，据英国《每日邮报》报道，天文学家们最近给出了有关宇宙膨胀速度迄今最为精确的测量值（美国宇航局的斯皮策空间望远镜工作在波长较长的红外波段，而不是可见光波段,其最新的测量数据将此前由哈勃空间望远镜进行的一项类似观测的精确度提升了3个数量级，将该数值的不确定性范围降低至3%以内）。74.3±2.1(km/s)/Mpc，其中Mpc为326万光年。

美、澳两个研究小组的三位天体物理学家用Ⅰa型超新星经过诸多校正后作为“标准烛光光源”进行观测，总共观测了约50颗遥远的“超新星”，两个课题组都发现那些远的Ⅰa型超新星的亮度比预期的更暗(即更远)。并于1998年得到了一致的结论：宇宙的膨胀速度不是恒定的，也不是越来越慢，而是不断加快。三位科学家因揭示宇宙命运获2011年诺贝尔物理学奖。

根据宇宙几何方程要加速膨胀必须有大的负压观测结果：可见＝0.04c

（来自原初核合成）

可见≪暗≪c暴胀预言：total＝c可见是重子物质，暗是暗物质。还应有什么成分？h~O(1)

暗能量是什么？--宇宙加速膨胀的动因!2003年，科学家们得以对超过44.6万个星系进行了全面而细致的研究，准确得到了宇宙现今膨胀速度和宇宙年龄（137.3±1.2亿年）。证实了一种被称为暗能量的神秘力量不仅仅在驱动宇宙的扩张，而且以更快的速度扩张。暗能量的发现为2003年十大科学发现之首。

1917年爱因斯坦首次发表现代宇宙学奠基论文时，为了获得静态宇宙而曾引入代表斥力的宇宙学常数Λ。1929年哈勃发现宇宙膨胀后，宇宙已经不是静态，爱因斯坦就放弃了这个常数。如今发现了加速膨胀，人们再一次领悟到，这个常数也许就是解读此谜的一把钥匙。宇宙学常数中包含的巨大潜在的真空能?一种变化的动力学场的能量?

暗能量是什么？暗能量是近年宇宙学研究的一个非常复杂的问题。这是又想到了宇宙学常数Λ！宇宙学常数Λ相当于真空具有一个能量密度。人们称这种真空介质为暗能量。按照广义相对论，不仅物质的质量，而且它的压强，均可以产生万有引力。通常的物质，密度和压强总取正值，因此它们均产生引力。宇宙膨胀是在加速的观测事实表明，存在着一种很强的排斥力，它是否对应着一种新物质，它的压强是负的。这种负压强物质就称为暗能量。爱因斯坦的宇宙学常数Λ，也相当于一种暗能量。三、宇宙起源的大爆炸模型

1946年美国科学家伽莫夫探讨宇宙中的基本元素是怎样形成的（氢占宇宙中普通物质质量的3/4，氦占1/4，而所有其它元素质量的总和占不足1%），他认为宇宙高温起源于一次大爆炸，大爆炸以后,诞生了时间和空间、质量和能量，随着温度的降低，不断膨胀和演化,最终形成今天的宇宙。该模型的最大优点是可以直接解释天体的红移现象,解释宇宙中氢、氦的丰度值，此外该模型的理论预言5K的宇宙背景辐射温度。宇宙由真空涨落产生，开端时间为普朗克时间宇宙初期温度超过普朗克温度

从普朗克时间10-43s到10-3s，宇宙温度从1019GeV降到1TeV，这一段能级间的物理规律我们还不是非常清楚，只能推测可能发生的事件。按现在的研究，这阶段应发生过的事件有真空相变引起的暴胀、正反重子不等量的产生和冷暗物质的形成等。

暴涨理论最初动机：标准宇宙学平坦性和均匀性;机制：宇宙甚早期以e指数的形式膨胀,抹去了宇宙之前的历史;暴胀结束后宇宙变得非常的平坦和均匀;暴胀还很好的解释了结构起源问题。暴胀时期量子涨落导致的密度微小起伏。现有粒子理论：正反重子（质子、中子）应该是对称的，宇宙早期产生的正反重子数应该相同，而且在某一时刻将湮灭成光子；到目前为止还没有观测到由反物质组成的天体存在（Alpha磁谱仪）猜想解释：正反物质并不守恒，宇宙早期所产生的重子和反重子的数量并不相同，重子的数目要多于反重子；差别甚小，约为10负9次方。核合成时期之前：湮灭后只剩下核子而没有反核子，且光子数是核子数的10的9次方倍。对基本粒子理论的挑战:还没有理论能说明宇宙早期正反重子不对称性，也没有一个成功的统一理论，现在粒子实验的能标还是太低。2010年的十大科学发现：美国费米实验室发现离子碰撞过程中物质比反物质多1%。就是这一微小差额创造了宇宙。原初核合成宇宙早期由中子和质子合成各种元素原子核的过程主要发生在宇宙年龄为3分钟到1小时之间。质子和中子碰撞结合成最简单的原子核—氘氘的结合能是2.2MeV，高能光子（＞2.2MeV）可以把氘核瓦解。宇宙温度足够高，此过程是可逆的。只有当宇宙温度降到大部分光子的能量都比2.2MeV小,氘核的数量才可以大量增加。宇宙温度降到0.1MeV，氘核的光分裂实际上失效，此时的宇宙年龄为3分钟，核合成的开始。氘合成开始，后继连锁反应就能接着发生原初核合成只产生了元素周期表前三种元素及其同位素，质量为５和８的核没有稳定和亚稳的元素，不能生成更重的元素。核合成发生之前，宇宙中的中子数和质子数并不相同，质子数要比中子数多，宇宙温度T>1MeV时，质子和中子能通过弱作用而相互转化：这个相互转化的过程非常频繁，质子和中子的数密度都满足玻尔兹曼分布中子质子质量差:Δm=mn-mp=1.29MeV，由于中子比质子重，所以中子比质子少。退耦时（几秒）T～0.5MeV，冻结后中子和质子数比例约为1:7。5秒钟0.5MeV，5*109K3分钟0.1MeV，109K1小时0.02MeV，108K由核合成开始时nn/np的值,可以算出核合成结束后剩余的质子数与产生的氦核数比例，即氢核和氦核的丰度。氦核丰度Y4：它在气体中的质量百分比

还需要作中子β衰变等修正。根据伽莫夫最初估算nn/np=1/7：大爆炸初期合成了1/4的氦。太阳系氦丰度的实际测量，Y4约比1/4略大。

宇宙年龄3分钟，温度10亿度,质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引；而自由中子的平均寿命不足一刻钟，如果中子不能在远短于一刻钟的时间内成功躲进氦核而成为稳定中子，世界上将不再有中子，氢以外的所有其它一切元素均无法形成。

可见，理论算出来的3分钟年龄和四分之一丰度这两个数字是多么的合理。轻核素原初合成给宇宙大爆炸学说提供了强有力的证据。一小时后，宇宙温度降到0.02MeV(108K)，核与核的热碰撞不再生成新的核，热核反应中止。原初核合成产生的主要化学组份是氢和氦。氦是核合成的主要产物，氢是核合成结束后所剩余的质子。宇宙中存在的碳、氮、氧等更重的元素都是由恒星制造出来的。宇宙演化时间表宇宙年龄温度状态与过程0.01秒1011K一团混沌1秒1010K出现电子、中子、质子和它们的反粒子3分钟109K形成复合原子核氦38万年3000K出现原子，宇宙形成。

经过近10亿年的黑暗时代后出现恒星和星系。在大爆炸后的百万分之一秒，宇宙已从比一个原子还小，膨胀到了太阳系的8倍大。在大爆炸后38万年，宇宙已经膨胀到银河系的大小，温度从数十亿度冷却到了几千度。在大爆炸后的90亿年，生命所需的所有元素都出现了。宇宙已经发展成了一个浩瀚复杂的空间，拥有数十亿个星系和无数恒星。在银河系的一个寂静的角落，一大团尘埃和气体开始聚集。它是一个大质量超新星遗留下的碎屑。达到临界质量时，这团碎屑开始猛烈燃烧，一颗恒星诞生了，它就是我们的恒星——太阳。宇宙年龄约为38万年，宇宙温度降到3000度左右时，其中带正电的原子核将俘获带负电的电子而成为中性原子，这时宇宙变得透明，光辐射则遗留了下来，成为保持黑体谱形的背景辐射。由于宇宙一直在膨胀，遗留下来的背景辐射的波长也随着增长，波长增长相当于等效的温度下降。并预计应该存在不高于5K的背景辐射--热大爆炸的遗迹。复合温度Tr

3000K(宇宙年龄38万年)

微波背景辐射实验观察

1964-1965年彭齐亚斯和威尔逊在检验接受卫星微波信号的巨型天线的低噪声性能时发现的。测量得到的温度约3K。因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。右图是1989年11月宇宙背景探测者(COBE)卫星的观测结