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科技信息 高校理科研究 宇宙 的演化及其大小的搽ｉ才 湖南文理学院物理与电子科学系 刘钟锐 【摘要］现代宇宙学认为宇宙是由一个奇点发生“爆炸”而逐渐演化形成的。本文肯定了大爆炸宇宙学说，随后讨论 了宇宙是怎样由一个奇点爆炸后，经过宇宙的早期演化，产生星系、恒星、行星以及生命的过程，并运用哈勃定律分析 计算了宇宙的大小。最后对宇宙的未来进行了探讨。 ［关键词］奇点暴胀宇宙宇宙大小 １绪论 我们要探讨宇宙的演化及其大小，首先要了解宇宙的含 义。宇宙的概念源远流长，一般作为天地万物的总称。我国 《淮南子?原道训》注释：“四方上下曰宇，古往今来日宙，以喻 万物。”用现代科学术语来说，宇就是空间，宙就是时间。宇宙 就是客观存在的物质世界，而物质是不断变化发展的，空间和 时间就是物质的表现形式。 我国古代有盖天说、宣夜说、浑天说等多种宇宙学说。而 子隧道效应跃迁到量子真空状态，这就是宇宙的创生，创生的 宇宙只有时空，没有别的物质。这时连宇宙整体的尺度都是微 观的（普朗克尺度：Ｚ。＝１．６ Ｘ。’ｅｍ，ｔｐ＝５．４×１０。’ｅｍ，Ｚ ｐ＝ １．６ Ｘ １０。３３０ｍ，ｔ。＝５．４×１０一Ｓ，以内），无法区分局部和整体， 无法区分“上下”、“左右”、“前后”。从ｔ＝０到ｔ＝Ｐ这段时间 被称为普朗克时代。 ３．２粒子与时代 古代西方主要有毕达哥拉斯的中央火说、托勒密的地心说、哥 自尼的日心说。 那么宇宙究竟是怎样产生以及演化的？它的大小又该怎 样计算？这就是我们下面研究的问题。 ２宇宙的产生 ２．１宇宙的产生 ２０世纪初，爱因斯坦的广义相对论改变了科学家研究宇宙 的方法。１９２７年，比利时天文学家勒梅特第一个提出了动态宇 宙模型，认为宇宙是从一种“原始原子”不断分裂、膨胀形成的。 １９２９年，美国天文学家哈勃发现，几乎所有的星系都有红移现 象。星系距离越远，红移越大。这种红移与距离之间的线性关 系，称为哈勃定律。哈勃的发现结束了禁锢人们数千年的传统 宇宙观，把一个永远静止的世界一下子突变为一个膨胀的宇 宙。同时，哈勃定律预示，如果目前所有星系都在彼此远去，那 么在有限的时间以前，这些天体必然会聚集在一个极小的空间 内，这为日后大爆炸宇宙学的建立奠定了最重要的观测论据。 １９４８年，美籍物理学家伽莫夫从理论上提出：宇宙起源于一次 大爆炸。 大爆炸宇宙学认为，宇宙早期温度极高，物质密度极大。 在那里，物质被压缩成一个奇点，奇点是一个密度无限大、时空 曲率无限高、热量无限高、体积无限小的“点”，一切已知物理定 律均在奇点失效。大约２００亿年前，发生“爆炸”，温度逐渐冷 宇宙从创生起，即按Ｒ（ｔ）一压的规律膨胀。当ｔ＞ｔ。，宇宙 尺度已超过普朗克尺度，时空的量子起伏可以忽略，空间时问 概念已具有物理意义。宇宙温度降低，密度变小，宇宙物质成 分随之改变。温度起着关键的作用，经历匹配特定温度的几个 时代。 在大爆炸后约１０弗ｓ，温度１０勰Ｋ，宇宙经历了一个暴胀阶 段，从１０。３５ｓ到１０。３３Ｓ，宇宙发生对称性破缺和相变，在一切方 向迅猛膨胀约１０”倍。到暴胀结束后，宇宙仍按Ｒ（ｔ）一√ｔ的规 律膨胀。在这段时间内，宇宙发生了一次大统一相变，产生出 重子对于反重子的不对称性，结果导致今天宇宙中的正物质远 多于反物质。 １０。３２Ｓ时刻，温度降到１０”Ｋ，宇宙开始是强子占优势的 “强子时代”。 ｌＯ。６ｓ时刻，温度降到１０¨Ｋ，强子对湮灭，由强相互作用控 制的强子时代过去了，接着，弱作用出场，宇宙开始轻子占优势 的“轻子时代”。 约１Ｓ时刻，中微子不再参与粒子碰撞的热平衡，“脱耦”而 自由运动，电子和正电子开始大量湮灭而生成光子，开始辐射 为主时期。 ３．３核合成时代 大爆炸５ｓ后，温度降到１０９Ｋ，进入“核合成时代”。粒子 物理学可推算得出：温度降到１０９Ｋ以下，质子和重子可以互相 结合而先后形成氚（Ｄ）、氦（Ｈｅ）、锂（Ｉｊ）、铍（Ｂｅ）等少数的宇 宙核合成轻核素（即原子核）。到约３分钟，温度下降到１０８Ｋ 时，宇宙变得弥漫而不能合成较重核素，结果约２４％的宇宙质 量成为氦核。这与观测到的宇宙氦丰度相符合，是大爆炸宇宙 论的又一有力支持。 ３．４辐射为主的时期 当宇宙年龄约为１Ｓ时，电子一正电子对湮灭生成光子，辐 射为宇宙的主要成分。光子连续地和物质相互作用，辐射和物 质耦合在一起。宇宙总体是大致等量的带正、负电荷粒子的等 离子体。这期间，很多重要事件确定了现在的宇宙性质。例 如，复杂的粒子相互作用建立正粒子跟反粒子的微小不平衡， 反粒子和几乎所有正粒子湮灭，留下少量多余的正粒子来“建 造”我们所知道的宇宙。随着膨胀的进行，质子和电子的密度 降低，辐射被散射的情况越来越少。当温度下降到约４０００度 时，质子和电子结合成氢原子。这个时代通常被称为解耦时 却，形成各种各样的恒星体系，也就是我们今天所能观测到的 宇宙。 ２．２大爆炸学说的预言及其实验检验 ２．２．１宇宙微波背景辐射的发现 按照大爆炸理论，自ｔ＝１００万年起，早期热辐射开始在宇 宙空间中自由传播，随着宇宙继续膨胀，这种热辐射的温度逐 渐降低，根据理论计算，宇宙膨胀到现在，上述残留的热辐射的 温度应该为２．７Ｋ。而１９６４年，美国射电天文学家观测发现了 宇宙背景的微波辐射，对应的温度为２．７Ｋ。这一发现是对大 爆炸理论的重大支持。 ２．２．２氦的丰度 大爆炸理论的另一个预言是宇宙物质中大约２４％是氦。 而天文学家进行各种测量的结果表明，在各种不同的天体上， 氦的丰度相近，大都是２４％，也就是说宇宙物质中氦的丰度确 实为２４％。这就从实验观测方面给予了大爆炸理论又一个重 大的支持。 ２．２．３天体的年龄 大爆炸理论预言，在ｔ＝５０亿年以前是不可能形成任何天 代。此后，辐射就独立于物质而运动，同物质解耦了。到１万 年后，当变稀的辐射能量密度降到小于物质的能量密度时，光 子退耦，辐射为主的时期就结束了，而逐渐转到中性原子气体 “物质为主的时期”。到１００万年后，宇宙变为透明，遗留下来 的宇宙背景辐射随宇宙膨胀而红移为至今２．７Ｋ背景辐射。 ３．５物质为主的时期 在ｔ＝１００万年左右，宇宙温度降至几千度以下，电子和质 子复合形成氢原子，宇宙进入物质为主的时期。由于和光子碰 撞的电子迅速减少，热辐射不再受物质的影响，可以自由传播。 体的。现在ｔ＝２００亿年，因此任何星体的年龄都不应大于１５０ 亿年。实际观测和各种有关的实验结果都支持了这一预言。 ３宇宙的演化 ３．１普朗克时代 宇宙作为一个物理的量子系统，在ｔ＝０，由状态“无”经量 一６２一 万 方数据 科技信息 高校理科研究 宇宙学问题的结果都有影响。但由于长期以来该常量都没有 准确的测定值，所以人们常把它写作 Ｈ＝１００ｈｋｍ?ｓ～?Ｍｐｃ以 （４．３） 式（４．３）中引入的ｈ是以１００ｋｉｎ?８一?Ｍｐｅ’１为单位的哈 勃常量，其量纲为一。目前公认的ｈ值为 ０．５ｓｈ５０．８ （４．４） 需要说明的是，哈勃定律是对红移ｚ＜１的正常星系而言 的，对于类星体或其它特殊星系并不完全适用。哈勃定律有着 这时宇宙物质几乎都是氢和氦。 到ｔ＝５０亿年左右，宇宙中的氢和氦凝聚成了星系、恒星、 行星……形成了地球和生命。 ３．５．１星系 宇宙中最重要的问题之一就是均匀宇宙如何形成目前观 测到的各种结构问题。１９０１年金斯提出
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