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《中科大天文系课件-86早期宇宙演化简史》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、§8.6早期宇宙演化简史观看视频：（宇宙大尺度结构3宇宙大尺度结构41.时空创生按照标准宇宙学模型，宇宙起源于百多亿年前的一次大爆炸。大爆炸之前,没有物质,没有时间，也没有空间，只有真空一一但这并不是哲学上真正一无所有的虚空,而是物理上充满了量子涨落的“沸腾的真空”，它蕴涵了巨大的潜能。由量子力学的不确定关系，时间的涨落与能量的涨落之间满足因而大爆炸即是一次从而的巨大真空潜能的释放。再由相对论的质能关系，释放出来的能量可以转化为物质粒子。从这个意义上说，大爆炸就是一次规模无比巨大的、“无中生有”的真空潜能转变为物质粒子（物理宇宙）的过程
2、。大爆炸之后，物质创生了，时空也创生了，宇宙就创生了。这个过程所经历的时间为,称为普朗克时间，其中为普朗克常数,为牛顿万有引力常数。相应的能量尺度为O在此之前,宇宙处于时空的量子混沌状态，不存在经典意义下的连续时间和空间的概念,也不存在任何因果关系。普朗克时间之后，时空才具有我们熟悉的连续的形式,并且具有了确定的拓扑结构一一闭合的、开放的或平直的，单连通的或者多连通的。更重要的是，时空的拓扑结构自宇宙创生之后不会再变化，这就是大爆炸宇宙的最早的历史遗迹。2.早期宇宙的热历史早期宇宙可以用等参数来描述演化进程，但最好的参数是温度，因为它可
3、以直接测量；同时，（是玻尔兹曼常数）是粒子热运动能量的典型值。随着宇宙的膨胀，温度以及能量密度逐渐降低。对应于不同的能量密度,宇宙依次进入粒子物理、核物理、原子物理等不同物理学领域的演化阶段。当宇宙的温度足够高，使得，其中代表某种粒子的质量，则粒子与对应的反粒子，以及辐射之间基本处于热平衡状态：当温度的下降使得,则主要发生湮灭反应。这样，如果宇宙中的正、反粒子严格对称，湮灭的结果将会使宇宙中所有的粒子被消灭，只剩下光子。因而星系、恒星、地球，包括我们人类在内，都将不复存在。但事实并非如此,这说明宇宙中正、反物质之间并不是严格对称的，而是
4、存在着微小的不对称。只要正粒子比反粒子多出，当绝大多数粒子湮灭之后，就会有极少量的正粒子残留下来，演化为我们今天看到的形态万千的宇宙天体，并且给出观测到的光子数与重子数之比，即(a)在温度高于的极早时期，宇宙包含着处于热平衡的多种粒子，包括光子、轻子、介子和核子以及它们的反粒子。介子与核子之间的强相互作用使得这个时期的物态方程非常复杂。这一时期称为强子时期。（b）当宇宙温度降到（相应的宇宙年龄）,此前曾大量存在的质子、中子绝大部分已经湮灭（质子、中子的质量）o这时的能量,辐射与核子能量密度分别为宇宙中此时主要包含着光子、介子、正负电子、
5、正反中微子极少的核子混合物（由数目相等的质子和中子组成）。衡中。所有这些粒子都处于热平(c)在温度降到以下时，和开始湮灭。当,几乎所有的介子都消失了。中微子开始与其它粒子退耦，成为自由粒子，但仍保持Fermi分布，其温度o此时相对论性粒子还有,以及少量核子。这一时期称为轻子时期。（d）当温度降到以下（）时，正负电子对开始湮灭，宇宙中余下的主要成分只有实际上处于自由膨胀中的光子、中微子和反中微子。由于湮灭使得光子温度升高，光子的温度变为中微子温度的1・4倍，并在此后始终保持这一比值。此时中子很快与质子一起聚变成较重的核，即完成宇宙轻元素的
6、合成。宇宙的以及微量的等轻元素组成的电离气体。这一时期主要成分现在是称为核合成时期。(f)在的某个温度()处，光子、中微子和反中微子的能量密度下降到氢和氨的静质量密度以下，从而宇宙由以前辐射为主时期进入物质为主时期。当时，电离状态的氢复合成为中性氢，称为复合时期，作为这一时期历史遗迹的就是微波背景辐射。(g)宇宙第一代天体开始形成，其后便开始了星系、恒星、行星包括生命形成的漫长历程。1.轻元素核合成宇宙中氢、氨是最丰富的元素，按质量计算，氢的丰度约为3/4,氨的丰度约为1/4,其它元素的丰度之和也只有1%左右。在地球上氮很少，氨元素最早
7、是通过太阳日珥光谱发现的，后来才在地球大气中找到。氮最引人注目的特点是，在许多不同类型的天体上，氨的丰度值Y大致相同，都在0.25-0.30之间,例如:银河系大麦哲伦星云小麦哲伦星云早在上个世纪30年代末，核物理学家就提出了热核聚变理论，即四个氢原子核能够通过聚变生成氨原子核：这是最早的元素生成理论，当时是为了解释太阳和恒星的能源问题而提出的。但是计算表明，宇宙中所有恒星内部产生的氨，加起来也只有观测到的氮丰度的十分之一。因此，恒星内部的热核聚变不足以解释为什么宇宙中有如此丰富的氨，氨元素的起源只能从宇宙学中得到答案。当宇宙的温度降到时
8、（此时宇宙的年龄）,宇宙间还有许多正负电子、以及少量的中子和质子。中子和质子可以通过与正负电子之间的弱相互作用过程而相互转换：式中是电子中微子及其反粒子，这些过程使中子数与质子数之比达到热平衡。由于中子与质
