大学物理素材-前沿浏览-标准宇宙模型

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1、45第二章宇宙学的标准模型第二章宇宙学的标准模型§2-1宇宙和宇宙学宇宙指的是物质世界的整体，或者说是自然界一切物质的总体，它是物理学中最大的研究对象。宇宙学研究整个宇宙，它所研究的是宇宙这个整体的物理状况和变化过程，或者说是整个宇宙的性质、结构、运动和演化。作为研究者和观测者，人们不仅置身于宇宙之中，而且也是其中的产物。人们利用已有的物理学原理，在时空框架上构建着宇宙学理论。具体而言，宇宙学以量子论、相对论、原子核物理学和粒子物理学等为理论武器，以大口径光学望远镜和射电、红外、紫外、X射线等技术以及空间探测器等为观测手段，研究宇宙的历史、现状和未来。宇宙学之所以成为物理学的一个十分重要的

2、领域，还有一个重要的原因是它在最极端的条件下研究物质的属性，从早期宇宙不可思议的密度和温度直到星际空间的近似真空。与之相比，地面实验室只能在一个很狭窄的范围内进行物理学研究。宇宙学是建立在观测事实基础上的一门科学，宇宙学理论的正确性是通过将物理技术应用于天文装置来进行实验检验的。宇宙学所取得的进展，在很大程度上要归功于最新的观测结果。例如，在早期的宇宙学研究中，人们所关心的是哈勃常量H，星系和辐射源的各向同性的空间分布，以及可观测的宇宙中质能密度的估计值等等；而在后来的宇宙学研究中，人们所关心的是微波背景辐射的各向同性和微小的各向异性，宇宙中各种组分的丰度，核子密度与光子密度的比值，以及暗

3、物质和反物质等等。以下，我们将从观测事实入手来进行讨论。一亮星、银河和星系世界当我们观察夜间的天空时，首先看到的是几乎均匀分布着的离我们很近的星星，称为亮星。如果没有月亮，在秋季晴朗的夜晚，我们还可以看到较远的星星，称为暗星。银河是由无数暗星形成的光带，其中的恒星分布在一个盘状区域，地球和太阳处在偏离中心较远的地方。图2-1(a)和(b)分别给出了银河系的侧视和俯视示意图。当观测范围没有超出盘的厚度时，看到的是各向同性的亮星分布；当视线超出盘的厚度时，则只有沿盘的方向才能观测到较远较暗的带状分布的星星。45第二章宇宙学的标准模型(a)(b)图2-1银河系利用天文望远镜可以观测到许多与银河系

4、相当的星系。星系所包含的恒星数目很多，从几百万颗到几万亿颗。因为它们离我们很远，这么多的恒星总体看起来都是一些并不明亮的小云。尽管星系在天空的分布比暗星的分布均匀得多，但仍有成团聚集的不均匀现象。一些星系会聚集成群、成团，多的可以有几千个星系聚集成星系团，这些星系团的分布就显得均匀了。实际上，还有许多连天文望远镜也看不见的天体。宇宙学的目标不是研究上述天体本身，而是借助于这些天体带来的信息，研究宇宙的整体行为。它的研究对象决定了它的视野十分宽广，它所涉及的时间十分长久。在大尺度范围看来，能代表宇宙特征的大尺度物质的分布是均匀和各向同性的。宇宙没有中心，在任何典型的星系上，同一时刻从任何方向

5、所看到的是同样的宇宙，即任何一个典型星系上的观测者所看到的宇宙规律是一样的。概括而言，在宇观尺度上，任何时刻三维宇宙空间是均匀和各向同性的，通常称为宇宙学原理(cosmologicalprinciple)。宇宙学原理并不排除某一时刻的宇宙和下一时刻的宇宙是不同的，即宇宙学原理并不排除宇宙的演化。而且，宇宙学原理指的是从大尺度角度看，从整体角度看，而不是从细节上看。宇宙各处的细节是可以在演化过程中形成多种多样结构的。二宇宙大尺度特征的观测事实(1)物质分布和暗物质所谓看得见的物质或观测物质，主要是质子、中子和电子。质子和中子总称重子(baryon)，而电子的质量很小，因此看得见的物质主要是重

6、子物质。重子物质中也有一些是不直接发光或只能微弱发光的，如行星和中子星等。45第二章宇宙学的标准模型不同恒星的质光比可以相差很大，但整个星系的质光比与太阳的质光比相差不是太大，不同星系的质光比天体的质光比是质量与光度之比。例如，太阳的质量约为，太阳的光度约为.有些不同。根据天体质光比的规律，由光度测量来确定天体质量，是测量天体质量的一种方法。如果我们把所有看得见的物质统统打散，并把它们均匀分散到整个空间，则可得宇宙的平均重子物质密度为10-28kg/m3.(2.1)另一种更为直接的方法，是利用万有引力定律来测量天体质量。例如，通过星系的旋转速度与离星系中心的距离之间的关系，即旋转曲线，来确

7、定星系的质量。按照万有引力定律，在行星绕太阳转动时，离太阳越远的行星在轨道上转动速度越慢。如前所述，宇宙中有许多螺旋状星云，它们是在万有引力作用下旋转的星系。人们发现，尽管星系上的各点都在绕着星系的质心旋转，但是在离星系中心很远的地方转动速度并不减小，这说明随着距离的增大轨道以内的质量也在增大。然而，在远离星系中心的地方实际上已经几乎看不到物质，质量的增大只能意味着那里存在着大量看不见的物质。考察星系中质量为m的某一部分