[理化生]现代宇宙学进展-赵超先

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1、现代宇宙学进展南京晓庄学院赵超先1。2011年诺贝尔物理学奖2。现代宇宙学3。暗物质和暗能量4。宇宙学与粒子物理德国哲学家康德说过：“世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵：一件是我们心中崇高的道德准则；另一件是我们头顶上灿烂的星空”。最近10年，天体物理与宇宙学领域巳经三次获得诺贝尔物理学奖，是物理学最活跃的领域之一。2002年诺贝尔物理学奖表彰的另一项成果与x射线有关。美国科学家里卡尔多·贾科尼领导研制了世界第一个宇宙x射线探测器——爱因斯坦x射线天文望远镜。这一探测器于1978年进入太空，它首次提供了精确的宇宙x射线图像，在此基础上科学家获得了大量新发现。此外，贾科

2、尼在世界上第一次发现了太阳系外的x射线源，第一次证实宇宙存在着x射线背景辐射，他还探测到了可能来自黑洞的x射线。表彰的一项成果是美国科学家里雷蒙德·戴维斯和日本科学家小柴昌俊在“探测宇宙中微子”方面取得的成就.诺贝尔奖委员会称戴维斯是20世纪50年代唯一一位敢于探测太阳中微子的科学家。戴维斯领导研制了一个新型探测器，在30年的探测中，他共发现了来自太阳的约2000个中微子，并证实了太阳是靠核聚变提供燃料的。2006年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。两名美国学者，根据1989年发射的COBE卫星测量结

3、果进行分析计算后发现，宇宙微波背景辐射与绝对温度2.7度黑体辐射非常吻合，另外微波背景辐射在不同方向上温度有着极其微小的差异，也就是说存在所谓的各向异性。来自美国和澳大利亚的三名天体物理学家获得2011年诺贝尔物理学奖，以表彰他们因超新星的研究而对宇宙学的贡献。这三位科学家分别是美国加州大学伯克利分校教授索尔·佩尔马特，出生于美国而拥有美、澳双重国籍的澳大利亚国立大学教授布莱恩·施密特，以及美国约翰斯·霍普金斯大学教授亚当·里斯。一。2011年诺贝尔物理学奖1998年,两个Ia型超新星(SN)小组发现了宇宙在加速膨胀,由此揭示了暗能量的存在,这一成果被美国Science杂志

4、选为当年的世界十大科技进展之首.之后暗能量一直成为物理学界和天文学界关注的焦点.佩尔马特领导的一个研究小组于1988年开始研究超新星，施密特领导的研究小组于1994年也开始这一工作，里斯在施密特的小组中发挥了重要作用评审委员会认定，3名获奖者所获研究结果改变了人类对宇宙的认识。“将近一个世纪，一种公认看法是，宇宙正在扩张，是大约140亿年前‘大爆炸’的结果。”“不过，发现宇宙扩张正在加速，令人惊异。”诺贝尔物理学奖评审委员会评介，这3名获奖者“研究几十颗处于爆炸状态的恒星、即‘超新星’，发现宇宙正在扩张过程中，扩张速率不断加速”。“如果扩张继续加速，宇宙将以冰冻状态终结。”

5、另外，3人的研究，确认了最初由科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出的一种理论，即他称之为“宇宙学常数”的理论。根据人们之前的物理学认知，宇宙不可能是加速膨胀的，因为人们知道的宇宙中的物质是引力性的物质，即宇宙在大尺度上只能是相互吸引（已知的四种力，电磁力，弱力，强力，引力，只有引力是长程力，且不能相互抵消，所以宇宙大尺度上，引力占主导地位），所以要么收缩，要么减速膨胀，不可能加速膨胀。所以宇宙加速膨胀的发现将极大改变人们对宇宙的认知，目前研究很火的“暗物质”和“暗能量”就是人们认为导致宇宙加速膨胀的神秘物质，暗能量的性质将决定我们宇宙演化的未来，同时，暗能量的研究也必将推动物理学的

6、发展.二。现代宇宙学1.爱因斯坦的广义相对论与宇宙模型爱因斯坦1915年发表了广义相对论，1917年就将之应用于宇宙学的研究，提出了“无限、有边、静态”的宇宙模型。爱因斯坦的宇宙常数：在提出“无限、有边、静态”的宇宙模型时，已经感到宇宙不稳定，有引力收缩的趋势。他特别在引力场方程中增加了一个反引力的排斥项即“宇宙常数项”，以抵消这种收缩的趋势。视频：静态宇宙模型不几年后,天文家Slipher发现了宇宙在膨胀的微弱迹象,敏感的Einstein立刻意识到他的模型应当放弃.尽管这样,他的发端性工作为后来的宇宙学奠定了两块不可磨灭的基石.其一是宇宙动力学服从广义相对论,其二是宇宙可

7、简化为均匀介质.当时这两点都并没有事实基础,而只是猜测性的假设.1922年,Friedmann在同样的前提下建立了膨胀的动力学方程.它至今仍是研究宇宙膨胀过程的基础.值得指出两点:一是他沿用了Einstein的没有事实根据的假定;二是当时也还没有宇宙在膨胀的确切证据.因此当时它仅是一个试探性的理论模型.1948年物理学家伽莫夫首先提出：宇宙是从一个高密度的火球爆炸开始的。2.宇宙大爆炸理论约在距今137亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开始→约10-35s后，一个特别快速的膨胀过程(称暴胀)，当膨胀变慢后，宇宙充满