宇宙图谱

nullnull暗宇宙暗宇宙2009-2宇宙图谱宇宙图谱四方上下称宇，古往今来谓宙。 托勒密的地心说。 哥白尼的日心说。 布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。宇宙图谱宇宙图谱随着天文观测技术的发展,人们看到,确实像布鲁诺所说的那样,恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到,银河是由无数个太阳系组成的大星系,我们的太阳系处在银河系的边缘,围绕着银河系的中心旋转。转速大约每秒250公里,围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年,而银河系的直径则高达10万光年。银河系由2000多亿颗恒星组成。null宇宙图谱宇宙图谱后来又发现，我们的银河系外还有其他的星系，银河系与其它银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107光年(一千万光年)。 目前,望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。这就是说，在107光年的尺度以下，物质是成团分布的。宇宙图谱宇宙图谱卫星绕着行星转动；行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。成千亿个太阳系聚集在一起,形成银河系，组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着共同的重心———银心转动。无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。null宇宙图谱宇宙图谱粗略地说，宇宙正如同一团气体，而气体的分子是星系团。 星系团有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。 宇宙模型宇宙模型爱因斯坦静态宇宙模型 爱因斯坦1915年发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 广义相对论，1917年提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。 宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。 宇宙模型宇宙模型弗利德曼宇宙膨胀动力学 1922年，苏联数学家弗里德曼（Friedmann）在解爱因斯坦引力场方程时得到的。 膨胀的、或脉动的宇宙模型。 膨胀的宇宙膨胀的宇宙1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。 1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系(即我们银河系之外的其它银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。膨胀的宇宙膨胀的宇宙河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比： V = HD 式中V是河外星系的退行速度； D是它们到我们银河系中心的距离。 这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。null（1999年第10题）天文观测表明，几乎所有远处的恒星（或星系）都在以各自的速度背离我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速度（称为退行速度）越大；也就是说，宇宙在膨胀．不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v=Hr，式中H为一常量，称为哈勃常数，已由天文观察测定，为解释上述现象，有人提出一种理论，认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的，假设大爆炸后各星体即以不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心，则速度越大的星体现在离我们越远，这一结果与上述天文观测一致． 由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄T，其计算式为T=________．根据近期观测，哈勃常数H=3×10-2米/秒·光年，其中光年是光在一年中行进的距离，由此估算宇宙的年龄约为________年． 膨胀的宇宙膨胀的宇宙null（2）介于实验（1）和理论架构（3）之间的研究。 （1）和（2）合起来是实验物理； （2）和（3）合起来是理论物理，而理论物理的语言是数学。物理学的三个领域膨胀的宇宙膨胀的宇宙当时测出的Hubble常数比实际值大了7倍。 于是推断出的宇宙年龄为实际值的1/7。 T0 = 20亿年。 当时多数人认为这表明： 宇宙膨胀理论不对。大爆炸模型大爆炸模型1948年，伽莫夫（Gamow）却用它研究了宇宙的早期（最初十万年）。 一．早期宇宙中不会有星系和恒星，今天宇宙的物理状态是演化产生的。 二．提出了一切星系形成前的宇宙是均匀的高温高密气体的观念。 反对者讥讽地称它为“大爆炸理论”， 并斥之为伪科学。大爆炸模型大爆炸模型一个新物理理论要被人们普遍接受，必须提出关键性的预言，等待将来的观测来证实或证伪。 null大爆炸模型大爆炸模型HBB（Hot Big Bang）的关键预言就是： 　　　宇宙背景辐射(CBR)宇宙背景辐射宇宙背景辐射伽莫夫（Gamow）的想法： 星系不可能自古存在； 星系应来自均匀气体的碎裂（猜想）； 时间越早，这均匀气体的温度越高； 当 t < 10万年，T＞105 K，气体为plasma； 热平衡的plasma必包含光子组分； 膨胀降温，核与电子必结成中性原子，光子将退耦，并遗留至今。 　　　　 这就叫宇宙背景辐射。宇宙背景辐射宇宙背景辐射遗留的光子没有热碰撞，但它依然随宇宙膨胀而降温。 伽莫夫估出它今天温度应低于10 K，其主要辐射在射电和微波波段。宇宙背景辐射宇宙背景辐射1965年,两位美国工程师（贝尔电话实验室 ）彭齐亚斯和威尔逊，在调试他们的天线时,发现有一些无法排除的噪声。此种噪声处在微波波段,属于热噪声,相当于绝对温度3K左右。null宇宙背景辐射宇宙背景辐射作为两名工程师，他们完全不知道这信号来自什么，也不清楚自己的发现在天体物理学上的意义。 当时，美国普林斯顿大学的狄克小组，正在寻找这残余的辐射。听到这一消息狄克立刻指出，彭齐亚斯和威尔逊发现的无法排除的热噪声,正是盖莫夫当年预言的大爆炸的余热。 彭齐亚斯和威尔逊为此获得1978 年诺贝尔物理学奖金。 宇宙背景辐射宇宙背景辐射为什么讲Noble评奖委员很有魄力？ 其实当时遗留一个很重要的疑问： 凭什么认为所测到的背景辐射和HBB预言的背景辐射是一回事？ 很多人意识到，应当全波段地测量辐射频谱。 且HBB预言的CBR应高度与普朗克公式一致。 null宇宙背景辐射宇宙背景辐射温度为3 K的热辐射的短波段为毫米波。由于有地球大气的干扰，来自远处的毫米波信号很难准确测量。 当时不多的几个测量结果引起很大争议。有的结果表明所测到的背景辐射谱与普朗克谱有很大差别。 要有清楚的回答，只能用观测卫星在地球大气之外做测量。 COBE卫星应运而生。宇宙背景辐射宇宙背景辐射1974年，NASA（美国航空航天局）向众多的天文学家和宇宙学家发出邀请，请他们对新的太空实验计划给出建议。这就是COBE计划。全称Cosmic Background Explorer（宇宙背景探测器）。 NASA最初打算用航天飞机将COBE送入太空，但1986年发生了挑战者号航天飞机坠毁的悲剧，因此被延误数年，COBE卫星最终于1989年11月18日被用火箭发射升空。宇宙背景辐射宇宙背景辐射COBE目标之一是全波段地测量微波背景辐射的频谱。 它在30几个波长上同时测量辐射强度，每个波长上设置了4个接收器。 它上天9分钟后，地面立刻得到了测量结果： 实际存在的背景辐射谱与T = 2.735 K的Planck热辐射谱高度相符。 这使HBB的可靠性得到了铁证！宇宙背景辐射宇宙背景辐射凭什么这么说这是铁证？ 与Planck谱高度相符，表明辐射源有高度的热平衡。 在已有星系或恒星的宇宙中已不能存在高度热平衡的物体。 唯一只有早期宇宙才能是这样的源！ 高度符合Planck公式的背景辐射只能来自早期宇宙！null大爆炸理论成长的三部曲大爆炸理论成长的三部曲最初被当作伪科学， 65年后被认识到有一定道理， COBE把它的可靠性证实到无可置疑的地步。 美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。荣获2006年诺贝尔物理学奖。暗物质暗物质既然宇宙是有开端的，并不断地膨胀,那么显然会产生这样的问题：宇宙会永远地膨胀下去吗，还是有朝一日停止膨胀转为收缩？这是关系到我们宇宙命运的大问题。 宇宙是否继续膨胀取决于宇宙所包含的物质质量或者宇宙的物质密度。这存在一个密度值------我们称为临界密度。 根据宇宙的能量守恒可以得出临界密度值，它大约等于每立方米内有6个氢原子。暗物质暗物质当宇宙物质密度超过临界密度时，宇宙最终将变膨胀为收缩，这种宇宙称为闭宇宙。 当宇宙物质密度低于这个临界值，宇宙将永恒地膨胀,这称为开宇宙。 当宇宙物质密度等于这个临界值，宇宙将在惯性下膨胀,这称为平直宇宙。暗物质暗物质那么我们的宇宙究竟包含多少物质呢? 以前认为,宇宙中的物质以两种形式存在： 一种是普通的物质,也就是我们看到的发光的物质,它们都由重子构成； 还有一种是辐射能,也就是存在于空间的各种电磁波。 估计的结果是令人吃惊的，我们眼睛看到的宇宙物质密度比起临界密度来说少得太多，还不到后者的5%。暗物质暗物质暗物质猜想第一人——瑞士天文学家茨威基 1933年他发现星系团的光度质量远小于动力学质量，为了缓解观测和理论相互矛盾的尴尬。他大胆猜想——宇宙中存在一种根本不和光发生相互作用，用光学手段绝对观测不到的物质形态——暗物质。 可以想象，茨威基的猜想会遭到什么样的糟糕待遇。暗物质暗物质四十年后，这种天文观测和理论的尴尬遭遇又再次上演。 天文学家观测星系中恒星的运行速度，观测的结果让他们目瞪口呆：围绕星系中心旋转的恒星，无论距离远近，旋转速度趋于一致。 当你把一切不可能的结论都排除之后，那剩下的，不管多么离奇，也必然是事实。 ——夏洛克.福尔摩斯暗物质暗物质暗物质的组成是什么？ 根据HBB理论，宇宙早期是没有结构的均匀气体(球)，宇宙学必须回答：后来的结构怎么形成的？ 定性回答简单而清楚： 自引力不稳定性使小扰动发展成物质结团。 这样，背景辐射上应能观测到密度(温度)的微小起伏。暗物质暗物质从观测方面： 70年代后期，若干组做了这样的探测。得到的都是零结果。于是知道：△T/T < 1×10-4。 从理论方面： 若CBR上的小扰动已知，后来它们随宇宙膨胀而演化至今天，应当可以算出今天宇宙的实际面貌。如： 星系应当多大(一个范围) 单位体积内星系平均应当有多少个？等等。暗物质暗物质从理论方面： 这种计算需要输入两方面信息： 今天宇宙物质的平均密度多大？ 宇宙中暗物质的主要组分是哪几种？ 当时认为：暗物质总归也是重子所组成。（注意：今天已知道这不对！） 利用△T/T < 1×10-4 算下去，人们发现：这样的小扰动演化到今天是来不及形成星系的 。 可是星系已大量形成却是铁的事实。我们正生活在某一个星系内呢！ 宇宙学遇到了天大的疑难 ！哪儿错了？暗物质暗物质星系必须来得及形成，因此：宇宙以非重子为主很可能是事实。 很大胆的假设！ 他们首先意识到，若非重子为主，CBR上的温度起伏应当有：△T/T > 1×10-6暗物质暗物质至80年代后期，小扰动测量的精度已提至： △T/T < 1×10-5 相信非重子为主的宇宙家到了关键时刻。 若测量精度再提高一个量级依然是零结果，那么宇宙物质以非重子为主的观念就必须放弃了。 COBE承担的又一使命就是回答这问题。暗物质暗物质CBR上测量温度起伏很难，测量后的数据处理也十分繁复。到三年后的1992，结果才出来： △T/T = 5×10-6 这当然是一个异常重要的结果。它明显地支持了非重子为主的猜想。 理论家更确信：宇宙以非重子为主很可能是事实！暗物质暗物质二十世纪30年代，被瑞士天文学家茨威基首次提出。被讥讽为妄想。 二十世纪70年代，被重新搬上舞台。 现在，确定它的确存在，并且由非重子构成，但具体是什么？无可奉告！暗能量暗能量观测一： 大概94年，宇宙学家根据新的观测资料终于测出了宇宙中包括暗物质在内的物质密度，它们约为临界密度的1/3。 我们的宇宙原来是个低物质密度的宇宙! 这个结果使宇宙学家再度陷入观测与理论的困惑：欠缺的2/3宇宙物质密度在哪里? 暗能量暗能量观测二： 1997年，哈勃太空望远镜发现了一颗爆发于110亿年前，编号为“1999ff”的超新星。它来自宇宙的早期，却有超出理论两倍的亮度。 严密的推断之后，科学家们不得不相信，虽然宇宙大爆炸之后渐渐进入减速膨胀的历史，但是演化了数十亿甚至数百亿年后，它又莫名其妙的加速膨胀起来！ 让这个宇宙加速膨胀的力量从哪里来的? nullnull暗能量暗能量暗能量暗能量很快物理学家们认识到这种力量并非物质，而是更接近能量——一种贯穿你的身体的并横跨宇宙的能量，它微弱到你无法感知，却又强大到加速整个宇宙。 暗能量这个名字太贴切不过了。暗宇宙暗宇宙由于当时技术的限制，COBE的角分辨率只为7度。 2001年6月30日发射的威尔金森微波背景各向异性探测卫星（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）。 WMAP的目标是找出宇宙微波背景辐射的温度之间的微小差异，以帮助测试有关宇宙产生的各种理论。它是COBE的继承者， WMAP的角分辨率为13分。nullnull暗宇宙暗宇宙主要结果粗略地罗列如下： Hubble常数　 H0 = 70 Km/s /Mpc 真空能密度 ρv = 0.76ρc 总实物密度 ρm = 0.24ρc 重子物质密度 ρB = 0.04ρc 由这些基本参量可推断出很多派生量，如 宇宙年龄　　t0 = 137 亿年，等等． 暗宇宙暗宇宙由以上数据可得如下重要的两点： 宇宙总密度约为10氢原子质量/m3，其中3/4来自真空的贡献。 实物约占总密度的1/4，其中重子物质只占1/6，而非重子物质占5/6。关于真空能（暗能量）问题关于真空能（暗能量）问题真空怎么会有能量？ 什么叫测到了真空能？ 真空能肯定被测到了吗？关于真空能（暗能量）问题关于真空能（暗能量）问题何谓真空？ 　　经典物理：　真空 = 完全没有物质 　　　　　　　　真空能密度只能是零． 　　量子物理：　真空 = 场处于基态 　　　　　　　　真空能密度不一定为零． 若不为零，它将产生引力．关于真空能（暗能量）问题关于真空能（暗能量）问题什么叫测到了真空能？ 1. 真空产生的引力只能用广义相对论处理。 2. 真空产生的是斥性引力。( Repulsive gravity ) 3. 测到的是宇宙在加速膨胀。人们把它作为真空能存在的证据。关于真空能（暗能量）问题关于真空能（暗能量）问题真空能肯定被测到了吗？ 使今天物理学家困惑的是：用量子场论做粗略理论估算，真空能密度比实测值高10几个量级！ 于是产生两种研究方向： 一。若观测到的加速膨胀来自真空能，它为什么这么小？ 二。若不是，斥性引力是什么物质(exotic matter)产生的？结语结语今天简述了近一个世纪人类对宇宙的认识历程，不难发现，宇宙微波背景辐射在其中扮演着重要的角色。 一。什么微波背景辐射？ 早期宇宙曾没有恒星和星系，那时它简单地是高温高密的均匀气体。宇宙膨胀降温过程中一定会形成背景辐射。今天观测到的是140亿年前留下的遗迹。结语结语二、关注微波背景辐射的意义何在？ 把大爆炸理论提高到了无可争辩的地步。 它标志着宇宙理论已走向成熟。 它正在影响整个物理学的发展。 三、对此的研究方兴未艾 欧洲宇航局计划发射，“普朗克”卫星（寻找宇宙起源）与“赫歇尔”望远镜（寻找恒星和星系的起源）。大象无形大象无形19世纪末，开尔文在《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》中写道：“在物理学平静而清朗的天空之远处，还挂着两朵令人不安的小小乌云。”他指的是迈克耳逊----莫雷实验和黑体辐射实验。这两朵乌云恰恰预示了相对论和量子力学的诞生。 开尔文后的一百年的物理学，又在这样混乱的局面中开始了----物理学的天空被“暗物质”和“暗能量”所笼罩。这次又将孕育出什么理论？我们拭目以待！null李沐东 13817901175 limudong@sina.com