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宇宙起源


《宇宙起源与发展》
姓 班 学 专 名:湛 毅 义 级:1321002 号:201320100225 业:化学工程与工艺

通过本学期的选修课《宇宙起源》的学习我对宇宙有了一点初步的了解,宇 宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。 宇宙是物质世界它处 于不断的运动和发展中。 宇宙是什么时候、如何形成的宇宙是由大约 150 亿年前 发生的一次大爆炸形成的。以下是一些理论根据谈谈大爆炸学说。 宇宙起源的疑惑, 在爆炸发生之前宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起 并浓缩成很小的体积温度极高密度极大之后发生了大爆炸。 大爆炸使物质四散出 击宇宙空间不断膨胀温度也相应下降后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、 行星乃至生命都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。 然而大爆炸而产生 宇宙的理论尚不能确切地解释 “在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在 着什么东西 “宇宙大爆发理论定义”又称大爆炸宇宙学。其说明了较多的观测事 实。 主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里宇宙体系并 不是静止的而是在不断地膨胀使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密 到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。 根据大爆炸宇宙学的观点大爆炸的整个过 程是在宇宙的早期温度极高在 100 亿度以上。 物质密度也相当大整个宇宙体系达 到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物 质。但是因为整个体系在不断膨胀结果温度很快下降。当温度降到 10 亿度左右 时中子开始失去自由存在的条件它要么发生衰变要么与质子结合成重氢、 氦等元 素化学元素就是从这一时期开始形成的。 温度进一步下降到 100 万度后早期形成 化学元素的过程结束见元素合成理论。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和 一些比较轻的原子核。 当温度降到几千度时辐射减退宇宙间主要是气态物质气体 逐渐凝聚成气云再进一步形成各种各样的恒星体系成为我们今天看到的宇宙。 大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实。1 大爆炸理论主张所有恒星都 是在温度下降后产生的因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时 间为短即应小于 200 亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。2 观测到河外天 体有系统性的谱线红移而且红移与距离大体成正比。 如果用多普勒效应来解释那 么红移就是宇宙膨胀的反映。3 在各种不同天体上氦丰度相当大而且大都是 30。 用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。 而根据大爆炸理论早期温度 很高产生氦的效率也很高则可以说明这一事实。4 根据宇宙膨胀速度以及氦丰度 等可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。 大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预

言今天的宇宙已经很冷只有绝对温度几度。1965 年果然在微波波段上探测到具 有热辐射谱的微波背景辐射温度约为 3K。 宇宙大爆发的假说条件 1、假设宇宙是在约 150-200 亿年前从一个高温高密 度的状态开始爆炸膨胀之后渐渐冷却形成星系。2、膨胀是发生在每一处。3、宇 宙论标准模型所描绘出的宇宙的历史如下, 当时间为 0 时开始产生大爆炸当时间 为 4 秒时开始产生质子、 中子、 电子当时间为 3 分时开始形成原子核其中氢 H 约 占 75 氦 He 约占 25。此时气体是游离的自由电子与光散射光无法跑远就被散射 掉宇宙到处充满辐射。大爆炸至此时期之前合称为辐射主控时代 radiation dominate era 当时间为 106 年时温度约为 3000 K 自由电子与氢、 氦 原核结合成为氢原子与氦原子。 此时气体是中性的使得光子可以在宇宙中自由行 走亦即宇宙变透明了,从此进入物质主控时代 matter dominate era。当时间为 109 年时星系的形成。宇宙大爆炸学说的实验观察数据 1、红外线位移 由地球 任何方向看出去遥远的星系都是离我们远去宇宙膨胀。哈柏定 律: Vr H d H 75 km/s/Mpc 2、氦与氦的丰存度 宇宙标准模型预测 H 氢 占约 75He 氦占约 25 己经实测证实。 恒星所消耗的氢与所产生的氦还不足以改变这个 比例。3、微量元素的丰存度,微量元素重氢 deuterium、氦-3 helium-3、锂 -7 lithium-3。 对这些恒星无法合的微量元素宇宙标准模型预测的丰存度与实测 的 丰 存 度 一 致 。 4 、 3k 微 波 背 景 辐 射 大 爆 炸 后 宇 宙 膨 胀 、 冷 却 。 Penzian Wilson 1978 诺贝尔奖得主 用号角形天线发现天空具有均匀等向的无 线电波噪声─宇宙背景辐射相对应于 3K 黑体所发出的辐射。COBE 卫星精确测 量宇宙微波背景辐射的温度为 2.726±0.005 K。 5、微波背景辐射不均匀量 微 波背景微量不均匀是宇宙区域结构的种子。 大爆炸后暗物质和暗能量形成与发展论 1、何为是暗物质,我们能找到的普 通物质仅占整个宇宙的。 各种测算方法都证实宇宙的大部分是不可见的。最有可 能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子 neutralino 和 axions 轴子但这仅是物 理学的理论推测并未探测到。 据认为这三种粒子都不带电因此无法吸收或反射光 但其性质稳定所以能从创世大爆炸后的最初阶面幸存下来。 科学家认为暗物质 与构成恒星何行星的通常物质不同。 它们不可能参与宇宙早期的核反应也就是说 不可能以普通的原子和分子的形式存在。 因为在普通的原子和分子的原子核中包

含着质子和中子而质子和中子是参与核反应的。 这种冷暗物质约占宇宙近的两个 发现证实普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。 还有第二种成分它不是物 质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据来源于对宇宙构造的测 量。 爱因斯坦认为所有物质都会改变它周围时空的形状。因此宇宙的总体形状由 其中的总质量和能量决定。 最近对大爆炸剩余能量的研究显示宇宙有着最为简单 的形状——是扁平的。 这也反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所 有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现宇宙的质量密度仍少了 2/3。3、 大爆炸后引起的黑洞学说 当宇宙大爆炸后其暗能量暗物质将不可阻挡地向着中 心点进军直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一 旦收缩到一定程度史瓦西半径巨大的引力就使得即使光也无法向外射出—— “黑 洞”黑洞使空间弯曲。 总之宇宙就像一个迷难于读透难与确却地定论其起源。 宇宙大爆炸引起宇宙 起源也只是个大猜想没有完全正确的说明其根源。 这也是宇宙的神秘地方未来宇 宙会怎样也众说纷呈期待着更进一步的解说。


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