大爆炸宇宙學(xué)

1、大爆炸宇宙學(xué)天文觀測：宇宙正在膨脹 星系間的距離正在不斷變大將時間向回追溯, 星系間距離會逐漸變小今天星系的平均間距約為星系自身大小的100倍宇宙的尺度因子R比現(xiàn)在小2個量級時 星系的間距將比星系本身的尺度還要小明顯的矛盾大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)所以：星系在那時并不存在, 星系的誕生是宇宙演化的結(jié)果同樣, 宇宙中的其它天體在宇宙早期也不存在, 也是宇宙演化到一定階段的產(chǎn)物宇宙膨脹的同時, 宇宙中的物質(zhì)組分和結(jié)構(gòu)在不斷變化早期的宇宙, 物質(zhì)的密度大, 溫度高宇宙密度大到分子間距比分子大小還小時,那時的宇宙中也不會有分子存在大爆炸宇宙學(xué)伽莫夫，上個世紀40年代末：最早引申出宇宙膨脹的圖景并研究了它

2、的早期演化將時間一直向前追溯,那么在某 有限的時刻,宇宙的密度和溫度必 將趨于無窮大宇宙的”創(chuàng)生”有一個起始時刻 科學(xué)對宗教的妥協(xié)？當(dāng)時的人們拒絕接受伽莫夫的研究 將他的理論諷刺為”大爆炸理論”大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)今天看來,伽莫夫的理論是正確的宇宙初期：溫度超過普朗克溫度 現(xiàn)有理論將不再適用此前的宇宙必須用量子引力理論研究，我們現(xiàn)在并不能理解那時的宇宙狀態(tài) 與普朗克能量相應(yīng)的時間為 稱為普朗克時間 一般經(jīng)典宇宙學(xué)以此為開端 大爆炸宇宙學(xué)現(xiàn)在,人們對宇宙演化的歷史已經(jīng)知道的很詳細星系形成之前, 宇宙中的介質(zhì)應(yīng)是均勻地分布的氣體，帶有微小密度起伏由于引力作用，這些密度起伏最終演變成了今天看到的

3、各種天體（在大尺度上宇宙介質(zhì)仍是均勻分布）大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)宇宙氣體溫度超過105K： 組分粒子的平均熱動能超過10eV氫原子的解離能為 分子的解離能遠小于1eV熱碰撞導(dǎo)致分子和原子的解離宇宙介質(zhì)將處于等離子狀態(tài) 主要組份： 原子核、自由電子和光子大爆炸宇宙學(xué)原子核是復(fù)合粒子 由核子（質(zhì)子和中子）組成每個核子在原子核中的結(jié)合能1MeV宇宙溫度超過1MeV（1010K） 熱碰撞將把原子核完全瓦解宇宙氣體： 質(zhì)子、中子、光子 其它的基本粒子大爆炸宇宙學(xué)核子由夸克組成宇宙溫度大于100MeV(1012K)： 宇宙中沒有核子的存在宇宙介質(zhì)：夸克、輕子和規(guī)范作用粒子所以，星系、分子、原子、各種化學(xué)

4、元素的原子核都是宇宙演化的產(chǎn)物大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)宇宙演化的歷史各階段宇宙溫度所處能級的物理理論現(xiàn)有實驗支持的理論最高能級約為1TeV對宇宙溫度低于1TeV的歷史比較清楚在此能量之上普朗克能量之下這一段歷史中所發(fā)生的事情，只能根據(jù)已有的粒子物理理論進行試探性的研究大爆炸宇宙學(xué)宇宙早期，各種粒子組份處于熱平衡，就象一鍋由各種粒子組成的“熱湯”各種粒子能通過熱碰撞進行相互轉(zhuǎn)換宇宙的膨脹，粒子密度和動能都會降低，將導(dǎo)致粒子碰撞次數(shù)的減少當(dāng)某種粒子幾乎不再有熱碰撞的機會時，它就會退出熱平衡，與其它組份失去物理聯(lián)系，稱之為退耦大爆炸宇宙學(xué)宇宙早期,宇宙物質(zhì)形態(tài)以輻射物質(zhì)為主光子等靜質(zhì)量為

5、0的組份即為輻射物質(zhì)粒子動能Ek遠大于它的靜能量E0=M0c2時,該粒子可以看作輻射粒子輻射物質(zhì)的密度與溫度T和時間t的關(guān)系： T4 t-2 ，與輻射物質(zhì)具體成份無關(guān)宇宙早期：Tt -1/2宇宙年齡為1s： 宇宙介質(zhì)溫度為1MeV（1010K） 由此可以推算出其它時刻宇宙的溫度 大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)從普朗克時間10-43s到10-3s 宇宙溫度從1019GeV降到1TeV這一段能級間的物理規(guī)律我們還不是非常清楚，只能推測可能發(fā)生的事件按現(xiàn)在的研究，這階段應(yīng)發(fā)生過的事件有 真空相變引起的暴脹、正反重子不等量的產(chǎn)生和冷暗物質(zhì)的形成等大爆炸宇宙學(xué)宇宙早期的暴漲理論視界疑難，準平坦疑難,星系形成,

6、原初擾動Old Inflation GuthChaotic InflationLindeNew Inflation Albrecht SteinhardtLinde大爆炸宇宙學(xué)最初動機：標(biāo)準宇宙學(xué)平坦性和均勻性機制：宇宙甚早期以e指數(shù)的形式膨脹，抹去了宇宙之前的歷史暴脹結(jié)束后宇宙變得非常的平坦和均勻暴脹還很好的解釋了結(jié)構(gòu)起源問題 暴脹時期量子漲落導(dǎo)致的密度微小起伏 暴漲理論大爆炸宇宙學(xué)現(xiàn)有粒子理論：正反重子（質(zhì)子、中子）應(yīng)該是對稱的宇宙早期產(chǎn)生的正反重子數(shù)應(yīng)該相同，而且在某一時刻將湮滅成光子組成地球、太陽及其它天體的都是正物質(zhì)（正質(zhì)子和正中子）到目前為止還沒有觀測到由反物質(zhì)（即基本組成是由反質(zhì)

7、子、反中子和反電子構(gòu)成的反原子）組成的天體存在 （Alpha磁譜儀）大爆炸宇宙學(xué)猜想：正反物質(zhì)并不守恒，宇宙早期所產(chǎn)生的重子和反重子的數(shù)量并不相同，重子的數(shù)目要多于反重子宇宙溫度降到其能量不再能產(chǎn)生夸克反夸克對時，宇宙中夸克和反夸克大量湮滅夸克強子相變：生成的核子略多于反核子核合成時期之前：湮滅后只剩下核子而沒有反核子，其數(shù)量將只有光子數(shù)的 10-10到10-9倍大爆炸宇宙學(xué)宇宙早期正反重子不對稱性：對基本粒子理論的挑戰(zhàn)強、弱、電相互作用的統(tǒng)一理論：人們引入了許多機制來得到正反重子不對稱還沒有一個成功的統(tǒng)一理論，現(xiàn)在粒子實驗的能標(biāo)還是太低早期宇宙研究對粒子物理的提示大爆炸宇宙學(xué)1TeV至1Ge

8、V標(biāo)準模型物理夸克、輕子與中間玻色子弱電分離，對稱性破缺，LHC夸克膠子等離子體，RHIC大爆炸宇宙學(xué)量子場論與標(biāo)準模型大爆炸宇宙學(xué)能量為100GeV時，弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一為弱電相互作用 宇宙溫度高于100GeV：宇宙中的主要粒子質(zhì)量為零，夸克、電子、中間波色子 溫度降到100GeV之下，中間波色子轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾雍陀匈|(zhì)量的W和Z0粒子統(tǒng)一場論：強、弱、電相互作用統(tǒng)一 大爆炸宇宙學(xué)t1s（1MeV）宇宙將進入核物理的能級原初的核合成：t=3分至1小時內(nèi)發(fā)生對所發(fā)生過程已有非常詳盡的理論研究核合成宇宙的化學(xué)元素，主要是氫和氦，極少量的鋰、鈹、硼核合成結(jié)束后物質(zhì)都以等離子狀態(tài)存在大爆炸宇宙學(xué)t

9、1012s（10eV）：原子物理的能量范圍溫度約為，原子核和自由電子開始結(jié)合成中性原子宇宙介質(zhì)開始以中性原子氣體的形式存在原來存在的光子失去了熱碰撞對像電子光子退耦，作為背景光子存留下來宇宙微波背景指的就是這些背景光子，宇宙溫度為即指現(xiàn)在背景光子的溫度大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)微波背景輻射：現(xiàn)觀測到的分布即當(dāng)時光子退耦時的分布觀測表明微波背景輻射大體上非常均勻，有微小的密度起伏表明當(dāng)時均勻分布的中性原子氣體應(yīng)該具有相同的微小密度起伏按自引力不穩(wěn)性的規(guī)律演化，這些密度起伏形成了結(jié)團狀的天體，最終演化成現(xiàn)在觀測到的各種天體這種演化非常緩慢，最早星系形成于t109年前后，恒星是星系物質(zhì)進一步碎裂的產(chǎn)物

10、大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)原初核合成宇宙早期由中子和質(zhì)子合成各種元素原子核的過程主要發(fā)生在宇宙年齡為3分鐘到1小時之間第一步，質(zhì)子和中子碰撞結(jié)合成最簡單的原子核氘（2D）大爆炸宇宙學(xué)氘的結(jié)合能： 高能光子（）可以把氘核瓦解宇宙溫度足夠高，此過程是可逆的只有當(dāng)宇宙溫度降到大部分光子的能量都比小,氘核的數(shù)量才可以大量增加正反夸克湮滅：每個核子周圍平均有109到1010個光子宇宙溫度降到，氘核的光分裂才能實際上失效此時的宇宙年齡為3分鐘：核合成的開始大爆炸宇宙學(xué)氘合成時間核子光子數(shù)之比nr/nb已知在10-10到10-9之間 具體數(shù)值需要實驗觀測來確定氘合成開始，后繼連鎖反應(yīng)就

11、能接著發(fā)生大爆炸宇宙學(xué)主要作用的過程：大爆炸宇宙學(xué)熱核反應(yīng)在原子量A=5的處中斷原初核合成過程每次只產(chǎn)生原子量增加1的核，而因為任何A=5和8的原子核都不穩(wěn)定早期宇宙核合成的最終主要產(chǎn)物是4He反應(yīng)后期可能出現(xiàn)原子量增加更多的反應(yīng)如隨著4He的增多，兩個4He核能碰撞產(chǎn)生原子量為8的鈹核由于A=8沒有穩(wěn)定核，產(chǎn)生的鈹核會立即衰變，反應(yīng)鏈不能延續(xù)下去大爆炸宇宙學(xué)最終還會合成出少量的7Li和7Be7Li的產(chǎn)生方式主要有兩種：7Li與p相碰而部分轉(zhuǎn)回4He凈效果是產(chǎn)生微量的7Li鈹?shù)膬舢a(chǎn)量則更低大爆炸宇宙學(xué)原初核合成只產(chǎn)生了元素周期表前三種元素及其同位素，第4和第5號元素也產(chǎn)生了一點，不能生成6號元

12、素碳及更重的元素宇宙中存在的碳、氮、氧等更重的元素都是由恒星制造出來的一小時后，宇宙溫度降到0.02MeV(108K)，核與核的熱碰撞不再生成新的核，熱核反應(yīng)中止大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)原初核合成產(chǎn)生的主要化學(xué)組份是氫和氦氦是核合成的主要產(chǎn)物，氫是核合成結(jié)束后所剩余的質(zhì)子核合成發(fā)生之前，宇宙中的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)并不相同，質(zhì)子數(shù)要比中子數(shù)多宇宙溫度T1MeV時，質(zhì)子和中子能通過弱作用而相互轉(zhuǎn)化：大爆炸宇宙學(xué)這個相互轉(zhuǎn)化的過程非常頻繁，使得質(zhì)子和中子的數(shù)密度都滿足玻爾茲曼分布由此可得到它們的比例是中子質(zhì)子質(zhì)量差:m=mn-mp由于中子比質(zhì)子重，所以中子比質(zhì)子少大爆炸宇宙學(xué)宇宙的溫度不斷降低，最終中子

13、和質(zhì)子數(shù)比將凍結(jié)在它們退耦時的數(shù)值凍結(jié)后的比例約為1：7，這是決定核合成最后產(chǎn)額的一個關(guān)鍵量在nn/np凍結(jié)后，中子還會通過衰變轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，其半衰期為10分鐘退耦時宇宙年齡還只有幾秒，衰變實際還來不及發(fā)生氘合成開始時間：t3分鐘 部分中子已經(jīng)衰變， nn/np因而會減小大爆炸宇宙學(xué)由核合成開始時nn/np 的值，可以算出核合成結(jié)束后剩余的質(zhì)子數(shù)與產(chǎn)生的氦核數(shù)的比例，即氫核和氦核的豐度氦核豐度Y4：它在氣體中的質(zhì)量百分比大爆炸宇宙學(xué)伽莫夫最初估算nn/np=1/7：大爆炸初期合成了1/4的氦太陽系氦豐度的實際測量，Y4約比1/4略大恒星把氫燒成氦，但遠不可能產(chǎn)生那么多伽莫夫的理論解釋了這氦豐度的來源這種成功沒有改變當(dāng)時人們對理論的態(tài)度微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)，對原初核合成的問題才被認真地研究大爆炸宇宙學(xué)氘核合成開始，即核合成的開始與核子光子數(shù)之比有關(guān)因此nn/np的數(shù)值與有關(guān)，即核合成的產(chǎn)量與有關(guān)大爆炸宇宙學(xué)測量宇宙中各元素的豐度，然后推測出原初氦元素的豐度，就可以確定的值恒星熱核反應(yīng)會改變各元素的豐度，生成氧、氮、碳等其它元素必須扣除恒星過程的影響天文觀測：宇宙中某些氣體云中氧、氮和碳的含量比太陽系低很多大爆炸宇宙學(xué)表明這些天體形成得較早，受恒星過程影響比較小，其中4He豐度較接近原初值觀測這些天體中的氧豐度，其大小表明