[理化生]現(xiàn)代宇宙學(xué)進(jìn)展-趙超先ppt課件

1、現(xiàn)代宇宙學(xué)進(jìn)展南京曉莊學(xué)院南京曉莊學(xué)院 趙超先趙超先1 1。 2021 2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 2 2?，F(xiàn)代宇宙學(xué)?，F(xiàn)代宇宙學(xué)3 3。暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)和暗能量4 4。宇宙學(xué)與粒子物理。宇宙學(xué)與粒子物理德國(guó)哲學(xué)家康德說(shuō)過(guò)：德國(guó)哲學(xué)家康德說(shuō)過(guò)：“世界上有兩件東西可世界上有兩件東西可以深深地震撼我們的心靈：一件是我們心中崇以深深地震撼我們的心靈：一件是我們心中崇高的品德準(zhǔn)那么；另一件是我們頭頂上燦爛的高的品德準(zhǔn)那么；另一件是我們頭頂上燦爛的星空。星空。最近10年，天體物理與宇宙學(xué)領(lǐng)域巳經(jīng)三次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是物理學(xué)最活潑的領(lǐng)域之一。2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

2、 表?yè)P(yáng)的另一項(xiàng)成果與x射線(xiàn)有關(guān)。美國(guó)科學(xué)家里卡爾多賈科尼指點(diǎn)研制了世界第一個(gè)宇宙x射線(xiàn)探測(cè)器愛(ài)因斯坦x 射線(xiàn)天文望遠(yuǎn)鏡。這一探測(cè)器于1978年進(jìn)入太空，它初次提供了準(zhǔn)確的宇宙x射線(xiàn)圖像，在此根底上科學(xué)家獲得了大量新發(fā)現(xiàn)。此外，賈科尼在世界上第一次發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外的x射線(xiàn)源，第一次證明宇宙存在著x射線(xiàn)背景輻射，他還探測(cè)到了能夠來(lái)自黑洞的x射線(xiàn)。表?yè)P(yáng)的一項(xiàng)成果是美國(guó)科學(xué)家里雷蒙德戴維斯和日本科學(xué)家小柴昌俊在“探測(cè)宇宙中微子方面獲得的成就.諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)稱(chēng)戴維斯是20世紀(jì)50年代獨(dú)一一位敢于探測(cè)太陽(yáng)中微子的科學(xué)家。戴維斯指點(diǎn)研制了一個(gè)新型探測(cè)器，在30年的探測(cè)中，他共發(fā)現(xiàn)了來(lái)自太陽(yáng)的約2000個(gè)中微子

3、，并證明了太陽(yáng)是靠核聚變提供燃料的。2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 授予美國(guó)科學(xué)家約翰馬瑟和喬治斯穆特，以表?yè)P(yáng)他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體方式和各向異性。 兩名美國(guó)學(xué)者，根據(jù)1989年發(fā)射的COBE衛(wèi)星丈量結(jié)果進(jìn)展分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景輻射與絕對(duì)溫度2.7度黑體輻射非常吻合，另外微波背景輻射在不同方向上溫度有著極其微小的差別，也就是說(shuō)存在所謂的各向異性。來(lái)自美國(guó)和澳大利亞的三名天體物理學(xué)家獲得2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表?yè)P(yáng)他們因超新星的研討而對(duì)宇宙學(xué)的奉獻(xiàn)。這三位科學(xué)家分別是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授索爾佩爾馬特，出生于美國(guó)而擁有美、澳雙重國(guó)籍的澳大利亞國(guó)立大學(xué)教授布萊恩施密特，以及美國(guó)

4、約翰斯霍普金斯大學(xué)教授亞當(dāng)里斯。 一。一。20212021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1998 年, 兩個(gè)Ia 型超新星( SN ) 小組發(fā)現(xiàn)了宇宙在加速膨脹 , 由此提示了暗能量的存在, 這一成果被美國(guó)Science 雜志選為當(dāng)年的世界十大科技進(jìn)展之首. 之后暗能量不斷成為物理學(xué)界和天文學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn). 佩爾馬特指點(diǎn)的一個(gè)研討小組于1988年開(kāi)場(chǎng)研討超新星，施密特指點(diǎn)的研討小組于1994年也開(kāi)場(chǎng)這一任務(wù)，里斯在施密特的小組中發(fā)揚(yáng)了重要作用 評(píng)審委員會(huì)認(rèn)定，3名獲獎(jiǎng)?wù)咚@研討結(jié)果改動(dòng)了人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)?！皩⒔粋€(gè)世紀(jì)，一種公認(rèn)看法是，宇宙正在擴(kuò)張，是大約140億年前大爆炸的結(jié)果?！安贿^(guò)，

5、發(fā)現(xiàn)宇宙擴(kuò)張正在加速，令人驚異。 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)評(píng)介，這3名獲獎(jiǎng)?wù)摺把杏憥资w處于爆炸形狀的恒星、即超新星，發(fā)現(xiàn)宇宙正在擴(kuò)張過(guò)程中，擴(kuò)張速率不斷加速?！凹僭O(shè)擴(kuò)張繼續(xù)加速，宇宙將以冰凍形狀終結(jié)。另外，3人的研討，確認(rèn)了最初由科學(xué)家阿爾伯特愛(ài)因斯坦提出的一種實(shí)際，即他稱(chēng)之為“宇宙學(xué)常數(shù)的實(shí)際。 根據(jù)人們之前的物理學(xué)認(rèn)知，宇宙不能夠是加速膨脹的，由于人們知道的宇宙中的物質(zhì)是引力性的物質(zhì)，即宇宙在大尺度上只能是相互吸引知的四種力，電磁力，弱力，強(qiáng)力，引力，只需引力是長(zhǎng)程力，且不能相互抵消，所以宇宙大尺度上，引力占主導(dǎo)位置，所以要么收縮，要么減速膨脹，不能夠加速膨脹。所以宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)將極

6、大改動(dòng)人們對(duì)宇宙的認(rèn)知，目前研討很火的“暗物質(zhì)和“暗能量就是人們以為導(dǎo)致宇宙加速膨脹的奧秘物質(zhì)，暗能量的性質(zhì)將決議我們宇宙演化的未來(lái)，同時(shí)，暗能量的研討也必將推進(jìn)物理學(xué)的開(kāi)展.二?，F(xiàn)代宇宙學(xué)二?，F(xiàn)代宇宙學(xué)1. 1.愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論與宇宙模型愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論與宇宙模型愛(ài)因斯坦1915年發(fā)表了廣義相對(duì)論，1917年就將之運(yùn)用于宇宙學(xué)的研討，提出了“無(wú)限、有邊、靜態(tài)的宇宙模型。愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)：在提出“無(wú)限、有邊、靜態(tài)的宇宙模型時(shí)，曾經(jīng)感到宇宙不穩(wěn)定，有引力收縮的趨勢(shì)。他特別在引力場(chǎng)方程中添加了一個(gè)反引力的排斥項(xiàng)即“宇宙常數(shù)項(xiàng)，以抵消這種收縮的趨勢(shì)。 不幾年后, 天文家Slipher 發(fā)現(xiàn)

7、了宇宙在膨脹的微弱跡象, 敏感的Einstein 立刻認(rèn)識(shí)到他的模型該當(dāng)放棄. 雖然這樣, 他的發(fā)端性任務(wù)為后來(lái)的宇宙學(xué)奠定了兩塊不可磨滅的基石. 其一是宇宙動(dòng)力學(xué)服從廣義相對(duì)論,其二是宇宙可簡(jiǎn)化為均勻介質(zhì).當(dāng)時(shí)這兩點(diǎn)都并沒(méi)有現(xiàn)實(shí)根底, 而只是猜測(cè)性的假設(shè). 1922 年, Friedmann 在同樣的前提下建立了膨脹的動(dòng)力學(xué)方程.它至今仍是研討宇宙膨脹過(guò)程的根底. 值得指出兩點(diǎn): 一是他沿用了Einstein 的沒(méi)有現(xiàn)實(shí)根據(jù)的假定;二是當(dāng)時(shí)也還沒(méi)有宇宙在膨脹確實(shí)切證據(jù). 因此當(dāng)時(shí)它僅是一個(gè)試探性的實(shí)際模型.19481948年物理學(xué)家伽莫夫首先提出：宇宙是從一個(gè)高密度的年物理學(xué)家伽莫夫首先提出

8、：宇宙是從一個(gè)高密度的火球爆炸開(kāi)場(chǎng)的?；鹎虮ㄩ_(kāi)場(chǎng)的。2. 2.宇宙大爆炸實(shí)際宇宙大爆炸實(shí)際 約在距今億年前，爆炸從一個(gè)密度無(wú)限大的奇點(diǎn)開(kāi)場(chǎng)約在距今億年前，爆炸從一個(gè)密度無(wú)限大的奇點(diǎn)開(kāi)場(chǎng)約約10-35s后，一個(gè)后，一個(gè)特別快速的膨脹過(guò)程特別快速的膨脹過(guò)程(稱(chēng)暴脹稱(chēng)暴脹 )，當(dāng)膨脹變慢后，宇宙充溢了夸克和電子等根本，當(dāng)膨脹變慢后，宇宙充溢了夸克和電子等根本粒子粒子到到10-6s時(shí)，夸克結(jié)合成中子和質(zhì)子等強(qiáng)子，他們約在時(shí)，夸克結(jié)合成中子和質(zhì)子等強(qiáng)子，他們約在3分鐘后構(gòu)成原分鐘后構(gòu)成原子核子核約約38萬(wàn)年后，宇宙已冷卻到溫度為萬(wàn)年后，宇宙已冷卻到溫度為4000K左右，質(zhì)子能俘獲電子而構(gòu)左右，質(zhì)子能俘

9、獲電子而構(gòu)成中性的氫原子，這時(shí)原來(lái)從大爆炸產(chǎn)生的光子開(kāi)場(chǎng)自在地運(yùn)動(dòng)而充溢宇宙空成中性的氫原子，這時(shí)原來(lái)從大爆炸產(chǎn)生的光子開(kāi)場(chǎng)自在地運(yùn)動(dòng)而充溢宇宙空間間50億年后，星系構(gòu)成，太陽(yáng)系構(gòu)成億年后，星系構(gòu)成，太陽(yáng)系構(gòu)成100億年后，宇宙溫度冷卻到億年后，宇宙溫度冷卻到2.7K，出現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)。出現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)。3. 大爆炸實(shí)際的大爆炸實(shí)際的5個(gè)根據(jù)個(gè)根據(jù)(1) (1) 哈勃紅移哈勃紅移 1929 1929 年年, Hubble, Hubble用他出色的觀測(cè)得出了后來(lái)被稱(chēng)為用他出色的觀測(cè)得出了后來(lái)被稱(chēng)為Hubble Hubble 定律的閱歷規(guī)律定律的閱歷規(guī)律. . 即其他星系在向遠(yuǎn)離我們的即其他星系在向遠(yuǎn)離我

10、們的方向運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng), , 其速度與間隔成正比其速度與間隔成正比. .ee為地球上測(cè)得的同種物質(zhì)的譜線(xiàn)波長(zhǎng)。為地球上測(cè)得的同種物質(zhì)的譜線(xiàn)波長(zhǎng)。ee-=()Z 遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光譜線(xiàn)普遍存在一種遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光譜線(xiàn)普遍存在一種“紅移景象，稱(chēng)哈勃紅移。這紅移景象，稱(chēng)哈勃紅移。這是由于恒星以速度是由于恒星以速度v v遠(yuǎn)離地球所呵斥的。根據(jù)多普勒效應(yīng)，光源遠(yuǎn)離地遠(yuǎn)離地球所呵斥的。根據(jù)多普勒效應(yīng)，光源遠(yuǎn)離地球時(shí)，地球上的察看者測(cè)得的表現(xiàn)頻率將減小，即波長(zhǎng)增大，成為紅移。球時(shí)，地球上的察看者測(cè)得的表現(xiàn)頻率將減小，即波長(zhǎng)增大，成為紅移。紅移量定義為：紅移量定義為： 目前測(cè)到最遠(yuǎn)的目前測(cè)到最遠(yuǎn)的Z=10Z=10

11、，即，即v/c=0.9836v/c=0.9836。 哈勃紅移哈勃紅移給人們描畫(huà)了一幅宇宙膨脹的圖像，是對(duì)宇宙大爆炸給人們描畫(huà)了一幅宇宙膨脹的圖像，是對(duì)宇宙大爆炸假設(shè)的第一個(gè)支持論據(jù)，哈勃發(fā)現(xiàn)紅移量假設(shè)的第一個(gè)支持論據(jù)，哈勃發(fā)現(xiàn)紅移量Z Z與恒星離地與恒星離地球間隔球間隔R R成正比，有哈勃紅移公式：成正比，有哈勃紅移公式： Z=HR=(H0/C)R Z=HR=(H0/C)R 其中其中H0H0為哈勃常數(shù)。為哈勃常數(shù)。視頻視頻: :哈勃定律哈勃定律相對(duì)論計(jì)算結(jié)果相對(duì)論計(jì)算結(jié)果: :1/21+=()11-v/cZv/c(2) 1965(2) 1965年年3K3K微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)

12、在原初核合成后, 宇宙氣體處于等離子形狀. 隨著宇宙膨脹, 氣體將絕熱降溫. 在溫度降到104 K 左右, 粒子熱動(dòng)能只剩1 eV.原子核與電子將開(kāi)場(chǎng)結(jié)合成中性原子. 一旦電中性的原子成了主要組分, 原來(lái)熱平衡等離子態(tài)下必然存在的光子組分就失去了碰撞的時(shí)機(jī). 今天把這叫光子的退耦. 退耦后的光子當(dāng)然會(huì)永遠(yuǎn)存在下去, 它就是如今人們講的背景輻射. 背景光子雖然失去了碰撞, 但它過(guò)去的熱平衡分布 Planck 分布) 將堅(jiān)持. 其等效溫度將繼續(xù)隨宇宙膨脹而降低.今天依然存在著的微波背景輻射該當(dāng)是可以直接觀測(cè)到的.視頻視頻: :彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的3K3K的微波背景輻射的微波

13、背景輻射 20 世紀(jì)60 年代初, Princeton 大學(xué)以Peebles 和Dicke 為首的幾位學(xué)者重新想到了今天該當(dāng)依然存在的微波背景輻射. 他們決意做微波探測(cè)器來(lái)尋覓這早期宇宙的遺址. 正當(dāng)他們積極預(yù)備儀器的階段, 離他們不遠(yuǎn)的Bell 公司有兩位工程師Penzias 和Wilson 在調(diào)試射電天線(xiàn)時(shí)不測(cè)地?fù)屜劝l(fā)現(xiàn)了這背景輻射.兩位發(fā)現(xiàn)者：美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜也因此兩位發(fā)現(xiàn)者：美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了獲得了19781978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1989 1989年利用年利用COBECOBE COsmic Background C

14、Osmic BackgroundEx plorer Ex plorer 衛(wèi)星進(jìn)一步測(cè)得了宇宙背景溫度為：衛(wèi)星進(jìn)一步測(cè)得了宇宙背景溫度為： T=2.725KT=2.725K 2006 2006 年的年的Nobel Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng), ,(3) (3) 第三個(gè)證明是宇宙的可見(jiàn)物質(zhì)主要是氫和氦，約第三個(gè)證明是宇宙的可見(jiàn)物質(zhì)主要是氫和氦，約3/43/4是氫，是氫，1/41/4是氦。是氦。視頻：大爆炸使氫和氦質(zhì)量的豐度比約為視頻：大爆炸使氫和氦質(zhì)量的豐度比約為7575：2525與大爆炸實(shí)際作出的定量的結(jié)論正好符合。宇宙誕生3分鐘后，中子與質(zhì)子全部結(jié)成原子核，宇宙中3/4是氫核，1/4是氦核。

15、(4) (4) 第四個(gè)論據(jù)是關(guān)于恒星和星系的演化，第四個(gè)論據(jù)是關(guān)于恒星和星系的演化，19901990年升空年升空至今的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已能看到至今的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已能看到100100億光年外的天體，億光年外的天體，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)那些遙遠(yuǎn)的星很少有重元素，正符合大爆炸實(shí)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)那些遙遠(yuǎn)的星很少有重元素，正符合大爆炸實(shí)際的預(yù)言。際的預(yù)言。(5) (5) 哈里森在計(jì)算時(shí)思索了一個(gè)在時(shí)間上有限膨脹的哈里森在計(jì)算時(shí)思索了一個(gè)在時(shí)間上有限膨脹的宇宙模型和恒星的演化，合理地解釋了夜晚的天空宇宙模型和恒星的演化，合理地解釋了夜晚的天空為什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸實(shí)際的第五為什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸實(shí)際的

16、第五個(gè)論據(jù)。個(gè)論據(jù)。 (1) (1) 宇宙年齡約宇宙年齡約13.713.7109109年年 (2) (2) 宇宙的空間宇宙的空間時(shí)間性質(zhì)是平坦的時(shí)間性質(zhì)是平坦的 (3) (3) 哈勃常數(shù)等于哈勃常數(shù)等于71kms-1Mpc-171kms-1Mpc-1 (4) (4) 宇宙成分中，普通物質(zhì)只占宇宙成分中，普通物質(zhì)只占4%4%，另有，另有23%23%的的“暗暗 物質(zhì)，物質(zhì)，73%73%的的“暗能量暗能量 (5) (5)在大爆炸后約在大爆炸后約2 2億年，就出現(xiàn)了最早的恒星。億年，就出現(xiàn)了最早的恒星。 2001 2001年美國(guó)航天中心發(fā)射宇宙飛船把年美國(guó)航天中心發(fā)射宇宙飛船把“微波各項(xiàng)異性探測(cè)器微波

17、各項(xiàng)異性探測(cè)器(WMAP)(WMAP)帶帶入太空，由入太空，由 丈量結(jié)果證明了以下幾個(gè)現(xiàn)實(shí)：丈量結(jié)果證明了以下幾個(gè)現(xiàn)實(shí)：1Mpc=3.27兆光年4.哈勃常數(shù)、宇宙年齡與膨脹速度 根據(jù)哈勃定律，宇宙動(dòng)力學(xué)方程，可以算出今日宇宙應(yīng)處于減速膨脹階段。直到上世紀(jì)末不斷是這么以為的。如何確定宇宙在加速膨脹如何確定宇宙在加速膨脹? ?超新星迸發(fā)超新星迸發(fā) 通常以為，天體內(nèi)部普通都存在著“向內(nèi)收縮和“向外擴(kuò)張兩種力量的競(jìng)賽。前者來(lái)自萬(wàn)有引力；后者那么來(lái)自構(gòu)成它的物質(zhì)粒子間的斥力。不同的天體，斥力的來(lái)源也不同。主序星的擴(kuò)張斥力即輻射壓來(lái)自熱核反響，且輻射壓恰好與收縮的引力壓平衡如太陽(yáng)；白矮星的外向斥力主要來(lái)源

18、于高密度電子間的泡利斥力；而中子星的斥力來(lái)自中子間的泡利斥力簡(jiǎn)并壓；至于黑洞內(nèi)部的情況，目前還不得而知。 恒星在穩(wěn)恒的核熄滅階段時(shí)，氫不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぜ案睾阈窃诜€(wěn)恒的核熄滅階段時(shí)，氫不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぜ案氐脑兀坏┖阈莾?nèi)核燃料燒完，引力將引起星體塌縮，的元素，一旦恒星內(nèi)核燃料燒完，引力將引起星體塌縮，便會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放宏大能量，表現(xiàn)為一次超新星迸發(fā)，便會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放宏大能量，表現(xiàn)為一次超新星迸發(fā)，也稱(chēng)超新星。也稱(chēng)超新星。 超新星迸發(fā)后留下一個(gè)超新星迸發(fā)后留下一個(gè)“殘骸，即一個(gè)中心。這個(gè)中殘骸，即一個(gè)中心。這個(gè)中心就是恒星的歸宿，視剩余質(zhì)量的大小有三種能夠心就是恒星的歸宿，視剩余質(zhì)量的大小有三

19、種能夠:白矮白矮星、中子星和黑洞。星、中子星和黑洞。超新星迸發(fā)時(shí)，可達(dá)十億亇太陽(yáng)的峰值光度。超新星迸發(fā)時(shí)，可達(dá)十億亇太陽(yáng)的峰值光度。恒星演化的三種歸宿恒星演化的三種歸宿這與恒星構(gòu)成時(shí)的初始質(zhì)量這與恒星構(gòu)成時(shí)的初始質(zhì)量MM初及中心的質(zhì)量初及中心的質(zhì)量McoreMcore的的大小大小 有關(guān)。有關(guān)。 質(zhì)量比質(zhì)量比核心的性質(zhì)核心的性質(zhì) M初初/M Mcore/M 白矮星白矮星 18 0.41.4 中子星中子星 825 1.43 黑洞黑洞 25 31 1當(dāng)恒星開(kāi)場(chǎng)時(shí)當(dāng)恒星開(kāi)場(chǎng)時(shí)MM初初8M(8M(太陽(yáng)質(zhì)量太陽(yáng)質(zhì)量) )時(shí)，迸發(fā)后留時(shí)，迸發(fā)后留下一個(gè)下一個(gè)“白矮星，其中心質(zhì)量白矮星，其中心質(zhì)量McoreM

20、core的上限為的上限為1.4M1.4M。它的大小同地球差不多，半徑僅太陽(yáng)的。它的大小同地球差不多，半徑僅太陽(yáng)的1%1%。2 2當(dāng)當(dāng)McoreMcore超越超越1.4M1.4M而小于而小于3M3M時(shí)，它是一顆中子時(shí)，它是一顆中子星。星的直徑只需星。星的直徑只需1020km,1020km,密度高達(dá)密度高達(dá)3 31017kg/m21017kg/m2像像一個(gè)宏大的原子核。一個(gè)宏大的原子核。3 3當(dāng)恒星開(kāi)場(chǎng)構(gòu)成時(shí)質(zhì)量大于當(dāng)恒星開(kāi)場(chǎng)構(gòu)成時(shí)質(zhì)量大于25M 25M ，且，且McoreMcore超越超越3M 3M ，此中心將是一個(gè)黑洞。，此中心將是一個(gè)黑洞。 經(jīng)過(guò)對(duì)超越50顆Ia 型的超新星迸發(fā)的研討，珀?duì)栺R

21、特、里斯和施密特所屬的研討小組發(fā)現(xiàn)，超新星所顯現(xiàn)的光度比先前按宇宙膨脹速率計(jì)算值要小，這意味著這些超新星處在比預(yù)期間隔更遠(yuǎn)的位置上，遠(yuǎn)離速度比預(yù)期的要快。 對(duì)超新星迸發(fā)這一結(jié)果的研討闡明，宇宙在某種未知的排斥力量的推進(jìn)下正在加速膨脹, 這和我們從萬(wàn)有引力實(shí)際中預(yù)期的減速膨脹背道而馳, 人們將這種未知的排斥力量稱(chēng)為暗能量。 這是一類(lèi)比較特殊的超新星，當(dāng)其質(zhì)量超越1.4M就發(fā)生迸發(fā)，但不生成“遺骸，全部炸飛。 Ia 型超新星沒(méi)有宇宙中最豐富的氫的譜線(xiàn)，光譜以有615 nm硅Si的吸收譜線(xiàn)為主要特征另外迸發(fā)光陰度衰減的快慢與峰值光度相關(guān)，越亮衰減越慢。 通常以為，這類(lèi)正在爆炸的星體具有一樣的發(fā)光度，

22、可作為“規(guī)范燭光，經(jīng)過(guò)測(cè)定其發(fā)光度可推算出其間隔。由于其亮度特別髙，相對(duì)亮度即視亮度可測(cè)得特別準(zhǔn)。關(guān)于 Ia 型超新星1 1 三種膨脹情況三種膨脹情況 在假設(shè)宇宙在空間上各向同性，物質(zhì)密度在假設(shè)宇宙在空間上各向同性，物質(zhì)密度又是均又是均勻的條件下，弗里德曼經(jīng)過(guò)求解愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程得出了勻的條件下，弗里德曼經(jīng)過(guò)求解愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程得出了宇宙膨脹的三種能夠與密度宇宙膨脹的三種能夠與密度的大小親密有關(guān)。先定義的大小親密有關(guān)。先定義一個(gè)臨界密度一個(gè)臨界密度 再定義一個(gè)量再定義一個(gè)量m=/ cm=/ c (1) (1) c mc m1,1,宇宙半徑先膨脹，后收縮為零，宇宙半徑先膨脹，后收縮為零，闡明宇宙是封

23、鎖的，時(shí)空曲面有正曲率。闡明宇宙是封鎖的，時(shí)空曲面有正曲率。 (2) =c m=1, (2) =c m=1,宇宙將不斷膨脹下去，但時(shí)空是平宇宙將不斷膨脹下去，但時(shí)空是平坦的，曲率為零坦的，曲率為零( (也屬開(kāi)放宇宙也屬開(kāi)放宇宙) )。 (3) (3) c mc m1,1,宇宙將加速膨脹，它將是一個(gè)具宇宙將加速膨脹，它將是一個(gè)具有負(fù)曲率的開(kāi)放宇宙。有負(fù)曲率的開(kāi)放宇宙。293c310g/cm820HG存在暗物質(zhì)存在暗物質(zhì)? ?宇宙膨脹、平坦性與物質(zhì)密度的關(guān)系：宇宙膨脹、平坦性與物質(zhì)密度的關(guān)系：2究竟多大？科學(xué)家從已發(fā)現(xiàn)的可發(fā)(可見(jiàn))光的星和星際物質(zhì)分布估計(jì) 410-31g/cm30.4c，所以宇宙

24、加速膨脹。真的這么小嗎?實(shí)踐要大得多。1 1參與暗物質(zhì)后，密度為參與暗物質(zhì)后，密度為mm，有，有m=m/c0.27m=m/c0.27，闡明宇宙膨脹正在加速。但是不能解釋宇宙空間闡明宇宙膨脹正在加速。但是不能解釋宇宙空間時(shí)時(shí)間平坦性這一現(xiàn)實(shí)間平坦性這一現(xiàn)實(shí), ,宇宙平坦性要求宇宙平坦性要求=1=1，還有，還有0.730.73何何處去找？處去找？2 2為此弗里德曼在愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程中引入了宇宙常數(shù)為此弗里德曼在愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程中引入了宇宙常數(shù)，可以得到，可以得到=1=1，解釋宇宙的平坦性。，解釋宇宙的平坦性。3 3的引入，使物質(zhì)密度的引入，使物質(zhì)密度和壓強(qiáng)和壓強(qiáng)p p都得到了修正：都得到了修正：24c

25、c= +;p = p -8G8G宇宙常數(shù)和暗能量？宇宙常數(shù)和暗能量？ 可見(jiàn)與物質(zhì)密度的作用類(lèi)似，都能使時(shí)空彎曲。但產(chǎn)生的壓強(qiáng)不是正的，而是負(fù)的。迄今所知的物質(zhì)(包括暗物質(zhì))都產(chǎn)生正壓強(qiáng)(p0)，所以物理學(xué)家稱(chēng)代表的是一種“暗能量，而這種負(fù)壓強(qiáng)會(huì)在物質(zhì)間產(chǎn)生“反引力即斥力。 有些物理學(xué)家企圖把“暗能量歸之于量子場(chǎng)論中的真空起伏能量，但遭到疑心。 暗物質(zhì)和暗能量問(wèn)題是現(xiàn)代物文科學(xué)中兩朵新的烏云, 對(duì)它們的研討將極有能夠孕育出新的物理學(xué)和天文學(xué)艱苦發(fā)現(xiàn)乃至科學(xué)上的革命, 對(duì)于未來(lái)的科學(xué)開(kāi)展具有難以估量的重要作用. 三。暗物質(zhì)和暗能量在新的世紀(jì),尋覓暗物質(zhì)粒子, 研討暗能量的物理本質(zhì), 討論反物質(zhì)喪失

26、之謎等, 結(jié)合粒子物理和宇宙學(xué), 極小與極大的研討的結(jié)合已成為物理學(xué)和天文學(xué)的一個(gè)重要趨勢(shì). 宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常長(zhǎng)的時(shí)間，是超出宏觀的宇觀物理; 粒子物理研討的是非常小的尺度，非常高的能量相對(duì)而言，非常短的時(shí)間，是微觀物理。 但它們卻是嚴(yán)密相關(guān)的。因此我們有能夠在地球的探測(cè)器上對(duì)宇宙學(xué)進(jìn)展研討。 自上個(gè)世紀(jì)后半葉以來(lái)，兩大學(xué)科微觀物理與宇觀物理的研討聯(lián)絡(luò)在一同蛇頭咬住了蛇尾，研討宇宙來(lái)源與演化的物質(zhì)世界的空間尺度物質(zhì)世界的空間尺度什么是暗物質(zhì)? 早在70 年前, 天文學(xué)家經(jīng)過(guò)天文觀測(cè)曾經(jīng)推測(cè)到暗物質(zhì)的存在. 之后, 尤其是在過(guò)去的三十余年間, 大量的天文觀測(cè)不斷積累數(shù)據(jù)

27、證明了暗物質(zhì)的存在. 什么是暗物質(zhì)呢? 不同尺度的觀測(cè)均顯示宇宙中的絕大部分物質(zhì)是由一種在宇宙學(xué)時(shí)間尺度上穩(wěn)定、不發(fā)光、非相對(duì)論性運(yùn)動(dòng)的、有質(zhì)量的粒子構(gòu)成, 簡(jiǎn)稱(chēng)暗物質(zhì). 例如我們所處的銀河系就被覆蓋在一個(gè)宏大的暗物質(zhì)暈中. 暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的歷史可以追溯到20世紀(jì)30年代. 暗物質(zhì)存在的重要證據(jù)來(lái)自于1970 年Rubin 和Ford對(duì)仙女座大星云中星體旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn)的研討. 他們探測(cè)到遠(yuǎn)離星系核區(qū)域的可見(jiàn)星體的運(yùn)動(dòng)速度. 1933年, Zwicky 經(jīng)過(guò)對(duì)后發(fā)座星系團(tuán)中星系的速度彌散度推斷出的星系團(tuán)質(zhì)量, 比從星系團(tuán)中發(fā)光星體推出的質(zhì)量足足大了數(shù)百倍. 因此,他得出結(jié)論說(shuō), 該星系團(tuán)主要由不發(fā)光的物質(zhì)

28、構(gòu)成,并初次稱(chēng)之為 “暗物質(zhì)。 按照牛頓萬(wàn)有引力定律, 假設(shè)星系的質(zhì)量主要集中于星系核區(qū)的可見(jiàn)星體, 那么星系外圍的星體的速度將隨著間隔增大而減小. 但觀測(cè)結(jié)果闡明, 在相當(dāng)大的范圍內(nèi), 星系外圍的星體的速度是恒定的. 這意味著或者牛頓萬(wàn)有引力定律是不正確的, 或者星系中有大量的不發(fā)光物質(zhì)并且它們不分布在星系中心區(qū), 且其質(zhì)量遠(yuǎn)大于發(fā)光星體的質(zhì)量總和.他們的任務(wù)啟發(fā)了大量的后續(xù)研討, 目前知的幾乎一切旋臂星系的質(zhì)量都主要由暗物質(zhì)構(gòu)成, 甚至能夠存在幾乎完全由暗物質(zhì)組成的星系. 暗物質(zhì)雖不發(fā)光, 但其存在可以經(jīng)過(guò)引力效應(yīng)顯現(xiàn)出來(lái). 強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和弱引力效應(yīng)強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和弱引力效應(yīng) 根據(jù)愛(ài)因斯

29、坦的廣義相對(duì)論, 光線(xiàn)經(jīng)過(guò)強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)將會(huì)發(fā)生彎曲. 假設(shè)從遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)有暗物質(zhì)的區(qū)域到達(dá)地球, 地球上的觀測(cè)者將會(huì)發(fā)現(xiàn)星系圖像的改動(dòng). 改動(dòng)可表現(xiàn)為單個(gè)星系影像的變形, 出現(xiàn)環(huán)狀、弧狀的影像, 甚至出現(xiàn)多個(gè)影像; 還可表現(xiàn)為大量背景星系影像的整體變化, 還可表現(xiàn)為星體亮度的變化. 經(jīng)過(guò)對(duì)宇宙中微波背景輻射中微小各向異性的精細(xì)觀測(cè), 可以確定出宇宙中暗物質(zhì)的總量. 目前的觀測(cè)闡明, 宇宙總能量的23%由暗物質(zhì)奉獻(xiàn), 構(gòu)成星體和星際氣體的物質(zhì)只占4%,其他為暗能量. 目前暗物質(zhì)的存在證據(jù)全部來(lái)自天文觀測(cè), 其存在是經(jīng)過(guò)其引力效應(yīng)間接推斷出來(lái)的. 一類(lèi)為直接探測(cè)實(shí)驗(yàn), 即采用高靈敏度的探測(cè)

30、器直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子和探測(cè)器物質(zhì)發(fā)生碰撞后所產(chǎn)生的信號(hào); 另一類(lèi)為間接探測(cè)實(shí)驗(yàn), 其主要義務(wù)是探測(cè)暗物質(zhì)粒子自湮滅或衰變的產(chǎn)物, 如射線(xiàn)、中微子、正電子、反質(zhì)子等. 另外, 高能對(duì)撞機(jī)( 如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC) 能夠會(huì)直接對(duì)撞產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子.如何探測(cè)暗物質(zhì)如何探測(cè)暗物質(zhì)? ?什么是暗能量? 暗能量的一種能夠是宇宙學(xué)常數(shù)或真空能. 這種能量在日常的生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中覺(jué)得不到, 但卻支配著宇宙的演化, 驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹. 暗能量的另一種能夠是隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)場(chǎng)的能量. 最簡(jiǎn)單的是一個(gè)具有正那么動(dòng)能的標(biāo)量場(chǎng), 在文獻(xiàn)中它被稱(chēng)為 quintessence( 譯為精質(zhì)) . 超新星觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 宇宙在

31、某種未知的排斥力量的推進(jìn)下正在加速膨脹, 這和我們從萬(wàn)有引力實(shí)際中預(yù)期的減速膨 脹背道而馳, 這種未知的排斥力量通常被稱(chēng)為暗能量. 暗能量的根本特征是具有負(fù)壓, 在宇宙空間中, ( 幾乎) 均勻分布且不結(jié)團(tuán).70 年前, 實(shí)際物理學(xué)家狄拉克提出了反物質(zhì)的概念. 在微觀物理研討領(lǐng)域, 每個(gè)粒子都存在著一個(gè)反粒子, 例如電子的反粒子是正電子, 質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子. 然而至今在浩瀚的宇宙空間還沒(méi)有找到由反質(zhì)子、反中子和正電子構(gòu)成的反物質(zhì). 那么, 反物質(zhì)到哪里去了?宇宙中的反物質(zhì)是如何喪失的？核物理與天體物理的結(jié)合構(gòu)成了核天體物理這門(mén)交叉學(xué)科。核天體物理涉及宇宙大爆炸過(guò)程中原初核的合成,星體演化及

32、星體能源和元素核合成過(guò)程等眾多問(wèn)題,與有關(guān)的核反響和核衰變親密相關(guān)。 科學(xué)家在尋覓宇宙早期物質(zhì) 夸克- 膠子等離子體是在宇宙大爆炸后10- 5 s內(nèi)存在的一種宇宙早期物質(zhì)形狀. 那時(shí)夸克不是被囚禁在中子、質(zhì)子等強(qiáng)子中, 而是可以自在運(yùn)動(dòng). 尋覓夸克- 膠子等離子體的任務(wù)就是要在現(xiàn)今的實(shí)驗(yàn)室中使加速到極高能量的粒子進(jìn)展碰撞來(lái)構(gòu)成早期宇宙的環(huán)境. 自2021年3月開(kāi)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的歐洲核子研討中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)后，于12月13日，兩個(gè)獨(dú)立研討組的發(fā)言人說(shuō)，他們?cè)陬?lèi)似的能區(qū)附近察看到很能夠是上帝粒子希格斯玻色子衰變后留下的痕跡?！霸谟钪娲蟊ㄖ?，希格斯粒子賦予根本粒子質(zhì)量，使得物質(zhì)得以構(gòu)成、凝聚、演化。最終構(gòu)