前言 |
回大綱
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宇宙中有上千億的星系,平均每一星系又約有上千億的恆星及各類天體。相對的,天文學家也有較多的"樣品"
,可以拼湊出有關恆星與星系的完整理論。但是我們只有一個宇宙,建構一個合理的宇宙論並不容易,所以宇宙論標準模型─大爆炸學說,仍然有許多尚未解決的難題。天文學家提出暴脹理論(inflationary
theory) ,解釋/解決部份宇宙論標準模型的困難,但終極的宇宙論仍在建構之中。 |
宇宙的現況
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- 宇宙的結構
- 宇宙紅位移
- 哈伯定律
星系相互遠離,相距愈遠的星系,相互遠離的速度愈大。
Vr = H * d
H = 75 km/s/Mpc
- 宇宙的起點
很自然的推測:如時間倒轉,多久之前,所有的星系會聚集在一起?
假設膨脹的速度一直不變,聚集發生的時間為多久以前?(如果H
= 75 km/s/Mpc) :
t = d / Vr = d / H * d = 1 / H =
130 億年。
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宇宙論的基本假設
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宇宙論標準模型─大爆炸說(The
Big Bang) |
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- 大爆炸學說(The
Big Bang)
- 假設宇宙是在約150-200億年前,從一個高溫高密度的狀態,開始爆炸,膨脹之後漸漸冷卻,形成星系。
- 膨脹是發生在每一處。
- 宇宙論標準模型所描繪出的宇宙的歷史如下:
- 奧伯詭論(Olber's paradox )
為何夜空是黑暗的?
若是宇宙是無限而且永恆的,星與星系均勻的分佈在整個宇宙中。則每個方向的星光都將到達地球,使地球的天空看起來與恆星的表面一樣亮。
近代的解釋:
- 宇宙不是無限老的,遠處的星光,在有限的的時間內,尚未傳到地球。
- 宇宙是膨脹的,恆星的光會因膨脹而產生紅位移,亦即能量變小,使我們無法偵測到這些光。(這部份的貢獻過小,應不是黑暗夜空的合理解釋)
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支持大爆炸說的觀測證據
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- 宇宙紅位移
由地球任何方向看出去,遙遠的星系都是離我們遠去,宇宙膨脹
。
哈柏定律:
- Vr = H * d
H = 75 km/s/Mpc
- 氦與氦的豐存度
宇宙標準模型預測,H (氫)
佔約75%,He(氦)佔約25 ,己經實測證實。恆星所消耗的氫與所產生的氦,還不足以改變這個比例。
- 微量元素的豐存度
微量元素:重氫(deuterium)、氦-3 (helium-3)、鋰-7
(lithium-3)。
對這些恆星無法合的微量元素,宇宙標準模型預測的豐存度,與實測的豐存度一致。
- 3 K 微波背景輻射
大爆炸後,宇宙膨脹、冷卻。
Penzian & Wilson (1978 諾貝爾獎得主)
用號角形天線發現,天空具有均勻等向的無線電波雜訊─宇宙背景輻射,相對應於3K
黑體所發出的輻射。COBE
衛星精確測量,宇宙微波背景輻射的溫度為2.726
±0.005 K。
- 微波背景輻射不均勻量
微波背景的微量不均勻
,是宇宙區域結構的種子。
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宇宙論標準模型的難題與宇宙暴脹理論
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- 宇宙論標準模型的難題
- 宇宙的年齡問題
- 宇宙的組成問題
星系的旋轉速率曲線
顯示,暗物質
佔90% 以上,但暗物質的本質仍然未定。
宇宙論標準模型,對暗物質的存在與本質皆未做預測。
- 視界問題(horizon
problem)
- 視界:光在指定的時間,所能傳播的距離。
- 問題:宇宙背景輻射為何各向同性?為何如此均勻?
- 宇宙背景輻射為宇宙變透明時,宇宙中輻射的遺跡。宇宙變透明時,宇宙邊緣各點的距離,有些己超過視界,如未經溝通,宇宙如何保持熱平衡?
- 宇宙論標準模型的假設:大爆炸至宇宙變透明時,宇宙一直處於熱平衡狀態。
- 曲度問題(flatness problem)
- 暴脹宇宙模型(inflaionary universe)
- 假設
:宇宙在10-35 秒至10-33
秒之間發生暴脹。在此期間,宇宙的直徑大約由10-26
公尺暴增1050倍,至1024
公尺(∼30 Mpc) 。在10-33
秒時,暴脹終止,膨脹速率變得與標準模型相同(參見示意圖)。
- 暴脹機制:宇宙在10-35
秒時發生相變,放出巨量的"潛熱",造成宇宙暴脹。
- 視界問題的解答
暴脹之前,宇宙直徑小於視界,宇宙處於熱平衡。
- 曲度問題的解答
暴脹後,我們可見的宇宙,只是宇宙真實大小的極小部份。物質所產生的空間曲度幾乎和平面相同
,亦即Ωo ∼1。
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宇宙的可能歸宿
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宇宙的歸宿
,全看宇宙的Ωo 值而定:
- 開放的宇宙(open universe)
Ωo < 1
- 平坦的宇宙(flat universe)
Ωo = 1
- 封閉的宇宙(closed universe)
Ωo > 1
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