宇宙学gydF4y2Ba
宇宙学gydF4y2Ba是研究宇宙的物理和在宇宙中演化的大尺度结构(例如星系团的形成)。与天文学不同,宇宙学不关心单个恒星、行星和太阳系的行为。相反,宇宙学家专注于更广泛的研究问题,如以下:gydF4y2Ba
- 宇宙是如何起源的?gydF4y2Ba
- 宇宙早期发生了什么?gydF4y2Ba
- 亚原子粒子和后来的元素周期表是如何形成的?gydF4y2Ba
- 还有什么其他种类的物质(比如gydF4y2Ba暗物质gydF4y2Ba宇宙中有什么,它们是由什么组成的?gydF4y2Ba
理论物理学家在寻找物理学其他子领域问题的答案时也求助于宇宙学。例如,物理学家研究gydF4y2Ba标准模型gydF4y2Ba粒子物理学的科学家们利用宇宙学试图解决宇宙中重子-反重子不对称的问题(为什么物质比反物质存在更多)。一个积极研究的主题是早期宇宙的动力学是否能够作为高能物理理论的测试,如gydF4y2Ba弦理论gydF4y2Ba.gydF4y2Ba
宇宙学理论与实验史“,gydF4y2Ba
现代宇宙学作为一个不同于天文学的领域,兴起于二十世纪早期,与天文学的理论和实验发展同步gydF4y2Ba广义相对论gydF4y2Ba天文学的进步。大约在这个时候,天文学家注意到光的红移(类似于太阳的红移)gydF4y2Ba多普勒效应gydF4y2Ba)附近的星系和星云暗示着这些天体正在远离地球。在这些观察的基础上,天文学家推断,所有的天体都曾经起源于一个单一的点——所谓的gydF4y2Ba大爆炸gydF4y2Ba.与普遍的看法相反,物理学对大爆炸的那一刻或之前发生的事情说得很少——它只是将天文观测和后来的理论方程外推到时间0的结果,而没有描述时间0时发生了什么。gydF4y2Ba
1929年,哈勃能够测量到这些渐行渐远的天体的距离。根据这些星系发出的光的红移与距离之间的关系,他能够得出结论,这些星系正在以与它们的距离近似成正比的速度远离地球。对这一事实的最好解释,是基于gydF4y2Ba宇宙学原理gydF4y2Ba就是宇宙在膨胀,并带着星系一起膨胀。宇宙学原理是一个被广泛接受的假设,即在最大的尺度上(相对而言,星系团看起来像沙粒),宇宙是gydF4y2Ba均匀gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba各向同性gydF4y2Ba.这意味着,从任何有利的角度来看,宇宙看起来都大致相同,从各个方向来看也大致相同。这只有在近似大于的范围内才成立gydF4y2Ba ,一个秒差距(gydF4y2Ba )是地日距离只相对于一弧秒的距离!gydF4y2Ba
利用爱因斯坦的广义相对论,推导了FLRW度规和弗里德曼方程(下面将讨论),根据宇宙的物质含量预测了宇宙膨胀的动力学。无论是数学还是观测(例如,像宜居行星这样的小尺度结构的存在)都严重限制了宇宙中不同类型物质的丰度。例如,早期宇宙的动力学必须是这样的gydF4y2BabaryogenesisgydF4y2Ba重子(像质子和中子一样的三夸克粒子)从基本粒子的热原始汤中形成了每一种已知元素。baryogenesis之后,gydF4y2Ba核合成gydF4y2Ba必须发生才能产生氢、氦和锂等轻元素,从而驱动恒星的聚变,并产生我们日常生活中常见的更重的元素。gydF4y2Ba
在现代,最近测量这些丰度的实验包括威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),普朗克太空任务和阿塔卡马宇宙望远镜(ACT)。这些实验通常测量的性质gydF4y2Ba宇宙微波背景gydF4y2Ba辐射(CMB);弥漫宇宙的微波辐射冷水浴(下面讨论)。从这些实验中,我们知道宇宙中包含的能量由大约69%的真空能量、26%的暗物质和5%的重子物质组成,其中很小一部分包含在辐射中。由于真空能量目前驱动着膨胀宇宙的动力学,宇宙现在正处于加速膨胀的阶段。gydF4y2Ba
目前,宇宙学的研究主要集中在少数几个大问题上。其中之一是研究暗能量(真空能量)和暗物质的起源和性质。另一个是研究gydF4y2Ba宇宙膨胀gydF4y2Ba这是一种关于早期宇宙的流行理论,在该理论中,宇宙在大爆炸后不久的一段时间内呈指数级膨胀。暴胀理论是一个有吸引力的理论,因为它同时解决了早期宇宙粒子物理的几个主要问题;虽然实验似乎支持某种形式的暴胀发生的说法,但宇宙暴胀在物理界还不是无可争议的。暴胀仍然是当前研究的热门话题,因为它发生在宇宙早期的影响gydF4y2Ba量子引力gydF4y2Ba可能是重要的,也可能对CMB的可观测低温物理有影响。gydF4y2Ba
宇宙微波背景gydF4y2Ba
宇宙中弥漫着一种非常寒冷的气氛gydF4y2Ba 浴的微波辐射称为gydF4y2Ba宇宙微波背景gydF4y2Ba简称CMB。根据上面讨论的宇宙学原理,宇宙是gydF4y2Ba各向同性gydF4y2Ba这意味着在足够大的距离尺度上,它在各个方向上看起来都是一样的。实验证明,这是合理的,因为宇宙微波背景辐射的温度分布非常均匀,如下图所示:gydF4y2Ba
然而,从上面可以看出,温度分布并不是完全均匀的gydF4y2Ba小gydF4y2Ba鳞片中却含有大量的冷热斑点或gydF4y2Ba各向异性gydF4y2Ba.这些各向异性是早期宇宙中量子涨落的最后残余。gydF4y2Ba
由于温度谱是代表夜空的球面上的函数(尽管在地图投影中绘制成椭圆),它可以分解为球面上的和gydF4y2Ba球面谐波gydF4y2Ba:gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba 是一组系数。因为分解表示分数差gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba 因为与均值的平均偏差为零。类似地,gydF4y2Ba 表示太阳系运动通过辐射引起的CMB多普勒频移所产生的偶极矩。在分析各向同性时,这些项通常要减去,所以和中有趣的部分开始于gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
从系数中gydF4y2Ba ,一组系数称为gydF4y2Ba角功率谱gydF4y2Ba定义:gydF4y2Ba
角功率谱可以直接测量,为宇宙学中几个复杂的理论效应提供了漂亮的实验证实,这些理论效应导致角功率谱中的特征模式,如重复振荡峰和阻尼尾:gydF4y2Ba
实验上,CMB是关于早期宇宙的丰富信息来源。这个事实实际上是早期宇宙动力学的影响。早期的宇宙在很长一段时间内对辐射是不透明的,当时自由的质子和电子将光子散射到各处。在gydF4y2Ba重组时代gydF4y2Ba然而,在大爆炸后的378000年,早期宇宙的质子和电子结合形成了氢。剩余的光子随后“冻结”,在辐射的偏振和温度光谱中永远留下了早期宇宙物理的印记。许多现代的实验宇宙学观测都是从这些光谱中收集来的。gydF4y2Ba
FLRW度规和弗里德曼方程gydF4y2Ba
宇宙学原理意味着宇宙学时空在空间上最大对称:任何gydF4y2Ba度规gydF4y2Ba在空间旋转和平移下,时空应该是不变的。满足这个约束的最一般的度量是gydF4y2Bafriedman - lemaitre - robertson - walker (FLRW)度量gydF4y2Ba.在原点定在任何位置的球坐标中,它由以下不变区间给出:gydF4y2Ba
为gydF4y2Ba 所谓的gydF4y2Ba比例因子gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba 与空间曲率有关的常数。这个常数gydF4y2Ba 可以取值gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba ,或gydF4y2Ba ,分别对应负、零、正空间曲率。gydF4y2Ba
比例因子的行为gydF4y2Ba 对物理宇宙学至关重要。作为gydF4y2Ba 增加,宇宙天体之间的测量距离增加。因此,尺度因子与由于宇宙膨胀而导致的不同时间距离的尺度有关。通常,当前时间点的比例因子归一化为1,以前时间点的比例因子相对于当前时间点进行测量。对于这种膨胀,通常的类比是将硬币粘在气球表面。当气球膨胀时,便士保持不变,但便士之间的距离增加了。因此,即使硬币是静止不动的,但任何一枚硬币都能看到其他硬币一直在往后退。同样,从地球的角度来看,天文学家看到星系随着宇宙的膨胀而退缩。gydF4y2Ba
来预测宇宙将如何膨胀,也就是说,宇宙的行为gydF4y2Ba ,宇宙学家必须解决的问题gydF4y2Ba爱因斯坦方程gydF4y2Ba的gydF4y2Ba广义相对论gydF4y2Ba.由于宇宙在大尺度上是均匀的,所以选择应力-能量张量是为了使宇宙均匀地充满流体(能量密度的来源)gydF4y2Ba 和压力gydF4y2Ba ):gydF4y2Ba
与gydF4y2Ba 流体的速度矢量。求解爱因斯坦方程得到以下两个独立方程gydF4y2Ba :gydF4y2Ba
这两个方程合在一起称为gydF4y2Ba弗里德曼方程gydF4y2Ba的动态描述gydF4y2Ba 也就是宇宙的膨胀。gydF4y2Ba
给出一个充满尘埃(无碰撞、非相对论性物质)的近似平坦宇宙,推导尺度因子随时间的演化。gydF4y2Ba
对于无碰撞、非相对论性物质,能量密度大大超过压力,所以人们可以gydF4y2Ba 在弗里德曼方程中。此外,通过gydF4y2Ba能量守恒gydF4y2Ba,即物质的总量gydF4y2Ba 在宇宙中任何固定的体积中都遵循这个方程gydF4y2Ba .请注意,近似平坦度的假设对应于零曲率,即。gydF4y2Ba ;这种近似在我们的宇宙中是一个很好的近似。这意味着能量密度的比例是gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
因此,我们必须只解第一个给定的弗里德曼方程gydF4y2Ba ,即gydF4y2Ba
重新排列这个一阶ODE并消除常数(因为关系是比例关系),就有了gydF4y2Ba
用分离积分法求解,gydF4y2Ba
因此,尺度因子随时间的演变是gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
从上面的例子,人们可以从数学上看到大爆炸进入物理宇宙学的想法。在一个由物质主导的平坦宇宙中,如gydF4y2Ba 在一些单位制中,gydF4y2Ba 因此,宇宙中所有物体之间的测量距离趋近于零。这意味着宇宙正被挤压成一个点,大爆炸就发生在这个点上。虽然宇宙在大多数时代都不是由物质主导的,但从其他情况的数学结果来看,这一结论也成立,尽管人们认为它非常接近gydF4y2Ba 量子力学效应至少使上面的一些方程无效。gydF4y2Ba
实际上,能量密度有几个因素gydF4y2Ba 和压力gydF4y2Ba 在宇宙中。这些是目前正在精确测量的最重要的宇宙学观测数据。造成能量密度和压力的来源包括可见物质、辐射、gydF4y2Ba暗物质gydF4y2Ba,以及gydF4y2Ba量子力学gydF4y2Ba真空能量gydF4y2Ba即使宇宙在膨胀,它的能量密度也是恒定的。早期宇宙的高能物理模型经常尝试使用不同预测场的能量含量来确定由此产生的宇宙动力学。gydF4y2Ba
参考文献gydF4y2Ba
- Pontzen, A. & Governato, F.gydF4y2Ba照明:是什么照亮了宇宙?gydF4y2Ba.从检索gydF4y2Bahttps://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34973360gydF4y2Ba
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- 斯科特,D. &斯穆特,G.gydF4y2Ba宇宙微波背景gydF4y2Ba.从检索gydF4y2Bahttp://pdg.lbl.gov/2011/reviews/rpp2011-rev-cosmic-microwave-background.pdfgydF4y2Ba