宇宙起源与模型设想

宇宙的起源与未来模型的猜想单位：北京师范大学珠海分校专业： 电子信息科学技术班级： 二班学生姓名： 张佳群，指导教师：吴大江完成时间： 2011年11月11日目录宇宙的起源与未来模型的猜想1单位：北京师范大学珠海分校1一、宇宙起源历史研究的发展背景3二、大爆炸学说51、大爆炸起源52、大爆炸发展63、大爆炸存在的问题71)视界问题72)平坦性问题83)磁单极问题94)重子不对称性95)球状星团年龄106)暗物质与暗能量10三、宇宙猜想121.宇宙未来猜想122、宇宙模型猜想13引用文献14 摘要：宇宙模型的建立对解释整个宇宙具有非常意义，爱因斯坦曾经想通过引入宇宙常数来建立宇宙模型，可惜后来宇宙被证实在不断膨胀，这成了爱因斯坦一生的遗憾。 关键字：宇宙 起源 模型 猜想一、 宇宙起源历史研究的发展背景 1、人类对宇宙的认识从很久以前就有研究了。古代我国的人们从观察上得出“盖天说”和“浑天说”又称天圆地方学说，即： 浑天说模型 2、在古代欧洲，由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里斯多德、托勒密发展后建立其阿里的“地心说”。地心说以地球为宇宙中心的模型征服了人们1000多年的思想。但随着时间的考验，地心说模型的本环越是增多，逐渐变复杂，也慢慢地被淘汰。地心说模型3、16世纪，因为地心说的逐渐崩溃，所以波澜天文学家发表天体运行论完整地提出了“日心说”理论，让人类的认识上升到了太阳系的高度。日心说的出现彻底破坏了以前神的高度，也破坏了神创造一切的初期宇宙起源思想。日心说模型4、随着牛顿望远镜的发明，人类的视野提升迅速。哈勃望远镜的升空更使人类对宇宙的思考有了新的定义。随之，宇宙起源的难题一直缠绕着现代物理，天文等领域的科学家。5、1927年比利时数学家勒梅特提出了大爆炸宇宙论，这个学说至今影响着我们，这也是目前为止最有说服力的学说。讨论一个最经典的宇宙起源学说-大爆炸学说。二、 大爆炸学说1、 大爆炸起源大爆炸理论（The Big Bang Theory）首次提出者是比利时牧师、物理学家乔治勒梅特。他还将此关于宇宙起源的理论称作“原生原子的假说”。1922年苏联物理学家亚历山大费里德曼将广义相对论应用于流体上而得出证实了原生原子的假说。1929年美国学家埃德温哈勃通过检测观察星系距离与红移之间的比例关系得出膨胀宇宙的观点，这也被后来人称作佛里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。从大爆炸学说可以推出，宇宙曾经处于一个密度和温度都极高的原子跨度的状态，当前最高科技的大型例子加速器做了高能实验模仿宇宙初期的形态，希望借此搞清楚宇宙的起源，但事实证明，用于实验的能量还不足以证明宇宙初始状态的描述与解释。可以确定的是，宇宙初期在经过爆炸膨胀后，经过数分钟的冷却，通过核反应说形成的这些元素的理论分度值非常接近，我们将此理论称作太初核合成。大爆炸一次被英国天文学家弗雷德金霍伊尔采用，并提出稳恒态理论。此理论不断地被人们所接受，但仍有一些科学家对此执怀疑态度。1964年宇宙微波背景的发现有力地支持着大爆炸理论，使得更多的人相信。2、 大爆炸发展大爆炸理论使得很多科学家对宇宙结构方面做出了观测和理论推导。大爆炸理论的出现，以及各路科学家也观测并证实地发现了其实各星系与星云等天体都在不断地离我们而去，也就是说这样的宇宙在不断膨胀而不是静态的稳态恒定宇宙。因此，爱因斯坦想通过引入宇宙常数来修正稳态宇宙的错误。但1922年，苏联宇宙学家、数学家亚历山大弗里德曼假设了宇宙在大尺度上的均匀和各向同性，利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程，并且在这一组方程中宇宙学常数是可以消掉的。这一事实也成为了爱因斯坦一生最遗憾的一件事。在二十世纪三十年代，曾出现过一些非主流的宇宙模型，如米尔恩宇宙、震荡宇宙以及弗里茨兹威基的衰减光子假说。不过这些理论出现不久便被狠狠地抛弃了，大爆炸理论是很证据地被人们所接受。二十世纪九十年代后期以及二十一世纪初，望远镜技术的重大发展和如宇宙背景探测者（COBE）、哈勃太空望远镜（HST）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）等空间探测器收集到的大量数据都很好地证明了大爆炸模型，并且提供了很多有用的数据。至此，大爆炸已经有了很好的基础去继续发展。3、 大爆炸存在的问题1) 视界问题我们所得到的任何视界信息的传递速度都不可能超过光速，那么对于一个时间有限的宇宙来说，这个前提决定了两个具有因果联系的时空区域之间的间隔具有一个上界，这个上界被称作粒子视界。从这个意义上看，所观测到的微波背景辐射的各向同性与这个推论存在矛盾：如果早期宇宙直到“最终的散射”时期之前一直都被物质或辐射主导，那时的粒子视界将只对应着天空中大约2度的范围，从而无法解释为何在一个如此广的范围内都具有相同的辐射温度以及如此相似的物理性质。对于这一看似矛盾之处，暴涨理论给出了解决方案，它指出在宇宙诞生极早期（早于重子数产生）的一段时间内，宇宙被均匀且各向同性的能量标量场主导着。在暴涨过程中，宇宙空间发生了指数膨胀，而粒子视界的膨胀速度要远比原先预想的要快，从而导致现在处于可观测宇宙两端的区域完全处于彼此的粒子视界中。从而，现今观测到的微波背景辐射在大尺度上的各向同性是由于在暴涨发生之前，这些区域彼此是相互接触而具有因果联系的。 根据海森堡的不确定性原理，在暴涨时期宇宙中存着微小的量子热涨落，随着暴涨这些涨落被放大到宇观尺度，这就成为了当今宇宙中所有结构的种子。暴涨理论预言这些原初涨落基本上具有尺度不变性并满足高斯分布，这已经通过测量微波背景辐射得到了精确的证实。如果暴涨的确发生过，宇宙空间中的大片区域将因指数膨胀而完全处于我们可观测的视界范围以外。 2) 平坦性问题平坦性问题是一个与弗里德曼勒梅特罗伯逊沃尔克度规相关的观测问题。取决于宇宙的总能量密度是否大于、小于或等于临界密度，宇宙的空间曲率可以是正的、负的或为零的。当宇宙的能量密度等于临界密度时，宇宙空间被认为是平坦的。然而问题在于，任何一个偏离临界密度的微小扰动都会随着时间逐渐放大，但至今观测到的宇宙仍然是非常平坦的。如果假设空间曲率偏离平坦所经的时间尺度为普朗克时间即10-43秒，经过几十亿年的演化宇宙将会进入热寂或大挤压状态，这一矛盾从而需要一个解释。事实上，即使是在太初核合成时期，宇宙的能量密度也必须在偏离临界密度不超过10-14倍的范围内，否则将不会形成像我们今天看到的这样。 暴涨理论对此给出的解释为，暴涨时期空间膨胀的速度如此之快，以至于能够将产生的任何微小曲率都抹平。现在普遍认为暴涨导致了现今宇宙空间的高度平坦性，并且其能量密度非常接近临界密度值。3) 磁单极问题关于磁单极子的反对意见源于二十世纪七十年代末，大统一理论预言了空间中的拓扑缺陷将表现为磁单极子，这种缺陷在早期高温宇宙中应当大量产生，从而导致现今磁单极子的密度应当远大于所能观测到的结果。而非常难以理解的是，至今为止人们从未观测到任何磁单极子。解决这一矛盾的理论仍然是暴涨，与抹平空间中的曲率相类似，空间呈指数暴涨也消除了所有拓扑缺陷。 值得一提的是，外尔曲率假说作为暴涨理论的替代理论，同样能够解释视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。4) 重子不对称性至今人们还不理解为什么宇宙中的物质要比反物质多：大爆炸理论认为高温的早期宇宙处在统计平衡态，具有同样数量的重子和反重子；然而观测表明，即使是在非常遥远的地方，宇宙仍然几乎由物质构成。产生这种不对称性的未知过程称作重子数产生，而重子数产生的条件是所谓Sakharov条件必须满足。这些条件包括存在一种过程破坏重子数守恒、电荷共轭不变性和电荷共轭空间反演不变性必须被破坏、宇宙偏离热平衡态。这三个条件在标准模型的框架内都可得到满足，然而标准模型所预言的此种效应在数量上太小，不足以完全解释重子不对称性的由来。5) 球状星团年龄二十世纪九十年代中期，人们发现对球状星团的观测结果与大爆炸理论出现矛盾：，人们进行了和球状星团的星族观测相符的计算机模拟，其结果显示这些球状星团的年龄竟然高达150亿年，这与大爆炸理论所预言的宇宙的年龄为137亿年严重不符。九十年代后期，更完善的计算机模拟考虑了恒星风引起的质量损失效应，这一矛盾也基本得到了解决：最新得出的球状星团年龄要比原先的结果小很多。虽然人们还不确定这种方法测定的球状星团年龄到底有多精确，但已经明确的是它们无疑是宇宙中最古老的天体之一。 6) 暗物质与暗能量二十世纪七十至八十年代进行的多种观测显示，宇宙中可见的物质含量不足以解释所观测到的星系内部以及星系之间彼此产生的引力强度。这就导致了科学家猜测宇宙中有含量多达90%的物质都属于不会辐射电磁波也不会与普通重子物质相互作用的暗物质。另一方面，若假设宇宙中的大多数物质都是普通重子物质，所得出的一些预言也和观测结果强烈矛盾。例如，如果不假设暗物质的存在，将难以解释为何宇宙中氘的实际含量要比理论上预计的低很多。尽管暗物质这一概念在刚提出时还存在争议，但有多种观测都显示了它的存在，包括微波背景辐射的各向异性、星系团的速度弥散、大尺度结构的分布、对引力透镜的研究、对星系团的X射线观测等。 如要证实暗物质的存在，需要借助它与其他物质的引力相互作用，但至今还没有在实验室中发现构成暗物质的粒子。至今物理学家已经提出了多种粒子物理学理论来试图解释暗物质，同时实验上也存在多个直接实验观测暗物质的探测计划。对Ia型超新星红移星等之间关系的测量揭示了宇宙自现有年龄的一半时，它的膨胀开始加速。如要解释这种加速膨胀，广义相对论要求宇宙中的大部分能量都具有一个能够提供负压的因子，即所谓“暗能量”。有其他若干证据显示暗能量确实存在：对微波背景辐射的测量显示宇宙空间是近乎平直的，从而宇宙的能量密度需要非常接近临界密度；然而通过引力汇聚对宇宙质量密度的测量表明，宇宙的能量密度只有临界密度的30%左右。由于暗能量并不像普通质量那样发生正常的引力汇聚，它是对那部分“丢失”的能量密度的最好解释。此外有两种对宇宙总曲率的几何测量结果也要求了暗能量的存在，一种借助了引力透镜的频率，另一种则是利用大尺度结构的特征图样作为量天尺。负压是真空能量的一种性质，但暗能量的本性到底是什么仍然是大爆炸理论的最大谜团之一。目前提出的用于解释暗能量的候选者包括宇宙学常数和第五元素。2008年WMAP团队给出了结合宇宙微波背景辐射和其他观测数据的结果，显示当今的宇宙含有72%的暗能量、23%的暗物质、4.6%的常规物质和少于1%的中微子。其中常规物质的能量密度随着宇宙的膨胀逐渐减少，而暗能量的能量密度却（几乎）保持不变。从而宇宙过去含有的常规物质比例比现在要高，而在未来暗能量的比例则会进一步升高。 在CDM这一当前大爆炸理论的最佳模型中，暗能量被解释为广义相对论中的宇宙学常数。然而，基于广义相对论并能够合理解释暗能量的宇宙学常数值，即使与基于量子引力观点的不成熟估算值比起来仍然令人惊讶地小。在宇宙学常数以及其他解释暗能量的替代理论之间做出比较和选择是当前大爆炸研究领域中活跃的课题之一。 三、 宇宙猜想1. 宇宙未来猜想1) 如果宇宙能量密度超过临界密度，宇宙一直膨胀，当膨胀到最大体积后坍缩，在坍缩过程中宇宙密度和温度重新提高，就好像宇宙爆炸的逆反应，最后终结于一个与大爆炸初期相似的一个状态。2) 如果宇宙能量密度低于或等于临界密度，膨胀将一直进行至能量几乎耗尽，能量密度非常低，恒星将变为白矮星、中子星和黑洞。然后各恒星逐渐被黑洞吞没，此过程非常缓慢，慢慢地宇宙平均温度趋近于绝对零度。黑洞在霍金辐射的情况下全部蒸发，宇宙熵值升至几点，以至于再也没有能量形式产生，最终达到宇宙热寂状态。2、宇宙模型猜想宇宙模型的建立对解释整个宇宙具有非常意义，爱因斯坦曾经想通过引入宇宙常数来建立宇宙模型，可惜后来宇宙被证实在不断膨胀，这成了爱因斯坦一生的遗憾。1) 以前我也在想宇宙模型以及宇宙的起源与终结。我们生活在一个有循环的自然中，那么我们的宇宙是否也是循环的？所以我觉得宇宙起于奇点也终于奇点。宇宙中存在种种黑洞，包括银河系中心也是一个巨大的黑洞，其他的物质在能量消耗后坍缩成黑洞，这样看来，整个宇宙会在黑洞的互相引力下最终走到一个奇点上，但是宇宙现在被观测到是正在膨胀中，这种膨胀是否能与整个宇宙的所有物质所组成的黑洞抗衡呢？以我所见是不能的，我们还未了解的暗物质限制着宇宙的膨胀，我相信宇宙在膨胀到一定程度后便没有足够的能量来抗衡黑洞的引力，也就是说宇宙最终会因为黑洞而坍缩与一个类似于宇宙的高温高能量奇点，我认为此状态只维持一个非常短的时间，就类似于大爆炸原始状态，因此宇宙属于这样一个循环之中。2) 但如果宇宙属于这样一个循环之中，周而复始，这样又引起我们的思考了，究竟这个周而复始的循环体来自于哪里呢？比如说一块冰变成水，再变成冰，这样理论上可以不断变换形态而不消失，但至少也需要给他一个载体。所以，宇宙的载体是什么了？就目前我们的已知宇宙，我们看来是一个平坦而三维的宇宙，可是如果宇宙不是平坦的，而是曲面的，犹如地球那样，我们只属于这个宇宙世界的表面。3) 若我们可以尝试即跳出整个宇宙又深入微小粒子上，发现宇宙结构其实与原子结构类似，那么我们是否可以猜想：我们的宇宙可能是一个多层宇宙，也就是说，我们的原子下有许多个微元宇宙，而我们又属于其他更高级的微元宇宙中，而我们的宇宙都有着不同的时间限度。那么我们的一个挥手间可能是无数个微元宇宙的骤生骤灭，而我们现在的一切时间与空间，可能也只是在上级宇宙某个生物的脚下接受灭亡的命运，而这只是时间的差异造成的错觉让我们感觉时间漫长，可我们或只存在于别人的一瞬。引用文献大爆炸理论萧无忌霍金2006-6-16演讲稿宇宙起源之大爆炸发展（百度百科）宇宙起源探究（百度百科）宇宙起源各学说宇宙微波背景研究14