暗能量与加速膨胀的宇宙

大连理工大学

硕士学位论文

暗能量与加速膨胀的宇宙姓名：王贝利

申请学位级别：硕士

专业：理论物理

指导教师：刘宏亚

20040601

摘要

近来对于Ｉａ型超新星的天文观测表明我们的宇宙正在经历一个加速膨胀的阶段。本文在回顾Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论和Ｓｐａｃｅ．Ｔｉｍｅ．Ｍａｔｔｅｒ理论的基础上，重点讨论了由Ｌｉｕ和Ｗｅｓｓｏｎ提出的宇宙大反弹模型（ＢｉｇＢｏｕｎｃｅＭｏｄｅｌ）。通过适当的选取模型中的两个任意函数我们可以得到一个简单的精确解，它把宇宙的演化分成了几个阶段：在反弹点之前宇宙收缩，在反弹点之后宇宙膨胀，并且在反弹点之后的早期宇宙减速膨胀，在反弹点之后的晚期，由于暗能量占据了宇宙的主要成分，所以宇宙加速膨胀。当时间趋于无穷大的时候，暗能量约占整个宇宙密度的三分之二，这和天文观测相符合。本文最后还对大反弹奇异点的性质进行了讨论。

关键词：Ｋａｌｕｚａ．Ｋｌｅｉｎ理论；Ｓｐａｃｅ．Ｔｉｍｅ．Ｍａｔｔｅｒ理论；暗能量；大反弹模型；宇宙加速膨胀

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＲｅｃｅｎｔｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆＴｙｐｅＩａｓｕｐｅｍｏｖａｅｐｒｏｖｉｄｅｅｖｉｄｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｅｎｔｕｎｉｖｅｒｓｅ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｔｈａｔｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓｅｉｓｅｎｔｅｒｉｎｇａｎｉｎｆｌａｔｉｏｎａｒｙｅｐｏｃｈ．ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｖｉｅｗｉｎｇＫａｌｕｚａ．ＫｌｅｉｎｔｈｅｏｒｙａｎｄＳｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ—Ｍａｔｔｅｒｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ

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自从Ｋａｌｕｚａ（１９２１）年和Ｋｌｅｉｎ（１９２６）为了统一引力和电磁相互作用而提出Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论以来，高维理论得到了广泛的发展。Ｋａｌｕｚａ和Ｋｌｅｉｎ把Ｅｉｎｓｔｅｉｎ的广义相对论推广到５维的思想，启发了后人采用更高维的空间来统一所有４种相互作用（引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用），从而发展出１ｌ维的超引力理论，１０维的超弦理论，以及最近人们研究非常热烈的１１维Ｍ理论（包括膜世界模型）等。

十几年前，Ｗｅｓｓｏｎ根据Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论提出了５维的Ｓｐａｃｅ．Ｔｉｍｅ．Ｍａｔｔｅｒ理论，他的主要指导思想是通过第５维坐标ｘ４将质量几何化，即从无源的５维真空场方程中推导出４维有源场方程。而Ｃａｍｐｂｅｌｌ定理的一个重要结论既是：广义相对论的解总能够局部的嵌入到５维Ｒｉｃｃｉ平坦的空间中，这也为Ｗｅｓｓｏｎ理论的可行性提供了重要的依据。

最近越来越多的天文观测数据表明，目前的宇宙正在经历加速膨胀的阶段，这和我们通常认为的，由于引力的作用宇宙膨胀的速率应该逐渐降低的观点相反。对于宇宙微波背景辐射的高精度测量则暗示着暗能量的存在，并且约占宇宙物质总密度的三分之二。根据Ｋａｌｕｚａ．Ｋｌｅｉｎ理论和膜（ｂｒａｎｅ）理论，我们的传统宇宙是嵌在一个高维时空中的，这里我们考虑Ｌｉｕ和Ｗｅｓｓｏｎ提出的５维宇宙学模型。和传统的大爆炸标准宇宙学模型不同，这个５维的模型具有一个“反弹点”，在此反弹点之前宇宙收缩，之后宇宙膨胀。由于这个模型是５维Ｒｉｃｃｉ平坦的，表明从５维来看其是“空”的。然而根据诱导物质理论（ＩｎｄｕｃｅｄＭａｔｔｅｒＴｈｅｏｒｙ），４维的Ｅｉｎｓｔｅｉｎ场方程可以从５维的Ｋａｌｕｚａ—Ｋｌｅｉｎ方程中得出，这一方法已经为Ｃａｍｐｂｅｌｌ定理所证明。５维大反弹模型的一个重要结果既是：随时间变化的宇宙学“常数”可以很自然的从诱导的４维能量动量一张量中分离出来。

本文第一章首先回顾了Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论和Ｓｐａｃｅ．Ｔｉｍｅ－Ｍａｔｔｅｒ理论，在第二章中对暗能量宇宙学做了简单的介绍，在此基础上讨论了由Ｌｉｕ和Ｗｅｓｓｏｎ提出的宇宙大反弹模型（ｂｉｇｂｏｕｎｃｅｍｏｄｅｌ），并在第三章中重点讨论了基于大反弹模型的加速膨胀的宇宙学解。５维的反弹解包括两个任意的函数ｐ（ｒ）和ｖ（ｆ），通过适当的选择函数的形式可

塑璧兰：皇型薹些竖箜茎里．。。：

以得到类似于标准的ＦＲＷ模型中，分别描述辐射为主时期和物质为主时期的宇宙的精确解。它把宇宙的演化分成了几个阶段：在反弹点之前宇宙收缩，在反弹点之后宇宙膨爿长，并且在反弹点之后的早期宇宙减速膨胀，在反弹点之后的晚期，由于暗能量占据了宇宙的主要成分，所以宇宙加速膨胀，当时间趋于无穷大的时候，暗能量约占整个宇宙密度的三分之二，这和天文观测相符合。在第四章中还对反弹点的奇异性作了进一步的讨论，第五章给出了结论与展望。

墅！！苎皇塑壅丝些墼至耋

第一章Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论及Ｓｐａｃｅ—Ｔｉｍｅ．Ｍａｔｔｅｒ理论１．１Ｋａｌｕｚａ—Ｋｌｅｉｎ理论

Ｋａｌｕｚａ．Ｋｌｅｉｎ理论的基本思想就是利用５维的Ｒｉｅｍａｎｎ几何把引力场与电磁场统～起来。按照Ｋａｌｕｚａ的理论‘”，我们的现实世界是多于四维的时空，并且５维流形可以用来统一Ｅｉｎｓｔｅｉｎ的广义相对论和Ｍａｘｗｅｌｌ的电磁相互作用理论。在广义相对论中引力场是构成度规空间的基本结构，而电磁场却与几何空间没有关系，曾经有过许多尝试想把新的引力理论和电磁理论建立在一种经过修正的几何上，这些几何除了度规张量以外，还可以容纳其他的几何因素。Ｋａｌｕｚａ通过改交空间的维数来增加度规张量的分量数目，这样一来引力势和电磁势可以共同决定空间的结构，Ｋａｌｕｚａ又引入了柱条件，使度规分量和第五维坐标无关。Ｋｌｅｉｎ【２１则进一步假设具有极小数量级的第五维构成闭拓扑结构，即紧致化条件，进而形成了可以把引力场和电磁场统一起来的５维Ｋａｌｕｚａ—Ｋｌｅｉｎ理论。

５维时空的线元可以表示为：

ｄＳ２＝ｇａｓｄｒ“ｄｘ８．（１－１—１）其中占。。（爿，Ｂ＝０～４）是５维时空中对称的５ｘ５度规张量，它有１５个无量纲的独立分量。

我们可以构造５维的Ｒｉｃｃｉ张量Ｒ。，五维的曲率标量Ｒ＝ｇ∞Ｒ”和５维的Ｅｉｎｓｔｅｉｎ张

量Ｇ。。，满足瓯。ｚＲ。。一如。。／２，场方程ｑ。＝Ｋ％，其中足是耦合常数，疋ａ是５维能量．动量张量。真空场方程Ｇ。＝０，或者表示成：

Ｒ＿Ｂ＝０（Ａ，Ｂ＝０～４）．（１－１?２）

我们可以适当的选取坐标和度规，则５维的矩阵张量ｇ。。有如下形式：

％＝卜嚣引一针㈣＂，其中茁是耦合常数。场方程（１—１．２）式可以化为如下三组方程：

％＝譬％一去（Ｖ。Ｖ严％叫，（１－１－４）

堕璧塞：量垫耋鬈些塑至翼

Ｖ。％叫孚％（１—１．５）

口中＝一华‰一（１－１－６）其中％是４维Ｅｉｎｓｔｅｉｎ张量，Ｆ，Ｅ４维Ｆａｒａｄａｙ张量，％＝（ｇ．ＦｒｓＦ筘／４一Ｅ７％）／２是电磁场的能量．动量张量。

（１－１．６）式给出了一个标量函数，（１－１．５）式可看成是被这个标量函数修正的经典Ｍａｘｗｅｌｌ电磁理论的～组方程。（１．１—４）式与４维广义相对论的１０个Ｅｉｎｓｔｅｉｎ方程相类似，只是等式右边多出一项，此项在某种程度上代表了由第５维导出来的一个等效的能量一动量张量。

Ｋａｌｕｚａ进一步假定，在场变量不依赖第５维坐标的坐标系中，度规张量分量＆。为

常数，即ｇ。。＝一∥＝一１。令茁＝４４；６，则（１－１—４）式和（１．１．５）式可改写成：

％＝８ｘＧ０２％，（１－１－７）

Ｖ。匕＝０．（１－ｌ－８）

此即４维的Ｅｉｎｓｔｅｉｎ方程和Ｍａｘｗｅｌｌ方程。这一结论最初由Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ得出，他们令中＝Ｉ，然而，条件中＝ｃｏｎｓ！只有当％Ｆ印＝Ｏ时才能与（１－１—６）式相～致Ｂ４’５１０

简言之，Ｋａｌｕｚａ—Ｋｌｅｉｎ理论实际上就是关于引力、电磁作用力和标量场的统一理论，通过无源场方程Ｇ＂＝０导出的（１－１－４）～（１－１—６）式，是Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论的核心内

容。Ｋａｌｕｚａ．Ｋｌｅｉｎ理论为现代物理学的发展，比如１１维的超引力理论和１０维的超弦理

论奠定了很好的理论基础，并且已经在很多方面得到了发展和应用。

１．２现代的Ｋａｌｕｚａ．Ｋｌｅｉｎ理论——Ｓｐａｃｅ—Ｔｉｍｅ－ＭａｔｔｅｒＴｈｅｏｒｙ

Ｋａｌｕｚａ．Ｋｌｅｉｎ理论把广义相对论从４维扩展到５维，并且加上了一些限制条件，如柱条件和紧致条件。ＰａｕｌＷｅｓｓｏｒｔ重新研究了他们的工作，并把他们的理论加以推广，进而提出了Ｓｐａｃｅ．Ｔｉｍｅ．Ｍａｔｔｅｒ理论，其基本思想是应用高维Ｒｉｅｍａｎｎ几何的数学方法来统一场源及其产生的场，也就是说物质也被纳入几何体系，成为几何的一个部分。

根据Ｒｉｃｃｉ张量，真空的５维场方程为：

暗能量与加速膨胀的宇宙

Ｒ＿８＝０．（１－２一１）由５维的曲率标量和５维的Ｅｉｎｓｔｅｉｎ张量ｑ。＝ＲＡ。一Ｒｇ。／２可以得出：

４维的Ｅｉｎｓｔｅｉｎ场方程

ｑ口＝０

Ｇ乙＝Ｄｒ％（１，２．２）（１．２．３）

诱导物质理论（Ｉｎｄｕｃｅｄ－ＭａｔｔｅｒＴｈｅｏｒｙ）的核心既是（１－２—３）式为（１－２?２）式的子集，其中易是４维的能量－动量张量。

传统的５维Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论用经典电磁势以来定义矩阵张量分量ｇ。。，我们可以把ｇｏ。＝０理解为不存在电磁场。然而，任何协交的５维原理（如Ｉｎｄｕｃｅｄ－ＭａｔｔｅｒＴｈｅｏｒｙ）都有５个自由度，这使得我们可以在数学表达上尽量简化而不失一般性。因此我们可以很自然的考虑ｇ。。＝０、ｇ。。≠０的情况，这种选择包括了ｇ卵＝ｇ妇＠４）和９４。＝９４。（ｘ。）因此不能用传统的Ｋａｌｕｚａ－Ｋｌｅｉｎ理论中的柱条件来加以限制。

我们已知５维线元ｄＳ２＝ｇａ日出。ｄｒ８，其中

踟＝踟（一），ｇ。。＝０，

ｇ。。＝砷－２＠“），

１ｓ

ｇ“２ｉ２孑（１—２．４）

这里我们取，：ｌ，并且规定４维张量的普通微商用（，）表示，从而将５维中张量对ｘ４的普通微商用一个星号（＋）表示，例如：Ｏ／Ｏｘ４＝＋；协变微商将按通常习惯用一个分号（；）表示。根据Ｃｈｒｉｓｔｏｆｆｆｅｌ符号，５维的Ｒｉｃｃｉ张量可以表示为

Ｒ。。＝ｒ：肌，一ｒ：∞＋ｒ：。ｒ盘一ｒ：。ｒ：令４斗口，Ｂ斗卢可得出４维部分的表达式

５’尺印＝１１易，＾＋ｒ易．４一ｒ刍，卢一Ｆ。４４。卢

＋ｒ易ｒ乞＋ｒ易ｒ：。＋Ｆ，４１－＂，ｏ。

一ｒ刍ｒ乞一１２１。４Ｆ口ａ４一ｒ。Ｄ４Ｉ４，Ｄ．（１—２．５）（１—２．６）

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已知４维的Ｒｉｃｃｉ张量为

Ｒ叩＝ｒ刍，。一ｒ刍，口＋ｒ易ｒ乞一ｒ。ｕ－印Ａ

因此５维的Ｒｉｃｃｉ张量可以写成如下形式

”Ｒ叩＝Ｒ印＋ｒ品．４一１１：４Ｊ

计算上式的Ｃｈｒｉｓｔｏｆｆｆｅｌ联络

＋ｒ刍ｒ乞＋ｒ掣４１４ＤＤ＿ｒ矾４Ｆ芦ａ４一ｒ口Ｄ４ｌ芦４口

ｒ印４＝一丁９４４９，，ｐ，ｒ恐：晕，咯华＋华把上面的结果代入（１—２．８）式得出：

匕４：挚，

（１．２—７）（１—２—８）％：华，

ｒ。ｐＤ：单一年．㈨：扪１２—＿■一一——■一’

“。。７‰：％一华一挚一华监。芝些！！堡一芝：坠￡堑２‘

２４

一！兰：！：兰竺墨竺；墨竺墨：苎型星塑一（９４）２９４，ａ９４＜ｐ（

１－２－１０）一——产＋——了一一——了一、

利用（１－２．４）式，我们可以把上式中的某些项进行简化

墨二＆一墨垫盟＋￡兰塑：！坠一堕４４１２坠坚鱼：￡’，２４

一扣圹町刍）；一誓

其中①。；ｍ。。代入到（１－２－１０）式中得出

㈣％叶孚＋毒降七铲妊助一事］．㈨：加，

里璧塞星垫塞璧坚塑耋垦

令（１－２—５）式中的Ａ＝４、Ｂ＝４，Ｃ斗＾，４，可以得出

Ｒ。＝ｒ刍，。一ｒ孔，。＋Ｆ乞Ｆ乞＋ｒ：。ｒ乞，一１１。２，－。ｐ。一１１０ｒｆ，．（１－２—１３）计算上式的Ｃｈｒｉｓｔｏｆｆｆｅｌ联络

ｒ乞：肇竽

ｒ毛：挚，代回到（１－２．１３）式中：

ｇ印ｇ∞ｒ４一ｇ“９４４‘４４一——＝一

ｒ４一９４４９“．Ⅳ１４ｐ一———＝—一

心一华一争一华一墨孚一竿ｇ“９４４９加ｇ加ｇ筇ｇ印ｇ”ｇＦ，一。。１。’。’。’。。。。。。。‘。。一

４４

上式中的一些项可以进一步简化：（１．２．１４）

＋￡坠！兰竺塾￡．（１—２．１５）４

ｇＺａｇ郴ｇａｎｇ帅ｘ铲氓Ｂ矿ｇ哪２２４。苎：鱼！墨竺坠！￡

４

一曲似咿加盯＋华］＼－／

＝一椰留…中。

这一结果也可以由。口，＾＝中蹦一ｒ血中。得到，即（１．２．１６）

ｇ皿。，，。＋兰华＝ｇ一”巾，，，＋兰华＋兰华．（１－２－１７）注意到（彤）．。＝０，即意味着（ｇ扫，。＋ｇｍ９９９舻．ｚ）中，＝０。把（１－２－１６）式代入到（１－２—１５）式中得到：‰一咖华一华＋警一华．（１－２－１８）其中口ｏｚｇ“”ｏ。。

暗能量与加速膨胀的宇宙

（１－２—１２）式和（１－２．１８）式可以用于５维场方程

（１—２—１９）

Ｒ∞＝０．

由（卜２?１２）式中的‘５’屯＝Ｏ可以得出

％：孚素ｆ莩一玉舻￡ｇ二一华］．㈨：删

由（１－２－１８）式中的Ｒ。。＝０给出：

椰口巾：一血一—ｇ＇ａ—ｇａｐ＋—乖ｇａＢ—ｇｅ啦．（１－２－２１）

４２２ｄＯ

这里我们已经注意到（彤）．。＝ｏ表示ｇ印ｇ”ｇａｐｇ，＋ｇ”ｇ，，＝ｏ。根据（１?２－２０）式我们

可以得到４维Ｒｉｃｅｉ曲率标量月＝ｇ卯心口，利用（１－２?２１）式消去协变分量后进行化简可得到：

矗：寺陬矿（∥０］，（１－２－２２）

现在通过（１－２—２０）式和（１．２．２２）式我们可以定义一个４维的能量．动量张量：ｓ和警一寺｛孚一琵舻晶舢一学＋钟＿小七训

．（１－２—２３）

则４维的Ｅｉｎｓｔｅｉｎ方程％＝８石乙自然被满足。

可以看出（１－２．２３）式中的数学表达具有很好的性质。首先，它是一个对称的张量，并且包含了∞对坐标∥”３的微商和度规对坐标ｘ４的微商。（１－２．２３）式中的第一项隐含对称，因为它依赖二阶偏导数；另一项是明显对称的，这与Ｋａｌｕｚａ—Ｋｌｅｉｎ理论中由５维真空解导出的４维物质的性质一致。这～题目已经被广泛研究，例如，它已经显示出㈣％＝ｏ的宇宙学解给出与％＝８桕％的解相同性质的物质ａｘ４为常数定义了５维空间中的一个４维超曲面。这些含有坐标ｘ４、并且３维部分是平直的５维解可以诱导出４维ＦＲＷ解，这就说职５维理论和４维理论中的物质性质相同，这里我们对不包

暗能量与加速膨胀的宇南

含ｘ４的项的处理方法在数学上比较简单。（１—２—２１）式成为对应于５维度规ｇ∞除去％以外的度规部分的标量波方程，即ｇ…ｏ。＝０（ｇ。。＝柚２）。（１－２．２３）式也给出了７、＝‰ｇ掣＝０，即相对论性物质与辐射的状态方程，和以前的工作相一致ｆ６７１。

到目前为止，这些场方程中还有一些成分我们没有进行深入的讨论，即：Ｒ４。＝０。利用（１．２－５）式将之展开为：

Ｒ４。＝ｒ乞．。＋ｒ：。．。一ｒ缸．。一ｒ：。。

＋ｒ１４，ｔ。ｌｚＡＡ＋ｒ：。ｒ１六一ｒ乞ｒ乙一ｒ４Ｄ４Ｉ。４。．（１－２．２４）计算其中的Ｃｈｒｉｓｔｏｆｆｆｅｌ联络：

咯华，吃＝华，

ｒ。ａ。＝丁ｇｍｇ．垆，ｒ：。＝半９４４９，

啥争，耻譬（‰‰厂训，

牟一华ｇ９４４，ｃｔ，耻一下９４４９“，（１－２－２５）带入到（１－２—２０）式中给出：

舻华ｉ＆ａ９４４，。－－斯ｇ＋。）＋华

．ｇ础ｇｐ。，＾ｇ印．。ｇ祁ｇ郴ｇ印，。

。

２２２

＋量：：兰竺曼竺墨出＋竺墅：！．（１＿２－２６）其中的数学变换主要利用了下式：

（９４４９“）“。＝ｏ或９４４乳厂９４４，。９４４＝０，

（霹）。＝ｏ或ｇ，Ｗｇ，，ｇ”＋ｇ”＝０．（１－２－２２７）把（１—２－２６）式做适当的变化有利于我们做进一步的计算，将它改写以后我们可以得到

堕墼呈星竺堡墼些墼重要如下的表达式

。ａｆｇｍ；胁１ａ

耻专ｌ华愕毕］＋（争］［争］

（华］［亭］－华（华一华（１．２．２８）注意到ａ／缸“＝彰（影缸，）和一ｇ“ｇ。，，／２＝、瓦（影瓠９）（１／√ｉ），我们可以得到击＝专『击（以础“训］

＋（争］（等］一（争］（岳这一表达使得我们需要引入４维张量：

掣；去（ｇ肛。孵训

其协变微分形式如下：

Ｐｉ，，＝礁，ｅ七ｔ皆ｉ—Ｉ≮Ｐ！．（１．２．２９）（１．２．３０）（１—２．３１）

若将上式完全展开后可得到与（１—２．２９）式右边相同的结果，因此我们可以得到

Ｒ４。

＇ｆｉ９４４

场方程（１－２—１９）式可以利用下面的关系求和

既＝０，

璎＝击（ｇ虮ｇ。稚…ｇ＋一ｒ）

协变形式和标量形式如下：

‰＝击（曲∥㈡

（１．２．３２）

暗能量与加速膨胀的宇宙

尸：一孥粤．（１－２－３４）

』一一————７０２一．

ｚｘ／９４４

以上工作使得我们很清楚地看到，初始条件（１－２—４）式可以很方便的将５维场方程Ｒ。Ｂ＝０分成三个部分：５维场方程”１８。＝０给出了４维Ｒｉｅｃｉ张量中的一组方程（Ｉ－２—２０）式；５维方程㈣兄。＝Ｏ给出了标量势中的一组方程（卜２－２１）式；５维方程”’Ｒ４。＝０可以表达成（１－２—３３）式。我们还可以得出其它一些有用的关系式，例如（１－２—２２）式。由前两组方程我们得到一个等效的４维能量．动量张量（１－２—２３）式，由后一部分得到的结果与之前的观点ｆ８９１和目前的工作‘６‘７她１６埽目一致，还可以把场方程（１．２．Ｉ）式或（１．２．２）式分解成三组方程，也能得到相同的结果。

把４维场方程％＝８万％嵌入到５维方程只。＝０中一ｗ÷ｓｓｏｎ把这种思想称之为诱导物质理论（Ｉｎｄｕｃｅｄ．ＭａｔｔｅｒＴｈｅｏｒｙ）。近年来，Ｗｅｓｓｏｎ等物理学者对这一理论作了大量深入细致的工作，得出的主要结论是：诱导物质理论中的物质是唯象的，并且可以由经典物理模型，诸如带有能量密度Ｐ和压强．Ｐ的理想流体模型所描述，１维附加的坐标维度足够解释几乎所有的经典物质的各种性质。应用这一思想可以用来解释物质的很多特性，例如在宇宙学方面，它可以简洁的给出５维几何量，这与由４维Ｐ和Ｐ给出的结果相同，这就意味着我们从５维场方程中分离出来的既是通常的物质。在其它理论中的应用，如ＦＲＷ类型的宇宙学解㈤１外，Ｓｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ类型球对称静态解［６１¨６１和具有热辐射场性质的物质的解田。７１等方面也都进一步验证了这一理论的可行性，现在这一思想已经得到了越来越多的重视，并被应用到更多的理论研究中。

鉴璧兰皇型塞璧鉴墼三里

第二章暗能量宇宙学简介

２．１暗能量的基本性质

近年来，许多天文观测结果，如超新星的爆发、宇宙微波背景辐射和大尺度结构等，都表明我们的宇宙正在加速膨胀，而非传统理论所预期的减速膨胀。这一结论与我们对于引力的基本观念，即引力使得两个物体相互吸引而逐渐靠近相抵触，这表明宇宙中必定存在着一种具有排斥力的“暗能量”（ＥａｒｋＥｎｅｒｇｙ），其本质与行为可能决定了我们宇宙的命运。

绝大多数的物理学家已经接受了一个事实，即暗能量占据了现在宇宙总能量密度的三分之二，它对于决定宇宙未来的命运扮演了举足轻重的角色，因此暗能量问题可以说是目前宇宙学中最重要的研究课题。那么究竟什么是暗靛量㈣昵？根据广义相对论，我们用宇宙学尺度因子Ａ“）来描述宇宙的膨胀，并且宇宙膨胀和宇宙物质能量密度ｐ（ｆ）和压强ｐ｛ｔ）有如下的关系：

旦：一竿，＋３ｐ）．（

２．１．１ｔｐ）

一２一—＿十ｊｐＪ?Ｌ‘。ｌ。７１２＇ｊ其中，Ｇ是牛顿万有引力常数，所以“赔能量”必须具有足够大的“负引力”，才能使得我们的宇宙加速膨胀。此外，由于在星系及星系团范围内无法观测到这种神秘的成分，因此暗能量必定是相当平滑的分布在我们的宇宙中。

由此我们可以得出一些结论，暗能量应当具有下列特征：（ａ）暗能量不发射也不吸收光子；（ｂ）它具有相当大的负引力，Ｐｘ—一Ｐｘ（ｃ）它是接近均匀的，至少在星系团的尺度范围内部不会集聚形成可观测的、可辨认的结构。由于这种神秘成分的压力大小与其能量密度相当，而一般物质的压力为零。所以它比较类似于“能量”而非一般的“物质”，因此“暗能量”不等同于“暗物质”，也不能成为暗物质的替代物。

２．２宇宙加速膨胀的观测证据

目前关于宇宙加速膨胀的现象有两个观测上的证据。首先，最直接的证据是基于对遥远的Ｔａ型超新星观测资料推论得出的：在１９９８年，美国劳伦斯伯克利国家实验室

ｅ一：。譬！ｉ星皇垫壅丝些墼耋里

（ＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）进行的“超新星宇宙学计划”（ＳｕｐｅｍｏｖａＣｏｓｍｏｌｏｇｙＰｒｏｊｅｃｔ）与澳大利亚ＭｏｕｎｔＳｔｒｏｍｌｏ天文台的‘‘高红移超新星搜寻团队，，（Ｈｉｇｈ—ＺＳｕｐｅｒｎｏｖａＳｅａｒｃｈＴｅａｍ）利用不同的分析技术和不同的高红移超新星观测样本，却都获得“宇宙正在加速膨胀而非减速”的结论。

在红移为ｚ＝１．７５５处所观测到的编号为１９９７ｆｆ的Ｉａ型超新星更进一步地支持宇宙！Ｆ在加速膨胀的现象㈣。基本上，天体的红移大小除了代表该天体与观测者之间的相对距离比率外，也隐含了宇宙尺度改变的信息。在宇宙学中一般用下标“ｏ”来表示某一物理量现在的值，而红移的定义为ｚ＝－（ａｏ／ａ（ｔ））一ｌ，因为ｏ≤口（，）＜－－ａｏ，所以位于红移为ｚ处遥远天体的光是在宇宙只有现在大小的ｌ／（１＋ｚ）时所发射出来的。若宇宙的膨胀速率在过去的某～时刻比现在来得小，则遥远天体的光度必定相对地比假设宇宙一直处于加速状态的情况来得亮些，ＳＮｌ９９７ｆｆ正提供了这样的例证。我们从其光谱资料中的星等一红移关系图显示此超新星比传统上加速开放的宇宙模型（ｔｈｅｏｐｅｎｕｎｉｖｅｒｓｅ）里的高红移Ｉａ型超新星都来得亮，寓意宇宙在其现存生命的大部分过往岁月里处于减速膨胀的状态。

另一个关于宇宙正在加速膨胀的推论证据来自对宇宙成分能量密度的测量。宇宙微波背景不均匀性的观测指出，当今宇宙之总密度参数（Ｑｓｐ／岛）为Ｑ。＝１．ｏ±０．０４，是一个平坦的（ｆｌａｔ）宇宙，而其中物质密度与能量密度之和必须等于临界密度ｐ。然而几乎所有关于宇宙大尺度结构的天文观测，例如微波背景的不均匀性、星系团里的重子比率等，都一致的显示出宇宙中的物质密度只占临界密度的三分之一左右，即Ｑ。＝Ｏ．３３±Ｏ．０４。因而可知约有三分之二的临界密度不见了，这一消失的能量密度恰巧为Ｑ，＝Ｏ．６７±Ｏ．０６［１９１。

我们知道平垣宇宙的Ｆｒｉｅｄｍａｎｎ方程规范了描述宇宙膨胀的哈勃参数（ＨｕｂｂｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒＨ；∥Ⅱ）及宇宙成分密度之间的关系：Ｈ２＝８ｒ：Ｇｐ／３。另外，由各成分能量守恒一＝一３Ｈ（ｐ，＋只）可知：

一∞日叫１¨”∞（１＋ｚ）““…．（２．２．１）其中Ｗｉ代表了各不同成分的物态方程（ｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｅｗ；ＰＩＰ）。此式告诉我们现今

暗能量与加速膨胀的宇宙

宇宙中的辐射密度（％－－１／３ｊＰ。＊口一４）应当远小于一般的物质密度（Ｍ，＝０ｊ砌ｏｃ日。）。如此一来，宇宙的减速参数（ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｐａｒａｎ］ｅｔｅｒｇｓ一（以］卢２）与各成分的密度参数（ｎ＝８万Ｇｐ／Ｈ２）应维持如下的关系：

ｑ＝！；￡＋（１＋３ｗ。）ｎ。．（２．２．２）很明显地，若宇宙正在加速膨胀（ｑ＜０），则必然导致ｗｘ＜一１／３，因此可推导出暗能量具有斥力般的负压力并相当均匀平滑地分布于宇宙中，其能量密度以小于ａ－２的比例随时阳ｌ缓慢变化。

２．３宇宙常数与暗能量

Ｅｉｎｓｔｅｉｎ在１９１７年发现其引力场方程式会导致收缩或膨胀的解，为了维持一个静态的宇宙观，他在场方程中引入了著名的宇宙学常数人。１９２９年，当Ｈｕｂｂｌｅ对星系的观测结果确立了宇宙膨胀的事实后，Ｅｉｎｓｔｅｉｎ终于放弃了宇宙学常数，并把它称之为他一生中最大的错误。造化弄人，七十年后的超新星观测却又开启了宇宙学常数的复活运动。

若将宇宙学常数引入Ｅｉｎｓｔｅｉｎ方程式，则（２．Ｉ．１）式的右端必须加上相应的负引力项（人／３）。如果宇宙中只存在一般正常的物质，即ｐ＋３ｐ＞０且Ａ＝０，则宇宙膨胀的加速度小于零，表明宇宙膨胀的速率因重力的作用而减小：反之，若Ａ＞０且足够大，～般正常物质的重力相吸效应将被此宇宙学常数克服，进而驱动宇宙加速膨胀，因此，宇宙学常数可以说是“暗能量”源头最简单的解释。

事实上，宇宙学常数经常被用来解释天体物理中所遇到的困难，例如宇宙的“年龄问题”。通过星系演化的理论计算，显示某些宇宙中最古老的星体年龄可达１５０至１８０亿年。假设宇宙仅由我们可观测到的物质所组成（ｆｋ“ｏ．３）而不含宇宙学常数，则其年龄约在１００至１３０亿年左右：若我们使用物质主控的平坦宇宙模型Ｑ。＝ｌ，则宇宙年龄约８０至１１０亿年；但若平坦宇宙计入宇宙学常数（ｆ‰ａＯ．３，Ｑ．“０．７），宇宙年龄为１２０至１６０亿年，可轻易地容纳宇宙中最古老的星体以解决此问题。

墅！！兰盏型兰璧坚塑耋室

然而，以宇宙学常数作为暗能量必须薤对至少两个非常基本却又很严肃的问题一“宇宙学常数问题”（ｔｈｅｃｏｓｍｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍ）及所谓的“宇宙一致性问题”（ｔｈｅｃｏｓｍｉｃｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍ）。

从量子场论（ｑｕａｎｔｕｍｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒｙ）的观点来看，宇宙学常数基本上就是真空量子场的能量。在目前的物理理论里并不存在任何的法则或对称性可以推导出真空能量密度（ｐ。）必须为零的结果。事实上，由于至今仍没有一套标准的量子重力场论，我们甚至不清楚究竟该如何在重力场中计算‰。今天宇宙的能量密度已知非常接近临界密度段。２×１０。７ＧｅＶ４，若使用普朗克能量尺度Ｍｔ。＊；ｌ／８４甭．ｅｚｌ０”ＯｅＶ来计算真空能量起伏，则可获得理论与实际观测值的惊人落差：

ｐ：”～Ｍ；ｈ括＊１０７２ＧｅＶ４“１０幢。砖“’．（２?３?１）这一理论值与观测值似乎无法克服的巨大差异既是所谓的“宇宙学常数问题”。

另外，由于人是一个不随时间变化的常数，ｎ．／Ｑ。＝风／砌ｚ矿，所以宇宙学常数别字宙的影响随着宇宙的膨胀随时间变化。但是为什么现在我们所处的宇宙恰巧呈现出物质和宇宙学常数势均力敌的态势呢（Ｑ。～Ｑ．）？实际上不止针对宇宙学常数，任何“暗能量”的选择都必须能合理解释这个“一致性问题”。

２．４第五元素与暗能量

第五元素（ｑｕｉｎｔｅｓｓｅｎｃｅ）指的是除了重子（ｂａｒｙｏｎ）、光子（ｐｈｏｔｏｎ）、中微子（ｎｅｕｔｒｉｎｏ）及暗物质（ｄａｒｋｍａａｅｒ）以外构成宇宙的第五要素，一般以一个缓慢滚落至其位势底部基态的标量场中来表示。中场的能量密度与压强为：

国＝等＋矿（≯），ＰＱ＝譬一ｙ（≯）．（２．４．１）以第五元素作为“暗能量”的主要原因为：（ａ）以缓慢地变化至零的特性试图解释“宇宙学常数问题”；（ｂ）开启解决宇宙“一致性问题”的可能性：（ｃ）利用天文观测的结果，在现象学的层级上了解其演化的物理机制。

探索第五元素的本性基本上有两条途径。首先是以合理的物理假设（比如此标量场必须符合许多粒子物理上的考虑），建立模型ｙ◇），然后计算各项宇宙参数并与观测

值相比较。可惜的是我们对暗能量的本质可以说是一无所知，所以目前并没有一个模型可称得上成功的解决那两大理论物理方面的难题。

另一个探求暗能量本性的方法是充分利用天文观测的结果来限制模型，以最少的理论假殴在现象学上进行讨论，希望在对暗能量本质有了粗浅的了解以后能有助于寻求“宇宙学常数问题”与“一致性问题”的解答。

不论使用哪一种方式，都必须充分把握暗能量的物态方程Ｗ－－－－－－Ｐ。／所。宇宙学常数的物态方程是Ｗ＝一ｌ。依据（２．３．１）式，第五元素的物态方程则是随时间变化而落在一定范围内的ｆ一１≤ｗ蔓１１：当动能占主要地位时ｗ＝＋１，当势能占主要地位时则和宇宙学常数相同。由于一般正常物质的物态方程都为常数，随时问变化的物态方程非常复杂，更增添了暗能量的神秘色彩。

２．５宇宙实验室

暗能量是低能的物理现象，它大概无法从离子加速器里产生，此外，在星系、甚至是星系团的范围内都无法探测到它，因此我们所处的宇宙本身大概是唯一适合研究暗能量的实验室了。

暗能量最主要的物理效应是影响宇宙的膨胀速率。在一个平坦的宇宙里，若假设暗能量服从能量守恒定律ｄ（既∥）＝一Ｐ。ｄａ３，则宇宙膨胀速率在时空中的变化只是简单的与（－２。及ｗ（ｚ）两个参数有关：

掣砜（…）３＋ｆｚｘｅｘｐ｛。肚ｗ（ｘ）协（ｍ）｝．（２－５－１）虽然Ｈ（ｚ）可能无法直接测量，但它影响了两个可观测量：位于红移＝处目标的共动距离（ｃｏｍｏｖｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ），即：

巾）＝ｒ南－（２－５－２）和密度微绕（ｄｅｎｓｉｔｙｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ）的变化：

哦＋２日瓯＝４７ｒＧｍ《．（２－５?３）其中瓯代表了共动波数（ｃｏｍｏｖｉｎｇｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）为ｋ的密度微绕ｅ因为共动距离与光

度距离（１ｕｍｉｎｏｓｉｔｙｄｉｓｔａｎｃｅ）ｄＬ相关ｄＬ（ｚ）＝（１＋：），（：），由大尺度的观测资料，例如遥远的超新星爆发等，可进一步推导出暗能量的效应。目前已知关于暗能量的观测结果显示［２０】：

（ｉ）在９５％的可能性下，暗能量物态方程的上限为Ｗ＜一０．７，并倾向于以宇宙学常数代表暗能量，即Ｗ＝一１；

（ｉｉ）因为“一致性问题”，暗能量占主导地位的时代才刚刚开始不久，因此探索暗能量的最佳红移区间为低红移的ｚ＝０．２—２的范围：

（ｉｉｉ）由于光子的最后散射截面（ｔｈｅｌａｓｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ）位于ｚ“１１００前后短暂的时空范畴，自该截面发射的宇宙微波背景辐射对于暗能量的探索虽可提供

一定的帮助，却无法解释随时间变化的物态方程ｗ；

（ｉｖ）只要系统误差能处理好，星系及星系团的数量与Ｉａ型超新星对物态方程的测度具有相同的效力；

（ｖ）弱重力透镜效应（ｗｅａｋｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌｌｅｎｓｉｎｇ）是研究随时间变化的物态方程的很好的方法。

２．６宇宙的命运与暗能量

几乎所有现存的广义相对论课本，在宇宙学的章节里都会提到宇宙曲率参数（ｃｕｒｖａｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒ，分别是＋１、０、一１）所对应的三种空间形态及其未来的命运：曲率为正的封闭宇宙在膨胀至一定程度后，终将归于塌陷的境况；曲率为零的空间是平坦宇宙的几何形态；负曲率的开放宇宙则与平坦空间都会永无止境的膨胀。这种空间几何形态和宇宙命运相联系的简单图像，其实是假设物质占主要地位的（ｍａｔｔｅｒｄｏｍｉｎａｔｅｄ）的宇宙模型所给出的结论。

有暗能量存在的宇宙则自成一格，使得此种空间几何形态与未来演化的对应关系更加复杂［２１Ｉ。如前所述宇宙学常数的性质，足够大的暗能量可以克服重力的相互吸引效应，使得分布在宇宙里的任意两个物体相互远离对方，体现宇宙的加速膨胀，在这个物理机制的作用下，即便封闭的宇宙也允许永无止境的膨胀解。反之，开放的宇宙也可因为存在类似的负的宇宙学常数（如许多超弦理论ｓｕｐｅｒｓｔｒｉｎｇｔｈｅｏｒｙ所预言）的暗能量成分而重新塌陷。此外，如果暗能量有耗散效应（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ），宇宙也可能回归物质主导时代，重复以往的演化轨迹，所以“暗能量”的本质究竟如何，确实牵动了宇宙未来

爱因斯坦宇宙常数和宇宙中暗能量

收稿日期:2004-11-10;修回日期:2005-05-11 作者简介:奚定平(1946 ),男,江苏南京人,深圳大学理学院教授. 专题介绍 爱因斯坦宇宙常数和宇宙中暗能量 奚定平,何晓微,曾丽萍 (深圳大学理学院,广东深圳 518060) 摘要:综述了宇宙在加速膨胀的观察证据,从爱因斯坦场方程和动力学方程出发详细分析爱因斯坦引入宇宙常数在宇宙加速膨胀中的作用,探讨宇宙常数和宇宙中暗能量的关系. 关键词:暗能量;宇宙常数;红移;哈勃定理;真空能 中图分类号:P 159;O 412.1 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2005)10-0035-04 爱因斯坦利用广义相对论的场方程建构宇宙模型,这个方程的解暗示着宇宙的大小正在改变,不是正在膨胀就是正在收缩.而爱因斯坦局限于当时对宇宙的认识,认为宇宙应该是静止的,因此他又在广义相对论引力方程中引入了一个宇宙项 ,叫 宇宙常数 ,代表宇宙物质的一个成分.这个宇宙常数起的就是排斥力的作用.有了该常数之后,引力方程同时具备了引力和斥力,正好能够达到平衡,可让宇宙 静止 下来,以致方程的解给出一个稳定的宇宙模型.后来科学家重新计算爱因斯坦广义相对论场方程,得出即使引入宇宙常数,宇宙模型的解也是运动的. 没过多久,上世纪20年代,天文学家哈勃(Ed -w in Hubble)从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行,离我们越远的星系退行运动的速度越快,这一发现被总结为哈勃定理 v =H l (1) 其中,v 是星系退行速度,H 是哈勃常数,l 是星系离地球的距离.式(1)的线性关系只当l 是在小尺度范围时才成立.最新的WMAP 数据给出现时的哈勃常数H 0=71km/(s Mpc ),误差约为5%[1]. 在得知哈勃的发现之后,爱因斯坦不得不放弃了他的观点,承认 宇宙常数 是他科学观点中一个最大的错误.近年来,科学家们一再通过各种观测和计算证实[2],暗能量在宇宙中占主导地位,约占73%,暗物质占近23%,普通物质仅约占4%.暗能量起着推动宇宙加速膨胀的作用.从理论上讲,宇宙常数 在场方程中起着暗能量的作用.被爱因斯坦 当初认为是错误的并让他极为懊悔的 宇宙常数 竟然是极有道理的. 1 暗能量的观测依据 1998年,两组天文学家分别独立地观察极远处的超新星,测量超新星的距离和红移,企图证明由于物质的引力作用使宇宙的膨胀速率逐渐减慢.但是,令他们吃惊的是,观察结果表明宇宙在加速膨胀.超新星即爆炸中的恒星,它的亮度是几十亿颗太阳亮度的总和.特殊的一类超新星是IA 类型的超新星,它们具有相同内禀的光度.我们肉眼所感觉到的光度表示着它离我们的距离.就像两根蜡烛,它们的光度一样,但离我们近的就会显得亮些,离我们远的就会显得稍微暗些.测定超新星的亮度,可以用来判断宇宙膨胀的速率.这是因为这种超新星的内禀光度 是近似均匀的,在宇宙减速膨胀中诞生的星体,其发出的光到达地球时,该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近,因而地球上的观测者会发现其光要比预计中更亮.同理,在宇宙加速膨胀中诞生的星体,其发出的光到达地球时,该星体和地球之间的距离由于膨胀加速的原因要比预计的远,因而地球上的观测者会发现其光要比预计中更暗.其后,利用哈勃太空望远镜和其他地面观察仪器对更多超新星观察(300多个)表明,宇宙的膨胀很可能经历一个先减速、后加速的过程,这个重大的转变大约发生在70亿年前.宇宙膨胀加速的过程证明宇宙中确实存在负引力,它的作用表现为排斥力.这里产生负引力的能量称为 暗能量 .如图1所示. 第24卷第10期大 学 物 理V ol.24No.10 2005年10月COL L EGE PHYSICS O ct.2005

宇宙加速膨胀世纪天澜假象-刘叙义

宇宙加速膨胀世纪天澜假象 宇宙大爆炸学说与暗能量学说 是宇宙加速膨胀假象推出的荒诞理论 刘叙义2020年11月声源相对人的位置前后做快速（声速以内）运动，人耳听到的声波频率（声调）也有相对变化反应，十九世纪奥地利物理学家天文学家多普勒发现了这一现象，这就是著名的“多普勒效应”。光也是波应该也有光波的多普勒效应，光源相对人的位置前后做快速（光速以内）运动，人眼看到的光波频率（颜色）也应该有相对变化反应。 1929年,E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度V与距离d成正比例,即：V = H 0×d。数值 H 为71 ± 4 km s Mpc，在2006年又修正为77 km s Mpc。 这个关系式也称“哈勃定律”，是关于宇宙星系运动的权威理论。这条定律 是哈勃和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后，于1929年首先公式化，被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据，经常被援引作为支持宇宙大爆炸的一个重要证据。随着哈勃定律的提出，宇宙膨胀的观念逐渐确立。 物理学家索尔·珀尔马特(加州大学伯克利分校)、布莱恩·施密特(澳大利亚国立大学)与亚当·里斯(约翰·霍普金斯大学)"透过观测遥远超新星而发现了宇宙加速膨胀"，共同荣获2006年邵逸夫天文学奖与2011年诺贝尔物理学奖。 哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的，从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。 哈勃定律百年来成为观测研究宇宙星系运动的主流理论，与光的多普勒效应配合，成为权威的天文理论，现在还能质疑它的正确性吗？ 宇宙星系的星光越远越红的天文观察，比照声音的多普勒效应移植到光线里来，推出这是光线的多普勒效应，推出遥远星系都是背离我们地球做分离运动，并且距离越远退行速度越快。把星系光谱的红移原因认定多普勒效应，由此从时间往前推出了宇宙大爆炸学说，从空间往外推出了宇宙外围存在暗能量学说。 宇宙大爆炸理论成为目前解释宇宙起源的主流理论，它描述我们身处的这个宇宙是由一个无限微小奇点爆炸产生，生成宇宙万物生出万亿星系，宇宙以指数规律加速膨胀，星系之间相互分离，并且分离速度越来越快。

宇宙与发现答案

宇宙起源与大爆炸学说（两讲）单元测试 返回 本次得分为：10.00/12.00, 本次测试的提交时间为：2017-11-13, 1 ( ? ?)较正确地反映了太阳系的实际，为以后开普勒总结出行星运动定律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路，从根本上动摇了“人类中心论”的神话。 ? A. 广阔恒星世界的发现 ? B. 托勒密的地心说 ? C. 哥白尼的日心说 ? D. 银河的系发现 2 1718年，（? ?）将自己的观测数据同1000多年前托勒玫（Claudius Ptolemaeus，约90-168）时代的天文观测结果相比较，发现有几颗恒星的位置已有了明显变化，首次指出所谓恒星不动的观念是错误的。 ? A. 勒维特 ? B. 斯特鲁维 ? C. 哈雷

? D. 哈勃 3 类星体、恒星、行星及生命出现的年代大约距大爆炸的起点时刻（?）。? ? A. 120亿年 ? B. 100亿年 ? C. 1亿年 ? D. 10亿年 4 根据目前的观测与对哈勃常数的计算，宇宙的年龄大约（?）。 ? A. 137亿年 ? B. 200亿年 ? C. 180亿年 ? D.

150亿年 0.00/2.00 5 目前所知的“宇宙大爆炸”理论的最强有力的证据是（? ）。 ? A. 古老恒星的年龄 ? B. 星系光谱的普遍红移 ? C. 轻元素的丰度 ? D. 宇宙微波背景辐射 6ccc 迄今所知，整个宇宙中真实可见的重子物质约占宇宙总体的73%以上，而人类一无所知的暗物质和暗能量却只占了不足27%。 ? A. ? B. 宇宙起源与大爆炸学说（两讲）单元测试 返回 本次得分为：10.00/12.00, 本次测试的提交时间为：2017-11-13, 1 ( ? ?)较正确地反映了太阳系的实际，为以后开普勒总结出行星运动定律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路，从根本上动摇了“人类中心论”的神话。 ?

宇宙中各种神奇的现象大盘点

宇宙中各种神奇的现象大盘点 宇宙有很多东西都会让我们发现到更加多的不解问题，而关于宇宙的一切，相信很多科学家都在因此在不断的探索。下面是分享的太空中神奇现象，一起来看看吧。 冥王星上的冰比钢铁还要坚硬 冥王星，因为距离太阳最远，所以也是太阳系里最冷的天体。最低温度可降到华氏-390度。毋庸置疑，冥王星的表面全是冰，但是它跟地球上的冰还是有一点点区别的。因为极度的寒冷冥王星特别僵硬，事实上它比钢铁还要坚硬。 天比年长 众所周知，地球绕地轴一周是一天的时间，绕地球一周是一年的时间。每一个行星这样运转所需要的时间是不同的。一个诡异的事实是金星需要243个地球日才能绕自己的轴运动一周，但是围绕太阳却只需要225个地球日。在新的一天来临之前，一年已经过去了。 在太空里暴露肌肤会出现什么情况 人的肉体直接暴露在太空中会发生什么状况是个谜。官方的的理论是当你在太空里待上90秒以后，许多东西会伤到你的肉身。首先，太空中的气体会像刺一样膨胀，形成的气泡可以立刻让人毙命。身体里的水会汽化，嘴巴和眼睛里的水分会沸腾，肌肉里的水分则会蒸发导致膨胀。失明、冻掉鼻子、皮肤会烧伤。有趣的是，心脏和大脑还

会继续工作90秒钟。理论上来讲，在后九十秒钟以前吸一些液压氧气会让轻伤完全恢复。 地球的重量 地球的重量不是一成不变的。虽然科学家在确切的重量上还达不成一致，但是他们都同意地球因为有陨石、大气灰尘和彗星星尘每一天都在变重。据说每一年地球的重量都会增加10000-100000吨。 在太空呆着会长个儿 当一个人在太空中的时候他会长个儿。在地球上的时候，脊椎会因为重力而被压缩。但是当一个人在真空的太空中时，脊椎会尽最大可能变长。每一个宇航员在太空中大约会长2英尺。 心脏会变 除了脊椎以外，人的心脏也会改变一些才能适应太空的环境。根据太空生物学家的说法，心脏会变小，抽送的血液也会变少。当一个宇航员处于一个重力比较小的环境时，血液会从较低的部分流向心脏和大脑，这会让心脏暂时变大。这会导致血容量变大，多余的液体会以尿液的形式排出体外。但是这时心脏也会变小，抽送的血液也会变少。这就是许多宇航员回到地球以后会头晕的原因。 盘点宇宙神秘现象该领域最权威的两大专家、物理学家安德烈-林德和阿兰-古思认为，即便存在其他的宇宙，也是在离我们非常遥远的空间，我们永远不会与其发生接触;他们的同行保罗-J-斯坦哈特和尼尔-图罗克择坚持认为平行宇宙存在于不同的时间点;而马克斯-特格马克和已故科学家丹尼斯-夏默则认为其他的宇宙与我们所在的

2019年精选华师大版科学九年级下册第一章 宇宙的起源3 恒星的一生课后辅导练习【含答案解析】第五十三篇

2019年精选华师大版科学九年级下册第一章宇宙的起源3 恒星的一生课后辅导 练习【含答案解析】第五十三篇 第1题【单选题】 在恒星的演化过程中不可能形成的是( ) A、行星 B、中子星 C、黑洞 D、红巨星 【答案】： 【解析】： 第2题【单选题】 人们对事物的认识常需经历一个不断修正和发展的过程，人类对宇宙的探索和认识也是如此。根据已学知识，下列有关观点中你认同的是( ) A、太阳表面没有大气层 B、宇宙在不断地膨胀 C、地球是宇宙大爆炸的中心 D、恒星就是永恒存在的星球 【答案】： 【解析】：

第3题【单选题】 夜晚，我们肉眼看到的最亮的星中，许多都属于同一类恒星，如猎户座的参宿四、金牛座的毕宿五、牧夫座的大角、天蝎座的心宿二等著名的星。实际上，它们都有共同的特点：体积特别大，而且呈红色。据此推断它们可能是( ) A、白矮星 B、中子星 C、黑洞 D、红巨星或超红巨星 【答案】： 【解析】： 第4题【单选题】 下列有关恒星的说法正确的是( ) A、“白矮星”相当于太阳的中年阶段 B、“恒星”即“永恒不变的星”，它在宇宙中的位置和形状都是固定的 C、恒星离我们实在太遥远了，以至于恒星在天空中的变动我们很难察觉 D、远处观察者能够看到来自黑洞的光，因此天文学家能够测出黑洞的存在 【答案】： 【解析】：

第5题【单选题】 2011年的诺贝尔物理学奖被授予三位天体物理学家，以表彰他们通过观测遥远的超新星而发现了宇宙在加速膨胀这一卓越成果。超新星的热核爆炸代表了这颗恒星演化到了哪个阶段？( ) A、诞生期 B、死亡期 C、存在期 D、任何时期都可能 【答案】： 【解析】： 第6题【单选题】 2011年的诺贝尔物理学奖被授予三位天体物理学家，以表彰他们通过观测遥远的超新星而发现了宇宙在加速膨胀这一卓越成果．超新星的热核爆炸代表了这颗恒星演化到了哪个阶段？ A、诞生期 B、死亡期 C、存在期 D、任何时期都可能 【答案】： 【解析】： 第7题【单选题】

宇宙的膨胀速度

宇宙总质量正负解和宇宙加速膨胀 ——兼回答暗能量为什么存 亦民科 [摘 要] 宇宙总质量M C 有正、负解，M C =±(c 3/2H O G ）。其中的正质量有一部分 通过形成黑洞的方式转化成了负质量，使正、负质量在数量上失去了平衡。负质量有负能量、负体积、产生斥力，驱动宇宙加速膨胀；暗能量就是负质量所具有的能量；在观测事实的基础上，预言了宇宙中大约有26%的正质量转化成了负质量。 [关键词] 宇宙总质量 正、负质量 黑洞 负能量 宇宙加速膨胀 0 引言 面对已被观测确证的宇宙正在加速膨胀的事实，人们企图用宇宙常数λ给出解释。当把λ视为量子真空能时，则λ的理论值将比观测值大120个量级[1]。本文用宇宙总质量有正、负解的定性和定量结果，否定了“120个量级“带来的困扰，推出了宇宙必然加速膨胀的结论。 1 哈勃常数和塌缩宇宙的总质量 宇宙的临界密度ρc 定义为 ρc =G H π832 0 （1） H 0——哈勃常数，G ——引力常数 现假定宇宙一个典型的区域，其体积为V ，内含质量M C ，则这个区域的平均密度 ρ0为 ρ0=V M c （2） 再进一步假定这个区域塌缩成黑洞，则体积V 是 V= 4 πR g 3 （R g ——引力半径） （3） 3 将（3）代入（2）得 ρ0= 3M C （4） 4πR g 3 令ρ0=ρc ，即令（4）=（1），化简得：

M c = H 02 R g 3 2G R g 可表为 R g =2 2c GM c （6） 将（6）代入（5）化简得 M c =2 2064G H c =±G H c 03 2 （7） 宇宙总质量由H 0、G 、c 三个常数决定并有正、负解是耐人寻味的。 取 H 0=150公里/（秒·1千万光年）[2]（需化成CGS 制） G=6.67×10-8厘米3·克-1·秒-2 c=3×1010厘米/秒 代入（7）算得 M C ≈±1.28×1056（克） （8） 相当于6.4×1022M ⊙的质量(M ⊙≈2×1033克) 致于M C 为什么是宇宙的总质量,不再给出解释。 从(7)式可知:若宇宙是静态的(H 0=0),则M C 将为±∞。故当H 0＞0，（7）式可视为 塌缩宇宙总质量有限的证明。 以上是笔者十年前写的一篇短文[3]，十年后又有新的理解，故将该文摘要抄出，作为论证宇宙加速膨胀的理论根据。致于如何从宇宙的塌缩模型推出宇宙必然加速膨胀的结论，本文将给出逻辑证明。 2 宇宙总质量有正、负解与具体的宇宙模型无关 采用宇宙的塌缩模型，M C 有正、负解；张邦固[4]也曾计算了宇宙的总能量，他的 结果表为 M=22 53Rc GM +Kc -2+M 0 （9） M 也有正、负解。但文[4]的计算方法和采用的宇宙模型与笔者完全不同，这说明M 有正、负解与具体的模型无关，它是宇宙的一个内禀型性质。文[4]的定量结果是 （5）

尔雅星海求知：天文学的奥秘

星海求知：天文学的奥秘苏宜 《星海求知：天文学的奥秘》期末考试（20） 成绩：100.0分 一、单选题（题数：50，共50.0 分） 1以下关于哈勃关系的陈述，不正确的是（）。1.0 分 A、 哈勃常数的单位是1/s B、 天体不分远近，退行速度一样 C、 越远的天体退行速度越快 D、 退行速度由测量光谱线的红移而算出 我的答案：B 2仅根据维恩公式，对一颗恒星进行分光光度测量，就可以间接获得它的（）。1.0 分A、 表面温度 B、 光谱型 C、 质量大小 D、

与太阳系的距离 我的答案：A 3哈勃星系分类中，形状最不规则的一类的表示符号是（）。1.0 分 A、 E B、 S C、 SB D、 Irr 我的答案：D 4美国官方和军方终止对UFO的兴趣和调查的年代是（）。1.0 分 A、 1940年代 B、 1950年代 C、 1960年代 D、 1970年代 我的答案：C 5中国古人记载的公元185年超新星爆发的文字中，有可能反映了恒星化学组成的变化的语句是（）。1.0 分

A、 客星出南门中 B、 大如半筵 C、 五色喜怒 D、 至后年六月消 我的答案：C 6古代历法定制最大的意义是指导农业生产，因此其最依赖的天体是（）。1.0 分A、 太阳 B、 月亮 C、 五大行星 D、 彗星 我的答案：A 7天文单位指的是（）与太阳的平均距离。1.0 分 A、 地球 B、

月球 C、 水星 D、 冥王星 我的答案：A 8按比例把太阳缩小到芝麻、绿豆的尺寸，则太阳与比邻星相距40km，从而可知太阳直径与太阳-比邻星间距离这两个长度相差（）个数量级。1.0 分 A、 6 B、 7 C、 8 D、 9 我的答案：B 9太阳周年视运动方向是（）运动的反映。1.0 分 A、 地球自转 B、 地球公转 C、 月球公转

天文学中的暗物质和暗能量问题之由来和困惑_图文(精)

天文学中的暗物质和暗能量问题之由来和困惑武向平? (中国科学院国家天文台 北京 100012 2015-05-19收到 ?email :wxp@https://www.wendangku.net/doc/ce18391449.html, DOI :10.7693/wl20150610 1宇宙起源

今天的宇宙学研究早已经冲破了“九重天” 的空间尺度和“七天创世纪”的宗教信仰,21世纪的宇宙学已经是最精密的自然科学之一。 为现代宇宙学研究带来革命性进展的天文学家无疑是哈勃,他在1929年发现了银河系周围星系的退行速度与其相距银河系之距离成正比。此观测事实给了后来的物理学家伽莫夫以启示:既然所有的星系都彼此相互远离,那么若沿着时间的长河逆向追溯,它们就必将在有限的时间里汇聚在一起;反之,若沿着时间发展的箭头,宇宙则就像发生过一次爆炸一样,从致密高温的状态膨胀散开。1948年,伽莫夫成功地预言了宇宙大爆炸的“火球”膨胀至今遗留下的温度应为50K (1956年修正为6K,并锁定在微波波段。而在1965年,两位Bell 实验室的工程师Penzias 和 Wilson 无意间得到了震惊世界的发现,尽管他们当时并未意识到所获得的与方向无关的天空噪声就是宇宙大爆炸的遗迹。虽然星系的退行和大爆炸火球的发现及其高度的各向同性,的确给宇宙大爆炸学说奠定了最坚实的观测基础,但人们很快就意识到,一个高度各向同性的大爆炸火球并不是人们所期望的。今天,浩瀚的宇宙中充满了以星系为基本单元的成员,它们并非均匀地分布于宇宙空间中,而是形成了有规则的结构:既有成千上万星系组成的“长城”,也有空空如也的“空洞”。一个过于均匀的大爆炸火球作为“种子”是无法形成我们今天所看到的有结构之宇宙。所以,大爆炸的遗迹(今天称之为宇宙微波背景辐射被发现后,人们就一直致力于寻找它上面是否存在不均匀的成分。终于,1992年由George Smoot 领导的一个小组借助于COBE 卫星发现了大爆炸火球上的十万分之一的温度起伏,且这些起伏正是人们期望看到的造就今天宇宙万物的“种子”!随后,诸多宇宙微波背景辐射探测卫星如WMAP 和PLANCK 以及南极的大量天文 实 科学家沙龙

宇宙中的暗物质和暗能量

课程论文 (科研训练、毕业设计) 题目：宇宙中的暗物质和暗能量 姓名：xxxxxxx 学院：化学化工学院 系：化学 专业：化学 年级：大一 学号：xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxx

宇宙中的暗物质和暗能量 摘要文章对暗物质粒子的候选者和宇宙中暗能量的研究现状作一简单介绍. 关键词暗物质,暗能量,粒子宇宙学 正文2003 年,W ilkinson 微波背景各向异性探测器(WMAP) 、Sloan数字巡天( SDSS)和最近的超新星( SN)等天文观测以其对宇宙学参数的精确测量,进一步强有力地支持了大爆炸宇宙学模型. 这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就. WMAP的结果告诉我们,宇宙中普通物质只占4% , 23%的物质为非重子暗物质, 73%是暗能量, SDSS也给出类似的结果. 从物质基本结构的观点出发,普通的物质,如树木、桌子以及我们人类本身,是由分子、原子构成. 然而分子、原子不是最基本的,目前已知的基本粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子. 什么是暗物质呢? 暗物质是不发光的,但是它有显著的引力效应. 比如,对于一个星系考虑距其中心远处的旋转速度,如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话,由牛顿引力定律可知,距离中心越远,速度应该越小. 可是天文观测事实不是这样的,这就说明当中有看不见的暗物质. 目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质. 中微子是一种暗物质粒子, 但WMAP和SDSS的结果说明,它的质量应当非常小,在暗物质中只能占微小的比例,绝大部分应是所谓的冷暗物质. 它们究竟是什么目前还不清楚. 理论物理学家猜测,至少有两个可能性,一个是轴子( ax2ion) ,另一个是中性伴随子( neutralino). 另外还有额外维空间理论中最轻的KK ( Kaluza - Klein)粒子.近年来,为了解决冷暗物质在小尺度上可能的疑难而提出了相互作用暗物质[ 1 ] 、温暗物质等. 轴子是由罗伯特·派切(Roberto Peccei) 和海伦·奎因(Helen Quinn)为解决强相互作用中的电荷共轭-宇称(CP)破坏问题而引进的. 中性伴随子是超对称理论中的最轻的超对称伴随子,它是稳定的,在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来. 另外,这种暗物质粒子也可由一些超重粒子或宇宙相变过程产生的一些拓扑缺陷(如宇宙弦)衰变而产生[ 2 ] .目前世界各国科学家,例如中国和意大利科学

基于观测对宇宙学模型及暗能量相关问题的研究

基于观测对宇宙学模型及暗能量相关问题的研究大爆炸(Big Bang)宇宙学被认为有三大实验基石：Hubble膨胀,原初核合成和宇宙微波背景辐射(CMB)。在这三大实验事实之上,基于宇宙学原理和广义相对论,标准宇宙学模型便基本建立了起来。 一方面,它给出了一个随时间演化的均匀各向同性的背景宇宙,背景宇宙的演化由尺度因子来描述,尺度因子的演化遵守Friedmann方程。另一方面,现代宇宙学认为真实的宇宙是一个存在扰动的宇宙：宇宙的时空存在微小的不均匀性,宇宙中的物质分布存在结团性。 一个在背景之上存在微小涨落的宇宙可以通过线性扰动理论来描述。今天宇宙中如此多复杂结构的存在都是原初宇宙的密度扰动由于引力不稳定性演化而形成的,而原初宇宙的密度扰动的产生可以用暴涨理论给予解释。 暴涨理论认为,极早期的宇宙是高度的均匀各向同性的。在能标大约 1015GeV时候,宇宙经历了一次十分短暂的加速膨胀过程。 在此期问的产生的微观尺度上真空量子涨落被迅速拉出视界,从而在宏观尺度上冻结成为了经典的原初扰动。随着观测设备的改善和观测技术的提高,目前宇宙学的研究已经进入了精确时代。 精确时代的宇宙学研究体现在能够利用较精确的宇宙学观测数据实现对宇宙学模型参数的较精确测量。在这个阶段,观测宇宙学取得了一系列进展。 其中十分有意义的有两件事：a.1998年利用较远的Ia型超新星数据(SNIa)确定了宇宙在加速膨胀,这暗示了暗能量的存在；b. COBE之后的两代CMB各向异性测量卫星WMAP和Planck精确的给出了宇宙背景微波辐射涨落的角功率谱,这使得我们可以细致的对宇宙早期的物理过程进行研究。目前来自宇宙微波背景

我 看 元 宇 宙

关于虚物质的设想和思考 李友松1 石益祥 2 （1. 哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001； 2. 浙江海洋学院，浙江 舟山 316004） 摘要：回顾了虚物质概念的提出过程，并从对立统一角度再次提出（纯）虚物质概念。给出了虚物质的基本特性，并用科学的事实论证了虚物质的存在。叙述了虚物质概念的基本涵义，找出了相对论和量子力学的适用范围，并提出了协调相对论和量子力学的方法。 关键词： 实物质 虚物质 虚数 非定域性 超光速 相对论 中图分类号：N031 宇宙——物质的系统是一个对立统一体，复数系统也是一个对立统一体，两者有着对立统一的相似[1]。 人们已从物理学的发展史发现，对于经典物理学“实数就是一切”，而对于现代物理学则“离不开复数”。 从两个对立统一体的相似，我们推出了结论 “实数是空间的数量关系，纯虚数是时间的数量关系，复数则是时空的数量关系”。[2]这是复数关于时空的本体论意义，而复数关于物质的本体论意义是，复数系统是物质系统的对立统一影子。 从两个对立统一体的相似进一步推出以下结论：第一，复数系统有实数和纯虚数的对立，物质系统应该有实物质和虚物质的对立；第二，数系因引入虚数而得以完备，物质系统也应该因引入虚物质而完备；第三，虚数的引入解决了许多在实数范围内解决不了的问题，如代数基本定理等，同时也使数学理论变得简单和完美，虚物质概念的引入也将能够解决当今物理学存在的许多谜一样的基本问题，如相对论和量子论的协调问题；亚光速和超光速的对立，或局域性和非局域性的对立问题等等，同时也将使物理理论变得简单和完美。 然而，人类习惯于将自己的思维方式局限在实的、可见的、可测的物质上，而对虚的、不可见的、不可测的物质很少表现出兴趣。虽说虚物质概念已在六十年代引入了，但迄今为止，很少有人注意、研究它，更不用说用它去解决实际问题了。 科学界这种重实轻虚的倾向，造成了物理学对物质的研究总是囿于实的局面。事实也确实如此，相对论研究实物质的运动，量子论的波函数虽然是复变函数，但至今仍用实物质的东西作解释，如对波函数)sin()cos(),(t kx i t kx t x p ωωψ-+-=最新解释：虚部表示看不见的实的平面波。[3] 同时，实物质概念缺少了对立方，造成了物质系统的概念体系的不完备，使得人们无法运用对立统一这个根本规律去思考问题，从而使当今科学留下了许多谜一样的问题。 1虚物质概念的提出 虚物质概念可以溯源到科学家们对光速最大结论提出的挑战。Eienstein 在论文“论动体 的电动力学”[4]中对公式因子221c v -加了一个人为限制：不允许其取纯虚数值，于是 得到c v ≤，光速最大了；如果允许公式因子取纯虚数值，那么应有c v >，光速就不是最

暗物质与暗能量在现代物理学中的意义

暗物质与暗能量在现代物理学中的意义 《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：２ ８．宇宙中的暗物质是由什么粒子构成的？ 美籍华人著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道把“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”、“暗物质问题、暗能量问题”、"类星体的发能远远超过核能，每个类星体的能量竟然是太阳能量的1015倍"、“夸克禁闭”称为是21世纪科技界所面临的四大难题.“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命.” 现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量.但是它们的起源仍然是个谜.我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%，各种测算方法都证实宇宙的大部分是不可见的.要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据说明，事实并非如此.正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和粒子物理学家开始合作，最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子：neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据认为这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来. 杨振宁讲：“所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的…… 假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话，他应该去学习天文物理学.” 在新世纪之初，美国国家研究委员会发布研究报告，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题，并同时建议美国政府的研究机构加强协调，集中资源为这些难题寻找答案.这份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告，是由19位权威物理学家和天文学家联合执笔.科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重.“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”，在报告所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位. 李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命.” 李政道指出：“20世纪初的大问题是太阳能的来源；21世纪初的大问题是暗能量的来源”，“了解暗物质和暗能量，是人类在21世纪科学的大

[VIP专享]宇宙加速膨胀完整图文解读

宇宙加速膨胀完整图文解读 Steed发表于 2011-10-06 “有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰……” 宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。 即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象，就好比是把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。

[世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速 度是越来越慢的。但最终，它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的，这种暗能 量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显 著。] 宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分 崩离析。这种所谓的“暗能量”（dark energy）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以难怪，当两个不同的研究 团队在1998年公布相似的结果时，宇宙学的根基被撼动了。 索尔?佩尔穆特（Saul Perlmutter）领导着其中一个团队，即1988年启动的“超新星宇 宙学项目”（Supernova Cosmology Project）。布莱恩?施密特（Brian Schmidt）领 导着另一个团队，即1994年启动的“高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team）展开竞争，亚当?里斯（Adam Riess）在其中起到了至关重要的作用。 两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星，展开了绘制宇宙“地图”的竞赛。通过确 定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度，科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。

2019天文竞赛试题共27页

2013年“开信杯”广东省第九届中小学生 天文奥林匹克竞赛试题（高年组） 注意事项： 1、本卷为闭卷考试，请答卷人按照自己的真实水平独立完成。在监考老师宣布考试结束时应停止答卷。交卷时只须将答题卡交回。 2、选择题全部为单项选择，选择一个最接近正确的答案，答错不扣分。用2B铅笔将答题卡上相应的答案选框涂黑涂满，并用钢笔或签字笔在答题卡上写上姓名、学校、考号等信息。切勿用钢笔、圆珠笔或自动铅笔涂答题卡，以免影响成绩。答题卡采用机器阅卷，由答卷人填涂答题卡失误或不规范造成的失分由其本人承担。 3、总分100分，每题2分，考试时间90分钟。 4、比赛结果将在广东天文学会网站https://www.wendangku.net/doc/ce18391449.html,公布。 Part 1 天文热点 1. 这是一则今年@央视新闻微博发布、后被广泛转载的天象预报： “【六月最浪漫的时间表】6月13日和21日，我们光用肉眼就能看到水星！水星可是400多年前哥白尼一生都未见过的行星，极难观测。6月23日，超级月亮将美到窒息！16日和27日分别是天琴座和牧夫座流星雨，后者据说每小时上百颗，听上就很诱人有没有！如此美好的初夏夜空，你期待吗？” 这则信息中最符合实际情况的是（ D ） A. 关于水星的描述 B. 关于超级月亮的描述 C. 关于流星雨的描述 D. 都不符合实际 2. 2013年3月21日，普朗克研究团队公布了普朗克天文卫星的观测结果。结合WMAP 卫星等的观测数据，测得现今最精确的宇宙学参数。关于其成果，下面哪一项不正确( D ) A. 宇宙年龄约138亿年 B. 现在的哈勃常数为67.8km/s/Mpc C. 正常物质、暗物质、暗能量约占宇宙总能量的4.9% 、26.8% 、68.3% D. 宇宙膨胀速度有减慢趋势

宇宙中的名词解释

宇宙中的名词解释 宇宙 四方上下为之“宇”指的是空间；古往今来为之“宙”指的是时间。那么“宇宙”指的就是我们说的时空。也可以说是“天地万物总称”。 1、宇宙是时间和空间的总和，是由各种形态的物质构成的，是在 不断运动变化的。就是天地万物的总称。 2、宇宙是无限的，但是人类所能认识到的宇宙却是有限的。目 前，人类所能观测到的最大宇宙范围为150亿光年，这样的宇 宙，在空间上有边界，时间上有起源。 天体 1、天体是宇宙间物质存在的形式，宇宙间的天体都在运动着，运动着的天体因互相吸引和互相绕转，从而形成天体系统。万有引力和天体的永恒运动维系着它们之间的关系，组成了多层次的天体系统天体系：总星系（指的是我们利用现在的设备，所能观测到的空间尺度，大约在150亿—200亿光年）——超星系团（若干星系团集聚在一起构成的更高一级的天体系统，通常在一个超星系团内只含有2～3个星系团。）——星系团或星系群（通过大望远镜已经发现了上千亿个星系，它们并不是孤立地分散在宇宙之中，而是聚集起来形成一个个集团，由星系、气体和大量的暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统就是星系团）。——恒星系（银河系和河外星系，由无数本身能发光发热的天体（及恒星）所组成的集合体。恒星系或

天体类型比较表

宇宙的认识和组成：美国匹兹堡大学斯克兰顿博士领导的一个多国科学家小组宣布，他们借助美国“威尔金森微波各向异性探测器”简称WMAP）的观测数据（观测宇宙微波背景辐射的微小变化），发现了暗能量存在的直接证据。作为“大爆炸”的“余烬”，宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生，其中的光子在宇宙中穿行时会经历一系列物理过程，特别是在经过质量较大的星系时，这些光子将遭遇“引力陷阱”。探测结果显示，宇宙年龄约为137亿年，宇宙由23％的暗物质，73％的暗能量，4％的普通物质组成。宇宙中所占比例最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的，至今仅知道它们存在着，但还不清楚它们的性质。 暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5％左右)。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。 暗物质存在的证据——大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高

宇宙加速膨胀与天文观测_廖恺

宇宙加速膨胀与天文观测 廖?恺?朱宗宏 （北京师范大学天文系 100875） 一、背景介绍 宇宙加速膨胀深刻地影响了现代宇宙学研究，同时对于基础物理也提出了重大的挑战。它的发现荣获了2011年的诺贝尔物理学奖。在理论上，它与基础物理的统一紧密相连，为理论物理学家带来了机遇和挑战；在观测上，越来越多的项目投入到它的研究中来，观测技术、测量方法各方面都蓬勃发展。宇宙加速膨胀问题或者是暗能量问题不仅仅让人们重新认识宇宙演化历史，它也关系到宇宙的最终宿命。 宇宙加速膨胀的相关历史可以追溯到爱因斯坦提出广义相对论的时代。1917年爱因斯坦在创立著名的场方程时考虑到了引力在宇宙尺度上的影响。结合当时的天文观测资料，他认为所有的天体都在进行各自的本动，它们的平均状态是维持静止的，即宇宙是静态的。因此，有必要在场方程中引入一个常数，即宇宙学常数Λ来给出一个静态的有限的宇宙学模型解。然而在1929年，天文学家哈勃观测到了星系“发红”效应，即观测到的辐射谱线波长变长。我们令观测波长与发射时的波长比为1+z 。根据多普勒效应，红移z 是星系速度和光速的比：z v /c 。这种红移现象表明所有远距离天体正在离我们远去。另一方面，天体物理的研究表明，星系中的造父变星的绝对亮度可以通过测量光变周期得到，进一步通过测量变星的暗弱能够得到这些星系离我们的距离。这就好比已知蜡烛的亮度，观测到它的暗弱明亮表明了它离我们的远近。在这个原理下，哈勃也测量了这些星系到我们的距离并且注意到了星系相对我们的退行速度随着离我们距离的增大而增大，并把这一结论以哈勃图的形式给出。这一现象正是膨胀宇宙的表现。随后爱因 斯坦放弃了宇宙学常数，并且称引入这个常数是犯下的最大错误。值得一提的是，宇宙学常数在历史上被排除和重新引入了几次。在哈勃发现宇宙膨胀后，宇宙学家们都努力尝试测量膨胀速度是怎样减慢的。因为当时认为一般物质产生引力的吸引作用会使得这种膨胀速度减慢。人们甚至定义出了一个减速因子q 0来刻画膨胀速度变慢程度。 在20世纪末，人们对一种特殊的恒星演化阶段，即超新星爆发，有了很深入的研究。超新星爆发是指某些恒星在演化晚期所经历的一种剧烈的爆炸，它的亮度甚至可以和整个星系发出的光相比。特别地，一种分类为Ⅰa 型的超新星，由白矮星吸收其伴星质量达到钱德拉塞卡极限后发生坍缩爆炸，其光度几乎恒定，可以当作所谓的“标准烛光”。1998年，两个独立的团队观测到了比预期要暗弱的Ⅰa 型超新星，由此揭示了我们的宇宙正处在加速膨胀的状态，彻底地改变了人们对宇宙的认识。 宇宙加速膨胀的起源仍然是一个谜。根据广义相 图1 当前最为广泛接受的宇宙学模型ΛCDM ，即带有宇宙学常数的冷暗物质宇宙所给出的宇宙的演化历史 DOI:10.13405/https://www.wendangku.net/doc/ce18391449.html,ki.xdwz.2015.05.006

宇宙膨胀的原理

不连续时空观的探讨及发展 翟帅 摘要：目前国内研究的大多是爱因斯坦的四维连续时空，而本文的工作是以圈量子理论为主要依据，并进一步发展，使之成为描述时空特点的完善的理论。为什么时空总是和热力学产生那么多深刻的联系呢，因为能量是时空产生的原因，而热即是能量的一种。 关键词：不连续时空能量芝诺悖论圈量子理论 一、目前时空的理论 1、广义相对论 爱因斯坦的时空是四维的弯曲连续时空，在这个时空，没有直线。引力和电磁力都可以用时空弯曲来解释。毋庸置疑，这是天才的理论，它极其深刻的说明了引力和电磁力，使人类向大统一场迈了一大步。可以把爱因斯坦的时空模型比做一种流体，这样就直观的体现了爱因斯坦时空的特点，大质量的物体会引起超流体的局部变形，变形的程度取决于物质的质量。每次新的理论的产生，不是完全的否定过去，而是将原来的理论发扬光大。 2、弦理论 20世纪，物理学最恢弘的战斗发生在广义相对论和量子论之间，广义相对论在大的空间尺度、大的质量环境下体现出了它的正确性，而从微观角度，量子力学体现出了它的正确性，为了使这两个理论统一，物理学家们提出了弦理论，这个理论认为世间万物都是由微小的弦组成，吸引了大批物理学家并取得了一些成果，但是这仍然是一个不成熟的理论，弦理论预言的大量新的基本粒子和各种力并没有被观测到。 3、混沌分形理论

有人把混沌论、量子论、相对论称作21世纪最伟大的三个学说，混沌论产生于非线性空气动力学，后来发展到宇宙学领域，它认为空间是破碎的，是不确定的，在这个时空，甚至无法测量线段的长度。分维数的不断迭代产生拉压，折叠，扭曲产生了时间和空间，它指出了时空的不连续特性，但是这个理论并不能说明时间和空间的本源。 4、圈量子理论 一些新锐的科学家，在那些经过实验检测的结论上，利用自创的数学语言，几位科学家经过计算发现，时空是量子化的，或者说是离散而非连续的，时间和空间是由极小的圈组成，圈之间的相互作用，形成了所谓的自旋网络，也就是说时空很像一堆泡沫。圈量子理论提出后，一些科学家对它进行了检验，发现广义相对论在某种上和圈量子理论很相似，此外，圈量子理论还可以很好地解释黑洞的一些现象。 二、这些理论的纰漏 1、无法解决的芝诺悖论 芝诺悖论最为著名的是阿基里斯和乌龟的赛跑，假设开始时乌龟位于前方的100米远处，而阿基里斯的速度是乌龟的一百倍。当阿基里斯跑了100米时，乌龟移动了1米，而阿基里斯再前进1米时，乌龟前进了1厘米，如此，阿基里斯永远追不上乌龟。尽管有些人号称用无穷积分可以解这个悖论，但事实上积分学本身就避开了这个悖论的逻辑，这个悖论在连续时空的前提下是无解的。 2、狭义相对论前提没有明确 狭义相对论的假设是在飞驰的火车上，而我们知道如果火车的速度没有达到光速，那么它只是在做相对运动，而相对运动可以看做静止，因此在飞驰的火车和静止的火车上并没有区别。之所以出现这个问题，是因为影响火车内时间和空间的因素不在于

万有引力定律在宇宙探索中的运用

万有引力定律在宇宙探索中的运用 宇宙探索是当前科学研究的重要前沿课题.宇宙究竟从何而来? 天体究竟如何演变? 占宇宙总质量90%以上的暗物质究竟是什么?人类对宇宙奥秘的探索从未停止过,随着宇 宙航行、宇宙探测等技术的发展,人类对宇宙的认识越来越深入.运用万有引力定律可以解决天体运动与宇宙探索中的许多热点问题,现举例如下: 一、宇宙的大小 例1已知物体在地球上的脱离速度v=■(第二宇宙速度),其中M 、R分别是地球质量、地球半径,万有引力恒量 G=6.67×10-11 N?m2/kg2.在目前天文观测范围内,物质的平均密度为10-27kg / m3,如果认为我们的宇宙是这样一个均匀大球体,其密度使得它的脱离速度大于光在真空中的速度c(光速c=3×108m/s),因此,任何物体都不能脱离宇宙,问宇宙的半径至少为多大? 解析:把宇宙视为一个普通天体,则质量是M=ρ?■πR3,其脱离速度v=■,据题意 v>c,由以上三式得R>c■,代入数据得:R> 4.01×1026m. 二、宇宙中的暗物质 宇宙中的暗物质是不能直接观测到的,暗物质来自于螺旋星系或星系团,它们绕自身中心高速旋转而没有飞散出去,

它们自身质量产生的引力是不能够把它们集合在一起的,其中必定存在着暗物质,它的吸引力足以把这些旋转的星系牢牢抓住. 例2现根据对某一双星系统的光学测量,确定该双星系统中每个星体的质量都是M,两者相距为L,它们正围绕两者连线的中点做圆周运动,若实验观测到双星运动周期为T′,双星实际运动周期为T,得T'∶T=1∶■(N >1).为了解释观测周期T′和双星运动周期T的不同,目前有一种流行的理论认为:在宇宙中可能存在一种望远镜观测不到的物质――暗物质.作为一种简化的模型,我们假定在以这两个星体连线为直径的球体内均匀分布这种暗物质,且不考虑其他暗物质的影响,试根据这一模型和上述观测结果,确定该星系间这种暗物质的密度. 解析:由观测结果得,星体的运动周期T′=■T

科学家找到宇宙加速膨胀新证据.doc

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/ce18391449.html, 科学家找到宇宙加速膨胀新证据 作者：毛磊 来源：《发明与创新(学生版)》2005年第02期 英美天文学家借助美国宇航局“钱德拉”X射线天文望远镜进行观测，找到了宇宙在距今60亿年前开始加速膨胀的新证据。 天文学家们利用“钱德拉”望远镜对26个遥远的星系团进行了观测，其中每个星系团包含着数百个星系以及大量超高温气体。观测星系团发出的x射线使天文学家得以确定热气体和暗物质在每个星系团中所占的比例。他们随后经过一系列推算得出星系团与地球的距离，并将其与理论假设的推算结果进行比较，最终发现宇宙大概在60亿年前从减速膨胀转而开始加速膨胀。 从1998年开始，其他一些科学家分别通过观测超新星和宇宙微波背景辐射等发现了宇宙加速膨胀的迹象，并用暗能量来解释这一现象。暗能量据认为可以产生与引力相反的排斥力。英美天文学家观测的新结果与此前利用其他方法得出的结果基本吻合。天文学家们说，新结果意味着，观测星系团发出的X射线有望成为探测和研究暗能量的一种强有力的新方法。它不 仅可以用来对其他方法进行补充和独立验证，而月．找到的证据也更加直接。 英美天文学家将“钱德拉”望远镜和美宇航局“威尔金森微波各向异性探测器”的观测结果结合起来分析后，对宇宙的构成比例给出了新的估计。他们发现，宇宙中暗能量可能占到75％，暗物质为21％，剩下4％是可见物质。 “钱德拉”的新观测结果还显示，暗能量密度似乎不会随时间推移而发生快速变化，而是比较稳定，或者说与爱因斯坦所假设的“宇宙常数”相一致。但天文学家们对此并不能肯定。他们说，根据“钱德拉”的新观测分析结果，暗能量密度随着时间推移而增大的可能性也是存在的。有理论认为，暗能量的特性关乎宇宙的最终命运，如果暗能量能一直稳定存在，那么宇宙将会永远加速膨胀下去；而如果暗能量本身不稳定，强度不断增大或减小，那么宇宙可能最后会走向动荡的“大分裂”或“大坍塌”。