[理化生]现代宇宙学进展-赵超先.ppt

现代宇宙学进展 南京晓庄学院赵超先 1 2011年诺贝尔物理学奖2 现代宇宙学3 暗物质和暗能量4 宇宙学与粒子物理 德国哲学家康德说过 世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵 一件是我们心中崇高的道德准则 另一件是我们头顶上灿烂的星空 最近10年 天体物理与宇宙学领域巳经三次获得诺贝尔物理学奖 是物理学最活跃的领域之一 2002年诺贝尔物理学奖 表彰的另一项成果与x射线有关 美国科学家里卡尔多 贾科尼领导研制了世界第一个宇宙x射线探测器 爱因斯坦x射线天文望远镜 这一探测器于1978年进入太空 它首次提供了精确的宇宙x射线图像 在此基础上科学家获得了大量新发现 此外 贾科尼在世界上第一次发现了太阳系外的x射线源 第一次证实宇宙存在着x射线背景辐射 他还探测到了可能来自黑洞的x射线 表彰的一项成果是美国科学家里雷蒙德 戴维斯和日本科学家小柴昌俊在 探测宇宙中微子 方面取得的成就 诺贝尔奖委员会称戴维斯是20世纪50年代唯一一位敢于探测太阳中微子的科学家 戴维斯领导研制了一个新型探测器 在30年的探测中 他共发现了来自太阳的约2000个中微子 并证实了太阳是靠核聚变提供燃料的 2006年诺贝尔物理学奖 授予美国科学家约翰 马瑟和乔治 斯穆特 以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性 两名美国学者 根据1989年发射的COBE卫星测量结果进行分析计算后发现 宇宙微波背景辐射与绝对温度2 7度黑体辐射非常吻合 另外微波背景辐射在不同方向上温度有着极其微小的差异 也就是说存在所谓的各向异性 来自美国和澳大利亚的三名天体物理学家获得2011年诺贝尔物理学奖 以表彰他们因超新星的研究而对宇宙学的贡献 这三位科学家分别是美国加州大学伯克利分校教授索尔 佩尔马特 出生于美国而拥有美 澳双重国籍的澳大利亚国立大学教授布莱恩 施密特 以及美国约翰斯 霍普金斯大学教授亚当 里斯 一 2011年诺贝尔物理学奖 1998年 两个Ia型超新星 SN 小组发现了宇宙在加速膨胀 由此揭示了暗能量的存在 这一成果被美国Science杂志选为当年的世界十大科技进展之首 之后暗能量一直成为物理学界和天文学界关注的焦点 佩尔马特领导的一个研究小组于1988年开始研究超新星 施密特领导的研究小组于1994年也开始这一工作 里斯在施密特的小组中发挥了重要作用 评审委员会认定 3名获奖者所获研究结果改变了人类对宇宙的认识 将近一个世纪 一种公认看法是 宇宙正在扩张 是大约140亿年前 大爆炸 的结果 不过 发现宇宙扩张正在加速 令人惊异 诺贝尔物理学奖评审委员会评介 这3名获奖者 研究几十颗处于爆炸状态的恒星 即 超新星 发现宇宙正在扩张过程中 扩张速率不断加速 如果扩张继续加速 宇宙将以冰冻状态终结 另外 3人的研究 确认了最初由科学家阿尔伯特 爱因斯坦提出的一种理论 即他称之为 宇宙学常数 的理论 根据人们之前的物理学认知 宇宙不可能是加速膨胀的 因为人们知道的宇宙中的物质是引力性的物质 即宇宙在大尺度上只能是相互吸引 已知的四种力 电磁力 弱力 强力 引力 只有引力是长程力 且不能相互抵消 所以宇宙大尺度上 引力占主导地位 所以要么收缩 要么减速膨胀 不可能加速膨胀 所以宇宙加速膨胀的发现将极大改变人们对宇宙的认知 目前研究很火的 暗物质 和 暗能量 就是人们认为导致宇宙加速膨胀的神秘物质 暗能量的性质将决定我们宇宙演化的未来 同时 暗能量的研究也必将推动物理学的发展 二 现代宇宙学 1 爱因斯坦的广义相对论与宇宙模型 爱因斯坦1915年发表了广义相对论 1917年就将之应用于宇宙学的研究 提出了 无限 有边 静态 的宇宙模型 爱因斯坦的宇宙常数 在提出 无限 有边 静态 的宇宙模型时 已经感到宇宙不稳定 有引力收缩的趋势 他特别在引力场方程中增加了一个反引力的排斥项即 宇宙常数项 以抵消这种收缩的趋势 视频 静态宇宙模型 不几年后 天文家Slipher发现了宇宙在膨胀的微弱迹象 敏感的Einstein立刻意识到他的模型应当放弃 尽管这样 他的发端性工作为后来的宇宙学奠定了两块不可磨灭的基石 其一是宇宙动力学服从广义相对论 其二是宇宙可简化为均匀介质 当时这两点都并没有事实基础 而只是猜测性的假设 1922年 Friedmann在同样的前提下建立了膨胀的动力学方程 它至今仍是研究宇宙膨胀过程的基础 值得指出两点 一是他沿用了Einstein的没有事实根据的假定 二是当时也还没有宇宙在膨胀的确切证据 因此当时它仅是一个试探性的理论模型 1948年物理学家伽莫夫首先提出 宇宙是从一个高密度的火球爆炸开始的 2 宇宙大爆炸理论 约在距今137亿年前 爆炸从一个密度无限大的奇点开始 约10 35s后 一个特别快速的膨胀过程 称暴胀 当膨胀变慢后 宇宙充满了夸克和电子等基本粒子 到10 6s时 夸克结合成中子和质子等强子 他们约在3分钟后形成原子核 约38万年后 宇宙已冷却到温度为4000K左右 质子能俘获电子而形成中性的氢原子 这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满宇宙空间 50亿年后 星系形成 太阳系形成 100亿年后 宇宙温度冷却到2 7K 出现人类活动 视频 宇宙大爆炸 大爆炸以后 3 大爆炸理论的5个依据 1 哈勃红移 1929年 Hubble用他出色的观测得出了后来被称为Hubble定律的经验规律 即其他星系在向远离我们的方向运动 其速度与距离成正比 e为地球上测得的同种物质的谱线波长 遥远恒星发出的光谱线普遍存在一种 红移 现象 称哈勃红移 这是由于恒星以速度v远离地球所造成的 根据多普勒效应 光源远离地球时 地球上的观察者测得的表现频率将减小 即波长增大 成为红移 红移量定义为 目前测到最远的Z 10 即v c 0 9836 哈勃红移给人们描绘了一幅宇宙膨胀的图像 是对宇宙大爆炸假设的第一个支持论据 哈勃发现红移量Z与恒星离地球距离R成正比 有哈勃红移公式 Z HR H0 C R其中H0为哈勃常数 视频 哈勃定律 相对论计算结果 哈勃定律 2 1965年3K微波背景辐射的发现 在原初核合成后 宇宙气体处于等离子状态 随着宇宙膨胀 气体将绝热降温 在温度降到104K左右 粒子热动能只剩1eV 原子核与电子将开始结合成中性原子 一旦电中性的原子成了主要组分 原来热平衡等离子态下必然存在的光子组分就失去了碰撞的机会 今天把这叫光子的退耦 退耦后的光子当然会永远存在下去 它就是现在人们讲的背景辐射 背景光子虽然失去了碰撞 但它过去的热平衡分布 Planck分布 将保持 其等效温度将继续随宇宙膨胀而降低 今天依然存在着的微波背景辐射应当是可以直接观测到的 20世纪60年代初 Princeton大学以Peebles和Dicke为首的几位学者重新想到了今天应当依然存在的微波背景辐射 他们决意做微波探测器来寻找这早期宇宙的遗迹 正当他们积极准备仪器的阶段 离他们不远的Bell电话公司有两位工程师Penzias和Wilson在调试射电天线时意外地抢先发现了这背景辐射 两位发现者 美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖 1989年利用COBE COsmicBackgroundExplorer 卫星进一步测得了宇宙背景温度为 T 2 725K 2006年的Nobel物理学奖 3 第三个证明是宇宙的可见物质主要是氢和氦 约3 4是氢 1 4是氦 视频 大爆炸使氢和氦质量的丰度比约为75 25 与大爆炸理论作出的定量的结论正好符合 宇宙诞生3分钟后 中子与质子全部结成原子核 宇宙中3 4是氢核 1 4是氦核 4 第四个论据是关于恒星和星系的演化 1990年升空至今的哈勃空间望远镜已能看到100亿光年外的天体 观测发现那些遥远的星很少有重元素 正符合大爆炸理论的预言 5 哈里森在计算时考虑了一个在时间上有限膨胀的宇宙模型和恒星的演化 合理地解释了夜晚的天空为什么是黑暗的 也可算是支持大爆炸理论的第五个论据 1 宇宙年龄约13 7 109年 2 宇宙的空间 时间性质是平坦的 3 哈勃常数等于71km s 1 Mpc 1 4 宇宙成分中 普通物质只占4 另有23 的 暗物质 73 的 暗能量 5 在大爆炸后约2亿年 就出现了最早的恒星 2001年美国航天中心发射宇宙飞船把 微波各项异性探测器 WMAP 带入太空 由测量结果证明了以下几个事实 1Mpc 3 27兆光年 4 哈勃常数 宇宙年龄与膨胀速度 根据哈勃定律 宇宙动力学方程 可以算出今日宇宙应处于减速膨胀阶段 直到上世纪末一直是这么认为的 如何确定宇宙在加速膨胀 超新星爆发 通常认为 天体内部一般都存在着 向内收缩 和 向外扩张 两种力量的较量 前者来自万有引力 后者则来自构成它的物质粒子间的斥力 不同的天体 斥力的来源也不同 主序星的扩张斥力即辐射压来自热核反应 且辐射压恰好与收缩的引力压平衡 如太阳 白矮星的外向斥力主要来源于高密度电子间的泡利斥力 而中子星的斥力来自中子间的泡利斥力 简并压 至于黑洞内部的情况 目前还不得而知 恒星在稳恒的核燃烧阶段时 氢不断地转变为氦及更重的元素 一旦恒星内核燃料烧完 引力将引起星体塌缩 便会在短时间内释放巨大能量 表现为一次超新星爆发 也称超新星 超新星爆发后留下一个 残骸 即一个核心 这个核心就是恒星的归宿 视残余质量的大小有三种可能 白矮星 中子星和黑洞 超新星爆发时 可达十亿亇太阳的峰值光度 恒星演化的三种归宿 这与恒星形成时的初始质量M初及核心的质量Mcore的大小有关 1 当恒星开始时M初 8M 太阳质量 时 爆发后留下一个 白矮星 其核心质量Mcore的上限为1 4M 它的大小同地球差不多 半径仅太阳的1 2 当Mcore超过1 4M 而小于3M 时 它是一颗中子星 星的直径只有10 20km 密度高达3 1017kg m2像一个巨大的原子核 3 当恒星开始形成时质量大于25M 且Mcore超过3M 此核心将是一个黑洞 通过对超过50颗Ia型的超新星爆发的研究 珀尔马特 里斯和施密特所属的研究小组发现 超新星所显现的光度比先前按宇宙膨胀速率计算值要小 这意味着这些超新星处在比预期距离更远的位置上 远离速度比预期的要快 对超新星爆发这一结果的研究表明 宇宙在某种未知的排斥力量的推动下正在加速膨胀 这和我们从万有引力理论中预期的减速膨胀背道而驰 人们将这种未知的排斥力量称为暗能量 这是一类比较特殊的超新星 当其质量超过1 4M 就发生爆发 但不生成 遗骸 全部炸飞 Ia型超新星没有宇宙中最丰富的氢的谱线 光谱以有615nm硅 Si 的吸收谱线为主要特征另外爆发时光度衰减的快慢与峰值光度相关 越亮衰减越慢 通常认为 这类正在爆炸的星体具有相同的发光度 可作为 标准烛光 通过测定其发光度可推算出其距离 由于其亮度特别髙 相对亮度即视亮度可测得特别准 关于Ia型超新星 1 三种膨胀情况在假设宇宙在空间上各向同性 物质密度 又是均匀的条件下 弗里德曼通过求解爱因斯坦场方程得出了宇宙膨胀的三种可能与密度 的大小密切有关 先定义一个临界密度再定义一个量 m c 1 c m 1 宇宙半径先膨胀 后收缩为零 表明宇宙是封闭的 时空曲面有正曲率 2 c m 1 宇宙将一直膨胀下去 但时空是平坦的 曲率为零 也属开放宇宙 3 c m 1 宇宙将加速膨胀 它将是一个具有负曲率的开放宇宙 存在暗物质 宇宙膨胀 平坦性与物质密度的关系 2 到底多大 科学家从已发现的可发 可见 光的星和星际物质分布估计 4 10 31g cm3 0 4 c 所以宇宙加速膨胀 真的这么小吗 实际要大得多 1 加入暗物质后 密度为 m 有 m m c 0 27 说明宇宙膨胀正在加速 但是不能解释宇宙空间 时间平坦性这一事实 宇宙平坦性要求 1 还有0 73何处去找 2 为此弗里德曼在爱因斯坦场方程中引入了宇宙常数 可以得到 1 解释宇宙的平坦性 3 的引入 使物质密度 和压强p都得到了修正 宇宙常数和暗能量 可见 与物质密度的作用相似 都能使时空弯曲 但产生的压强不是正的 而是负的 迄今所知的物质 包括暗物质 都产生正压强 p 0 所以物理学家称 代表的是一种 暗能量 而这种负压强会在物质间产生 反引力 即斥力 有些物理学家企图把 暗能量 归之于量子场论中的真空起伏能量 但遭到怀疑 暗物质和暗能量问题是现代物理科学中两朵新的乌云 对它们的研究将极有可能孕育出新的物理学和天文学重大发现乃至科学上的革命 对于未来的科学发展具有难以估量的重要作用 三 暗物质和暗能量 在新的世纪 寻找暗物质粒子 研究暗能量的物理本质 探讨反物质丢失之谜等 结合粒子物理和宇宙学 极小与极大的研究的结合已成为物理学和天文学的一个重要趋势 宇宙涉及是非常大的尺度 非常高的能量 非常长的时间 是超出宏观的宇观物理 粒子物理研究的是非常小的尺度 非常高的能量 相对而言 非常短的时间 是微观物理 但它们却是紧密相关的 因而我们有可能在地球的探测器上对宇宙学进行研究 自上个世纪后半叶以来 两大学科 微观物理与宇观物理 的研究联系在一起 蛇头咬住了蛇尾 研究宇宙起源与演化的秘密 物质世界的空间尺度 什么是暗物质 早在70年前 天文学家通过天文观测已经推测到暗物质的存在 之后 尤其是在过去的三十余年间 大量的天文观测不断积累数据证实了暗物质的存在 什么是暗物质呢 不同尺度的观测均显示宇宙中的绝大部分物质是由一种在宇宙学时间尺度上稳定 不发光 非相对论性运动的 有质量的粒子构成 简称暗物质 例如我们所处的银河系就被笼罩在一个巨大的暗物质晕中 暗物质发现的历史可以追溯到20世纪30年代 暗物质存在的重要证据来自于1970年Rubin和Ford对仙女座大星云中星体旋转曲线的研究 他们探测到远离星系核区域的可见星体的运动速度 1933年 Zwicky通过对后发座星系团中星系的速度弥散度推断出的星系团质量 比从星系团中发光星体推出的质量足足大了数百倍 因此 他得出结论说 该星系团主要由不发光的物质构成 并首次称之为 暗物质 按照牛顿万有引力定律 如果星系的质量主要集中于星系核区的可见星体 那么星系外围的星体的速度将随着距离增大而减小 但观测结果表明 在相当大的范围内 星系外围的星体的速度是恒定的 这意味着或者牛顿万有引力定律是不正确的 或者星系中有大量的不发光物质并且它们不分布在星系核心区 且其质量远大于发光星体的质量总和 他们的工作启发了大量的后续研究 目前已知的几乎所有旋臂星系的质量都主要由暗物质构成 甚至可能存在几乎完全由暗物质组成的星系 暗物质虽不发光 但其存在可以通过引力效应显现出来 强引力透镜效应和弱引力效应 根据爱因斯坦的广义相对论 光线经过强引力场时将会发生弯曲 如果从遥远星系发出的光线经过有暗物质的区域到达地球 地球上的观测者将会发现星系图像的改变 改变可表现为单个星系影像的变形 出现环状 弧状的影像 甚至出现多个影像 还可表现为大量背景星系影像的整体变化 还可表现为星体亮度的变化 通过对宇宙中微波背景辐射中微小各向异性的精细观测 可以确定出宇宙中暗物质的总量 目前的观测表明 宇宙总能量的23 由暗物质贡献 构成星体和星际气体的物质只占4 其余为暗能量 目前暗物质的存在证据全部来自天文观测 其存在是通过其引力效应间接推断出来的 一类为直接探测实验 即采用高灵敏度的探测器直接探测暗物质粒子和探测器物质发生碰撞后所产生的信号 另一类为间接探测实验 其主要任务是探测暗物质粒子自湮灭或衰变的产物 如 射线 中微子 正电子 反质子等 另外 高能对撞机 如大型强子对撞机LHC 可能会直接对撞产生出暗物质粒子 如何探测暗物质 什么是暗能量 暗能量的一种可能是宇宙学常数或真空能 这种能量在日常的生活和科学实验中感觉不到 但却支配着宇宙的演化 驱动宇宙加速膨胀 暗能量的另一种可能是随时间变化的动力学场的能量 最简单的是一个具有正则动能的标量场 在文献中它被称为quintessence 译为精质 超新星观测发现 宇宙在某种未知的排斥力量的推动下正在加速膨胀 这和我们从万有引力理论中预期的减速膨胀背道而驰 这种未知的排斥力量通常被称为暗能量 暗能量的基本特征是具有负压 在宇宙空间中 几乎 均匀分布且不结团 70年前 理论物理学家狄拉克提出了反物质的概念 在微观物理研究领域 每个粒子都存在着一个反粒子 例如电子的反粒子是正电子 质子的反粒子是反质子 然而至今在浩瀚的宇宙空间还没有找到由反质子 反中子和正电子构成的反物质 那么 反物质到哪里去了 宇宙中的反物质是如何丢失的 核物理与天体物理的结合形成了核天体物理这门交叉学科 核天体物理涉及宇宙大爆炸过程中原初核的合成 星体演化及星体能源和元素核合成过程等众多问题 与有关的核反应和核衰变密切相关 科学家在寻找宇宙早期物质 夸克 胶子等离子体是在宇宙大爆炸后10 5s内存在的一种宇宙早期物质形态 那时夸克不是被囚禁在中子 质子等强子中 而是可以自由运动 寻找夸克 胶子等离子体的工作就是要在现今的实验室中使加速到极高能量的粒子进行碰撞来形成早期宇宙的环境 自2010年3月开始运行的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验经大量实验后 于12月13日 两个独立研究组的发言人说 他们在相