银河之前的宇宙

银河之前的宇宙5.银河之前

星系之前：回到炽热的开端

大爆炸；宇宙微波背景辐射

暗物质

星系外围旋转；星系丛重力稜镜；暗物质粒子？

由简入繁：重力的角色密度对比放大；模拟与暗物质；负比热宇宙平滑度 小而洽的不均匀

大爆炸有多可信？I.从大爆炸到生命圈

星系之前：回到炽热的开端

第一颗星都还未形成前是怎样？红位移与距离成正比ErwinHubble(1889-1953)哈伯宇宙在大尺度是均匀的！100-inch(2.5m)Hooker望远镜加州

MountWilsonObservatory哈伯定律(~1929)

各星系互相远离宇宙膨胀BigBang大爆炸GeorgesLemaître(1894-1966)1927比利时神父、物理教授奇异点越远越快勒篾特尔FredHoyle(1915-2001)

!?红位移与距离成正比哈伯定律

各星系互相远离宇宙膨胀

BigBangGeorgesLemaître(1894-1966)1927GeorgeGamow(1904-1968)primevalatom.ylem!%@#&!Alexander

Friedmanin1922我喜欢稳定态理论…伽茂夫

霍伊尔大爆炸比利时神父勒篾特尔ErwinHubble(1889-1953)哈伯奇异点

“Theevolutionoftheworldcanbecomparedtoadisplayoffireworksthathasjustended:somefewredwisps,ashesandsmoke.Standingonawell-chilledcinder,weseetheslowfadingofthesuns,andwetrytorecallthevanishedbrillianceoftheoriginoftheworlds.”

「世界的演化好比一个刚结束的烟火表演：几丝红色余烬、灰和烟。站在一个凉透了的灰烬上，我们望着渐渐褪去的众太阳，试着回想

已消逝诸世界那起源的灿烂。」

GeorgesLemaître

勒篾特尔,ThePrimevalAtom

「太古原子」

(1950)

“AMeasurementofExcessAntenna

Temperatureat4080Mc/s”「那已消逝的灿烂」的证据，在1965年出现

误差比曲线的宽度还小

1990:

COsmic

BackgroundExplorer

(COBE)A.A.Penzias,R.W.Wilson(1978Nobel)强度频率宇宙微波背景频谱听到宇宙亘古的杂音

2.725

K黑体辐射

NASA误差比曲线的宽度还小

强度频率

(n)宇宙微波背景频谱黑体辐射之

Planck

(普朗克)

定律ℎ

普朗克常数

(量子力学之起点)

ℰ

=

ℎn

辐射之光子能量

k

波兹曼常数(热力学

―

平衡)

T

温度(K，凯耳文)峰值@

ℎn

=2.82

kT峰值@

ℎn

=2.82

kT越热频率越高

波长越短2.725

K峰值之

波长在微波波段波长

~0.19cm(160.2GHz)

2.725

K黑体辐射

黑体:吸收所有入射光之理想物体在温度

T

之黑体有特定辐射频谱熔岩本公式不会考NASATheNobelPrizeinPhysics2006“fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation”JohnC.MatherGeorgeF.Smoot1/2oftheprize1/2oftheprizeUSAUSANASAGoddardSpaceFlightCenterGreenbelt,MD,USAb.1946UniversityofCaliforniaBerkeley,CA,USAb.1946观测

大爆炸

的「余温」及细节2.7

KUniverseisold.物理一切―组成现在的星系的所有的东西―都曾经是一团比太阳核心还热的压缩气体。来自起初的热

―

创造的余晖

―

仍旧围绕：充满在整个太空，并且没有别的地方可去！宇宙膨胀冷却且稀释了背景辐射，并拉长了它的波长。接续者宇宙

微波

背景

辐射2001

发射性能之比较灵敏度

45x解像力

33x这是什么?藉助地球与月亮之重力「甩」向

L2全球全天(球)银河盘面2009.5.14

发射!HerschelPlanckESA都放置在L2sunearthHerschel(towardsL2)COBE

/

WMAP

接续者Planck宇宙微波背景辐射之观测仍方兴未艾氢、氦、氘

产生(宇宙头三分钟)大爆炸头三分钟合成氘与氦的核反应

氘氚氦中子质子

(氢)中子质子如果宇宙热度维持再久一点(或反应速率再快一点)，将不会有剩余的核燃料做星星的能源了。

23%0.01%氢、氦、氘、极少的锂

，与测量到的符合。

―没有碳、氧等更重的元素原始的氢是从哪来的？大爆炸

核合成

(BBNS,)足够形成所有星系里的星星―至少

1078

个原子

光子数目大得多―每颗原子对应约20亿颗光子

暗物质

如果没有比看得见的物质多五到十倍的重力吸引，众星系、甚至众星系丛，都将分崩离析。惊奇！神秘！不是科幻从早期的炽热还有其他东西存留下来：

距太阳1.5

亿

km绕日速度30

km/s59

亿

km4.8

km/s

冥王星轨道速度比地球慢很多，因为轨道半径大，太阳引力小，较小速度的离心力即可与引力平衡。若冥王星跑的跟地球一样快，则地球轨道之外、冥王星轨道之内，应当有一层额外物质。银河系(上方直视)星系应是埋在一个重几倍、大几倍的暗「晕」(星系晕)

里！还有星系丛晕(1933FritzZwicky)比方向外转速不减

！各种波段侦测各盘状星系Abell2029∴

有额外重力源书的封面重力稜镜的确证

星系丛的重力将通过其中的光线偏折，好像透过弯曲的玻璃看；但星系丛可见的星系，只有造成扭曲的质量的10%到20%！星系丛如星系，都含有比可见的质量大五到十倍的质量

暗物质

暗物质是今日天文学的头号问题，在物理学的问题里也排在很前面。

Zwicky

所指出Einstein

广义相对论由简入繁：重力的角色

►

相信暗物质的另一个理由―

重力引发的「对比增强」效应。

为何宇宙是由星系及星系丛组成？氢、氦、氘

产生(宇宙头三分钟)原始的杂乱火球

愈益复杂地球生命圈星系及星系丛如何形成？违反：“有秩序的状态会走向杂乱”？

[重力点火]核子能源

―

重力引发的「对比增强」效应

热力学第二定律

一切处于热平衡就无法有「热引擎」

―总要有一些区域比别处热―

生命圈：从中央星的光得到能量，

废热则辐射到寒冷的星际空间。

重力引发的「对比增强」效应

N-体

(计算机)

模拟的

6

个画面较早和较晚的盒子已考虑膨胀调整尺度，使盒子的大小看起来一样大。初始的微小密度差异

Q在宇宙膨胀中藉重力作用加以放大

任何一小块

起初稍密一些、或膨胀稍慢一点，将因重力而减速，直到它停止膨胀，分离成

重力束缚系统。

起点是内含原子、辐射与暗物质的膨胀着的宇宙。只显示在重力上占主要影响的暗物质

较小的结构合并产生原星系。气体被拉到这些暗物质团里，冷凝成小滴，最后形成星星。这些星系再组合成星系丛。若只有原子而没有暗物质提供额外重力，模拟的结果与真实宇宙就不会符合的这么好。

星球与星系的「演化」与生物学相比，因没有「天择」，比较像「发展」。进一步支持暗物质原始的杂乱火球

愈益复杂星系及星系丛如何形成？

―

重力引发的「对比增强」效应

!!??WMAP第七章我们并不是由宇宙最主要的成分所组成！

5.5x地球生命圈书的封面重力稜镜的确证

星系丛的重力将通过其中的光线偏折，好像透过弯曲的玻璃看；但星系丛可见的星系，只有造成扭曲的质量的10%到20%！星系丛如星系，都含有比可见的质量大五到十倍的质量

暗物质是今日天文学的头号问题，在物理学的问题里也排在很前面。

DArkMAtterGran

Sasso

山底

可能不是任何普通原子

不带电荷

(几乎)穿透一般物质

暗物质

太阳在银河「暗晕」里稳定运动看到季节性调变

?没有得到证实！暗物质湮灭产生

?寻找暗物质撞击晶体之讯号2008:观测到银河核心附近有

过多的高能正电子CERN(欧洲高能实验室，位于日内瓦)：大强子对撞机(LHC)探讨质量之源充满期待：在LHC直接产生暗物质粒子超对称粒子

?3月30日已重新启动对撞宇宙若是从完全平滑起首，现在将只含极度稀释的氢与氦，密度低于每立方公尺一个原子。它将又冷又无趣：没有星系、也无星星；没有周期表其他元素；没有复杂性，也不会有人。

宇宙平滑度

初始的微小密度差异是多少？初期宇宙充斥着「恰当的涟漪」，其振幅与计算机计算的相符重力引发的「对比放大」效应:极小的初始不均匀性即可

Q=

密度分布的峰与谷间的能量差/该物质总能量计算机模型建议Q

~

0.00001

(好比地球最高的山仅达50公尺)

背景辐射的温度分布有1/100000的变化N.B.

3

°

K

背景辐射比地表温度低100倍，

而

COBE

需量

3

°

K

附近十万分之一的差异

!Q≪0.00001:无法形成星系「生态系统」;-集团形成需要太长的时间，而它们的重力又太弱Q≫0.00001:粗糙的宇宙狂暴而剧烈；

-团块比星系大得多，很早期就凝聚出来

-它们不会碎成星星，乃是崩塌成极大黑洞

-即便有星星，成员挤得很紧，不断遭受近处恒星冲撞宇宙是「亲生命」的？性能之比较已更进一步验证灵敏度

45x解像力

33x

大爆炸有多可信？

“Voscalculssontcorrects,mais

votrephysiqueestabominable.”

[“Yourmathiscorrect,but

yourphysicsisabominable.”]

[“你的计算是对的，但

你的物