高中物理 第6章 相对论与天体物理 第3节 广义相对论初步 加速膨胀中的宇宙素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第6章 相对论与天体物理 第3节 广义相对论初步 加速膨胀中的宇宙素材 鲁科版选修3-4（通用）

加速膨胀中的宇宙 ‎ 宇宙之浩瀚与神奇，令人惊叹和神往。朵朵星系的基本成分是像恒星那样闪闪发光的“重子型物质”，但宇宙中还有相当一部分不怎么发光的“重子型物质”，例如星云、行星、矮星、黑洞等。所谓“重子型物质”，是指人们在地球上或实验室内常常遇见的普通物质或其不同变态。‎ 超新星的坍缩 令人惊奇的是，全部“重子型物质”仅占宇宙的约4%，26%的宇宙成分是所谓“暗物质”，另有约70%是 所谓“暗能量”。这些“暗物质”和“暗能量”是人们非常不了解的崭新形态。宇宙不但成分特殊，而且并非像我们初看上去那样是静态的，宇宙其实是在动态地膨 胀着。宇宙如此浩瀚，人类如此渺小，人们怎么知道“全宇宙”由哪些成分组成，而且还大体知道其比例，并得出如此惊人的结论呢？‎ 我们通过高精密望远镜，可以观测到遥远的星体发出的星光光谱线向红端移动。光谱红移表明星体在退行，越遥远的星体光谱红移越大。如果宇宙等速膨胀，那么距离与红移成正比，这就是著名的哈勃定律。1998年科学研究出现重大进展。科学家发现，宇宙并非人们一贯想象的那样，由于只有物质的存在而应该减速膨胀。相反，宇宙在加速膨胀。这标志著宇宙的主要成分不是物质，而是一种崭新形态：“暗能量”。2000年，宇宙加速膨胀有了重要佐证，这就是宇宙微波背景各向异性的精确测定。‎ ‎20世纪60年代初，科学家发现宇宙中普遍存在3K度微波背景辐射，其实它是高温热大爆炸宇宙经充分膨胀后的余温，它相当均匀和各向同性。但是，3K度微波背景辐射有著万分之一的非均匀性起伏，其中蕴藏了极其丰富的早期宇宙的宝贵信息。正是从这些信息的分析中，人们了解到宇宙是平直的，而且具有上述成分比例。不同方法的天文观测，如星系团X射线分布、引力透镜、宇宙年龄的推断、大尺度结构演化等，给出了更多的佐证。宇宙仅有不到40%的“物质”，它包括了“重子型”和“暗型”。各项成果的交叉验证基本证实了我们对宇宙的这一整体看法，这是非常了不起的成就。‎ 然而，挑战也是严峻的。“暗物质”的本质是未知的，它与我们普通的“重子型物质”间没有电磁和强 相互作用，因此很难探测到它，我们仅是靠其大规模引力效应才推知其存在。相当多的科学家寄希望于，“暗物质”就是推想中的超对称扩充版的“粒子标准模型” 中的所谓“中性微子”，但远未从实验上证实其存在。至于“暗能量”就更加神秘了。粒子物理可知作为“暗能量”可能形态之一的“真空能”或称作“宇宙学常 数”，但它们却总是比宇宙学中所需要的“暗能量”高出了几十个量级。这预示著我们的基本物理存在重大缺陷和面临危机。‎ 另外，一种像“宇宙学常数”那样的“真空能”的存在将主宰宇宙的未来，我们今天所能看见的星系都将加速飞离我们的视野，永无返还。因此我们必须结合粒子物理和宇宙学的最新成就，研究宇宙给基本理论带来的严峻挑战，展示一种使我们更感宽心的宇宙未来前景。‎