1、程福臻程福臻中国科学技术大学天体物理中心F一一. .无限无限与与有限之争有限之争二二. .四个观测事实四个观测事实 1.1.系统性红移系统性红移 2. 2.3 3k k微波背景辐射微波背景辐射 3. 3.普适氦丰度普适氦丰度 4. 4.最古老天体的年龄最古老天体的年龄三三. .大爆炸宇宙学诞生大爆炸宇宙学诞生四四. .最初三分钟最初三分钟五五. .暴涨宇宙学暴涨宇宙学六六. .暗物质与暗能量暗物质与暗能量七七. .其他宇宙论其他宇宙论目录目录一一. .无限无限与与有限之争有限之争1.如果宇宙有限，它总是有个边界；那么，边界在哪里，边界之外又是什么？2.如果宇宙有限，它就会有个中心，那么宇宙的中
2、心又在那里？很难回答。l1.1.奥伯斯佯缪：奥伯斯佯缪：18231823年甚至更早，奥伯斯捡起年甚至更早，奥伯斯捡起一个司空见惯，却意想不到的问题，即一个司空见惯，却意想不到的问题，即“夜空夜空为什么是黑的？为什么是黑的？”夜空天空是黑暗的是个不争夜空天空是黑暗的是个不争的事实。但是，无论我们从哪个方向看，最终的事实。但是，无论我们从哪个方向看，最终都会看到一个发光的恒星；越远的物体越弱，都会看到一个发光的恒星；越远的物体越弱，但距离越远，恒星数越多；所以每个球壳都有但距离越远，恒星数越多；所以每个球壳都有相同的亮度；如果宇宙是无限的，夜空应该是相同的亮度；如果宇宙是无限的，夜空应该是亮的。亮
3、的。l2.2.西利格之谜：如西利格之谜：如 果宇宙中存在无限果宇宙中存在无限 多的恒星，作用于多的恒星，作用于 任一物体上的引力任一物体上的引力 将会是无限大，在将会是无限大，在 这样大的力的作用这样大的力的作用 下，物体应该有无下，物体应该有无 限大的加速度，可限大的加速度，可 事实不是这样。事实不是这样。 l爱因斯坦认为，一个物爱因斯坦认为，一个物体受另一个物体的引力体受另一个物体的引力作用，其实是因为另一作用，其实是因为另一个物体由于其质量而改个物体由于其质量而改变了周围的空间，使空变了周围的空间，使空间弯曲，而物体处在弯间弯曲，而物体处在弯曲空间中，所以会运动曲空间中，所以会运动。 l
4、爱因斯坦宇宙用二维语言来说不再是爱因斯坦宇宙用二维语言来说不再是一个平面，而是一个球面，它是一个一个平面，而是一个球面，它是一个三维球的二维球面。球面就是宇宙整三维球的二维球面。球面就是宇宙整体，球面的内部与外部是没有定义的。体，球面的内部与外部是没有定义的。显然，球面的总面积是有限的，宇宙显然，球面的总面积是有限的，宇宙即是有限而无边界的，球面上的所有即是有限而无边界的，球面上的所有位置都是一样的，没有中心。这个有位置都是一样的，没有中心。这个有限宇宙模型，巧妙回答了宇宙无限论限宇宙模型，巧妙回答了宇宙无限论者提出的责难。者提出的责难。 实际的爱因斯坦宇实际的爱因斯坦宇宙是一个四维球的三维球
5、面，这可以宙是一个四维球的三维球面，这可以由数学来表达，而不可以画出，球面由数学来表达，而不可以画出，球面上的线元：上的线元：dldl2 2=R=R2 2drdr2 2/(1-r/(1-r2 2)+r)+r2 2dd2 2+r+r2 2sinsin2 2dd2 2 R R在某种意义上相当于有限宇宙的半在某种意义上相当于有限宇宙的半径；径；r=/R, r=/R, 为平面上的投影长度为平面上的投影长度二二. .四个观测事实四个观测事实l对测定了距离的星系，对测定了距离的星系，E.HubbleE.Hubble观测和研究了他观测和研究了他们的光谱，于们的光谱，于19291929年发现光谱线向红端移动，
6、即年发现光谱线向红端移动，即光谱线的波长增长了，且与距离光谱线的波长增长了，且与距离d d成正比：成正比：lZ=Z= =100h km/sec =100h km/secMpcMpc, ,其中，其中，00h1,h6Z6，说明它们是遥远的天体，这样一种星说明它们是遥远的天体，这样一种星系散开的图像，即宇宙膨胀！系散开的图像，即宇宙膨胀！ ()/000H D c 0H0Hl二十世纪六十年代初，美国科二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和学家彭齐亚斯和R.W.R.W.威尔逊为威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统。敏度的接收天线系统。19641964年，年，他
7、们用它测量银晕气体射电强他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背度时，发现总有消除不掉的背景噪声，他们认为，这些来自景噪声，他们认为，这些来自宇宙的的波长为宇宙的的波长为7.357.35厘米的微厘米的微波噪声相当于波噪声相当于3.53.5K K的热辐射。的热辐射。19651965年他们又将其修正为年他们又将其修正为3 3K K，并将这一发现公布，为此获得并将这一发现公布，为此获得了了19781978年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。l目前认为背景辐射起源于目前认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。右图为宇宙学的强有力支持。右
8、图为cobecobe和和wmapwmap卫星探测到的辐射卫星探测到的辐射分布。分布。l宇宙中现存的重元素都是在恒星演化过程中的核反应生成宇宙中现存的重元素都是在恒星演化过程中的核反应生成的。而在原初状态，即恒星星系还未形成的状态，重元素的。而在原初状态，即恒星星系还未形成的状态，重元素还远未形成。还远未形成。 但对氦元素，恒星演化过程中产生的量与现在的观测但对氦元素，恒星演化过程中产生的量与现在的观测值相比微乎其微，如太阳值相比微乎其微，如太阳100100亿年新生成的氦元素也不足亿年新生成的氦元素也不足5%5%，因此，氦丰度主要由宇宙原初产生，因而是宇宙原初特征因此，氦丰度主要由宇宙原初产生，
9、因而是宇宙原初特征的极好代表者。的极好代表者。 4 4HeHe丰度从宇宙各处取得的数据均十分接近，常记为丰度从宇宙各处取得的数据均十分接近，常记为Y Y，观测结果为观测结果为0.22 0.22 Y 0.24;Y 0.24;此外，氢原子质量占此外，氢原子质量占75%75%，其，其他重元素的总和只占不足他重元素的总和只占不足1%1%。D D是是H H的一种同位素，很容易在恒星核过程中被破坏，的一种同位素，很容易在恒星核过程中被破坏，故其原初含量不容易，对宇宙演化很敏感故其原初含量不容易，对宇宙演化很敏感, ,其数目比：其数目比：D/HD/H n n 10 10-5-5其他元素的数目比：其他元素的数
10、目比：3 3He /HHe /H n 10n 10-5-5 , , 7 7Li /H Li /H (1.0(1.0 1.4) 10 1.4) 10-10-10 l直接测量宇宙年龄很难，但可通过测直接测量宇宙年龄很难，但可通过测宇宙中一些天体的年龄，如地球，太宇宙中一些天体的年龄，如地球，太阳，恒星，星系；阳，恒星，星系；宇宙年龄应大于任宇宙年龄应大于任一个天体的年龄。一个天体的年龄。目前的进展是：通过放射性核素测目前的进展是：通过放射性核素测得的太阳年龄的上限是得的太阳年龄的上限是6666亿年，通亿年，通过过赫罗图赫罗图法测得的银河系球状星团法测得的银河系球状星团的年龄至少为的年龄至少为114
11、114亿年。亿年。 爱因斯坦宇宙是一个静态的宇宙，不随时爱因斯坦宇宙是一个静态的宇宙，不随时间变化。假如某个时刻经受了一个微笑的间变化。假如某个时刻经受了一个微笑的扰动，比如某种原因使宇宙略微变小一点，扰动，比如某种原因使宇宙略微变小一点，即宇宙中所有物质之间距离略微变短，从即宇宙中所有物质之间距离略微变短，从而引力增强，又促使进一步收缩；反之非而引力增强，又促使进一步收缩；反之非常微小的膨胀，必将一直膨胀下去。这个常微小的膨胀，必将一直膨胀下去。这个宇宙无法稳定宇宙无法稳定。l费利德曼（费利德曼（FriedmannFriedmann,A)1922,A)1922年假设宇年假设宇宙在膨胀，星系与
12、星系之间距离在不断宙在膨胀，星系与星系之间距离在不断增大，分离速度也越大，观测到越远的增大，分离速度也越大，观测到越远的星系退行速度越大；星系退行速度越大；l勒梅特（勒梅特（LemaitreLemaitre,G)1927,G)1927年进一步指出，年进一步指出，当时已发现的星系谱线普遍有红移，用当时已发现的星系谱线普遍有红移，用多普勒效应来解释就意味着星系在退行，多普勒效应来解释就意味着星系在退行，这就是宇宙膨胀的表现，这预言被哈勃这就是宇宙膨胀的表现，这预言被哈勃19291929年证实；这就是年证实；这就是费利得曼费利得曼-勒梅勒梅特宇宙特宇宙l费利得曼费利得曼-勒梅特宇宙是爱因斯坦宇勒梅特
13、宇宙是爱因斯坦宇宙的发展，除掉了静止的限制，让常数宙的发展，除掉了静止的限制，让常数R R变为变为R(t),R(t),称为罗伯逊俄尔克标度因子；称为罗伯逊俄尔克标度因子；满足宇宙学原理的普遍形式允许将分母满足宇宙学原理的普遍形式允许将分母上的上的(1-r(1-r2 2）改作（）改作（1-kr1-kr2 2),k),k称为称为曲率指曲率指数数。l费利得曼费利得曼-勒梅特宇宙线元为勒梅特宇宙线元为 dl dl2 2=R=R2 2drdr2 2/(1-kr/(1-kr2 2)+r)+r2 2dd2 2+r+r2 2sinsin2 2dd2 2 lK=+1K=+1则则r1r0, 0,表示宇宙减速表示宇
14、宙减速 ( )/H tR R22/Rd R d t2( )/q tRR R l设光子发射时波长设光子发射时波长e e与观测时波长与观测时波长0 0 因为因为0 0 / / e e=R(t=R(t0 0 )/ )/R(R(t te e),),所以，所以，Z=(R(tZ=(R(t0 0 )- )- R(R(t te e)/ )/ R(R(t te e) )Z+1= R(Z+1= R(t te e )/ )/R(tR(t0 0) )设膨胀是匀速的，则宇宙年龄设膨胀是匀速的，则宇宙年龄可由现在的哈勃常数算出可由现在的哈勃常数算出1 1101010100 02.5 102.5 101010 年年0000
15、/1/RRH一个膨胀的宇宙，经回推算在一个膨胀的宇宙，经回推算在 的时刻，的时刻，总是在时间上有限，有个诞生时刻总是在时间上有限，有个诞生时刻0 0。故视界故视界l lmaxmax = = 0 0c c ，使人们能见到的距离不能一直推使人们能见到的距离不能一直推算到无限远，所以，无论宇宙空间上是有限还算到无限远，所以，无论宇宙空间上是有限还是无限，时间上的有限使奥伯斯佯谬不存在。是无限，时间上的有限使奥伯斯佯谬不存在。l西利格之谜认为引力西利格之谜认为引力 不确定，而在广义相不确定，而在广义相 对论中不存在引力作对论中不存在引力作 用，只有空间弯曲的用，只有空间弯曲的 概念。概念。l宇宙无限还
16、是有限，不宇宙无限还是有限，不仅是指在空间上，还对仅是指在空间上，还对应于是否宇宙一直膨胀应于是否宇宙一直膨胀下去，无论下去，无论K K取何值，由取何值，由于现在的时间值于现在的时间值t t0 0很小，很小，因此宇宙仍在膨胀。因此宇宙仍在膨胀。l可把宇宙看成一个绝热可把宇宙看成一个绝热体系，绝热膨胀时体系体系，绝热膨胀时体系会降温，因此，宇宙早会降温，因此，宇宙早期便是高温，高密状态期便是高温，高密状态。ttR(t)R(t)tR(t)tR(t0) 温度（温度（k)k)能量能量( (evev) )时间时间（sec)sec)时代时代物理过程物理过程10103232 10102828 1010-44
17、-44 普朗克时代普朗克时代粒子过程粒子过程1010282810102424 1010-36-36 大统一时代大统一时代重子不对称性产生重子不对称性产生10101313 10109 9 1010-6-6 强子时代强子时代大量强子过程大量强子过程10101111 10107 7 1010-2-2 轻子时代轻子时代轻子过程轻子过程10101010 10106 6 1 1中微子脱偶中微子脱偶5X105X109 9 5X105X105 55 5e e+ +,e,e- -湮灭湮灭10109 910105 53 3分钟分钟核合成时代核合成时代4 4HeHe生成生成4 4X10X103 30 0.4.44
18、4X10X105 5年年复合时代复合时代中性原子生成中性原子生成光子脱偶，星系形成光子脱偶，星系形成太阳系形成太阳系形成2 2.7.73 3X10X10-4-4约约10101010年年现在现在人类进行科学实验人类进行科学实验l量子引力时代量子引力时代(0(0t t1010-44-44秒）秒）宇宙整体由一个不存在宇宙整体由一个不存在时间和空间的量子状态（时间和空间的量子状态（“无无”状态），自发跃迁状态），自发跃迁（即所谓（即所谓“大爆炸大爆炸”)”)到具有空间、时间的量子状态到具有空间、时间的量子状态。在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量
19、子涨落并不断地膨胀，子涨落并不断地膨胀，空间和时间以混沌的方式交织空间和时间以混沌的方式交织在一起在一起，时空没有连续性和序列性，因而早晚不分、，时空没有连续性和序列性，因而早晚不分、上下莫辨、因果难明、不可测量。此时四种基本力不上下莫辨、因果难明、不可测量。此时四种基本力不可区分，是一种统一的力，此时的时空为虚时空。可区分，是一种统一的力，此时的时空为虚时空。l普朗克时代普朗克时代( (t tp pt t1010-36-36秒秒).).当时间等当时间等于普朗克时间于普朗克时间(t tp p=5.4=5.41010-44-44秒秒) )时时, ,虚虚时空发生超统一相变时空发生超统一相变, ,实
20、时空形成实时空形成, ,粒子粒子产生产生, ,时间和空间可以测量时间和空间可以测量, ,引力作用首引力作用首先分化出来先分化出来, ,强弱电三种力仍不可区分强弱电三种力仍不可区分, ,夸克和轻子可以相互转化夸克和轻子可以相互转化。相变点的能。相变点的能量是量是10101919GeGe V(1GeV=10 V(1GeV=109 9e eV),V),温度是温度是10103232K K。 l大统一时代（大统一时代（1010-36-36秒秒t t1010-32-32秒）。宇宙的温度继续秒）。宇宙的温度继续下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力是一种统一下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力是一种统一的力。
21、的力。当当t=10t=10-36-36秒时，温度降至秒时，温度降至10102828K K，发生大统一真发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到律急剧地暴胀，直到1010-32-32秒最后完成大统一相变秒最后完成大统一相变。相。相变后，宇宙的空间尺度增加了变后，宇宙的空间尺度增加了10105050倍，倍，强力从统一的强、强力从统一的强、弱、电力中分化出来，夸克与轻子相互独立，大统一弱、电力中分化出来，夸克与轻子相互独立，大统一时代结束时代结束。在这一时期产生的重子数略多于反重子数，。在这一时期产生的重子数略多于反重
22、子数，因而今天的物质世界是以正物质为主的世界。因而今天的物质世界是以正物质为主的世界。 l这段时期弱、电两种力不可区分。这段时期弱、电两种力不可区分。直到直到t=10t=10-32-32秒秒，温度降至，温度降至10101616K K时，时，发生电弱发生电弱统一相变统一相变，中间玻色子基本消失，电磁，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。力与弱力成为两种力。 lt=10t=10-6-6秒秒，温度降至，温度降至10101212K K，夸克被禁闭，夸克被禁闭，凝聚成重子和介子凝聚成重子和介子；t=10t=10-4-4秒秒，温度降至，温度降至10101111K K时，时，宇宙进入轻子及其反粒子占
23、主宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位的时代，重子中主要只剩下质子要地位的时代，重子中主要只剩下质子和中子和中子。这时，宇宙中的物质成分有电。这时，宇宙中的物质成分有电子、正电子、子、正电子、子、中微子、子、中微子、子、中子、中子、质子。这时的主要特征是粒子间的子、质子。这时的主要特征是粒子间的反应产生了大量的光子和中微子。反应产生了大量的光子和中微子。l当当t=1t=1秒时秒时，温度降为，温度降为10101010K K，中子开始衰变为质子，正负电子不中子开始衰变为质子，正负电子不断湮灭转化为光子断湮灭转化为光子。这时，光子数大大超过具有静质量的粒子，。这时，光子数大大超过具有静质量的粒子，宇宙以
24、光子辐射为主宇宙以光子辐射为主，进入辐射时代。，进入辐射时代。t=4t=4秒时秒时，中子不再衰变，中子不再衰变为质子，中子数与质子数之比为为质子，中子数与质子数之比为1 1：7 7。t=3t=3分钟后分钟后，温度降到，温度降到10109 9K K以下，氦等轻核形成（以下，氦等轻核形成（t=30t=30分），根据质子、中子比可估算分），根据质子、中子比可估算出氦核的质量约为宇宙总质量的出氦核的质量约为宇宙总质量的1/41/4（氦丰度），这与今天的观（氦丰度），这与今天的观测结果十分接近。测结果十分接近。lt=2t=210105 5年时年时, ,温度降至温度降至40004000K,K,物质密度与辐
25、射密度基本相等物质密度与辐射密度基本相等, ,自自由电子开始被原子核俘获由电子开始被原子核俘获, ,形成稳定的原子形成稳定的原子( (主要是轻元素主要是轻元素).).光子光子能量不足以与原子体系作用能量不足以与原子体系作用, ,辐射脱耦辐射脱耦, ,宇宙变得透明宇宙变得透明, ,进入以物进入以物质为主的原子时代质为主的原子时代. .这个这个40004000K K的黑体辐射不断冷却的黑体辐射不断冷却, ,至今就是观至今就是观测到测到3 3K K宇宙背景辐射。宇宙背景辐射。l在这个阶段，宇宙内的实物粒子从等离在这个阶段，宇宙内的实物粒子从等离子气体演化为气状物质。随着宇宙进一子气体演化为气状物质。
26、随着宇宙进一步膨胀和温度下降，气状物质被分开，步膨胀和温度下降，气状物质被分开，形成原始星系，并进而形成星系团，然形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。后再从中分化出星系。lT=5T=510109 9年时，星系进一步凝聚成亿万颗恒星。恒星的年时，星系进一步凝聚成亿万颗恒星。恒星的演化动力主要源于引力作用和轻核的骤变所产生的巨大演化动力主要源于引力作用和轻核的骤变所产生的巨大能量。恒星的一生一般经历引力收缩阶段、主序星阶段、能量。恒星的一生一般经历引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段、脉冲星阶段（爆发阶段）和高密阶段（白红巨星阶段、脉冲星阶段（爆发阶段）和高密阶段（白矮星、中子星
27、、黑洞等）。矮星、中子星、黑洞等）。在恒星演化过程中，又形成在恒星演化过程中，又形成了行星和行星系统了行星和行星系统。我们的。我们的银河系大约起源于宇宙时间银河系大约起源于宇宙时间为为100100亿年时，太阳系大约起源于距今约亿年时，太阳系大约起源于距今约5050亿年。地球在亿年。地球在约约4747亿年前诞生，它是由原始的太阳星云分馏、坍缩、亿年前诞生，它是由原始的太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成的凝聚而形成的。在星系、恒星和行星的形成过程中，在。在星系、恒星和行星的形成过程中，在星体中温度合适的条件下，重元素和各种分子相继形成。星体中温度合适的条件下，重元素和各种分子相继形成。l1.1.视界疑
28、难视界疑难l2.2.平直性疑难平直性疑难l3.3.磁单极疑难磁单极疑难l类似于日常生活中的地平线的情况类似于日常生活中的地平线的情况。海上的一只船上的瞭望员可能正。海上的一只船上的瞭望员可能正好刚能够看到一前一后的两只船在靠近地平线的地方，但这两只船却彼好刚能够看到一前一后的两只船在靠近地平线的地方，但这两只船却彼此看不见，因为它们相距过远。同样，天各一方相距遥远的星系也这样此看不见，因为它们相距过远。同样，天各一方相距遥远的星系也这样彼此处于对方的视界之外。彼此处于对方的视界之外。因为一切物理影响或通讯都是受光速限制的，因为一切物理影响或通讯都是受光速限制的，所以，这些星系是不可能协调它们的
29、行为的。所以，这些星系是不可能协调它们的行为的。l我们刚才说到的未解之谜是，我们刚才说到的未解之谜是，为什么宇宙这些没有因果联系为什么宇宙这些没有因果联系的区域在结构和行为上这么相似？为什么它们的星系平均大小以的区域在结构和行为上这么相似？为什么它们的星系平均大小以及形状都相同？而且为什么它们以同样的速度彼此相离而去？及形状都相同？而且为什么它们以同样的速度彼此相离而去？这这种协调行为在星系最初形式的时候就应该有了。当我们意识到这种协调行为在星系最初形式的时候就应该有了。当我们意识到这一点时，上述的未解之谜就更意味深长了。但是一点时，上述的未解之谜就更意味深长了。但是在过去，宇宙创在过去，宇宙
30、创生以后，光的行程不是那么远，因而各视界也不那么大。宇宙创生以后，光的行程不是那么远，因而各视界也不那么大。宇宙创生生100100万年以后，各视界就是万年以后，各视界就是100100万万光年光年，宇宙创生宇宙创生100100年以后，年以后，各视界就是各视界就是100100光年光年，依此类推。，依此类推。假如我们再假如我们再回到普朗克时间，回到普朗克时间，各视界的大小就只有各视界的大小就只有1010-43-43cmcm了了。即使把宇宙的膨胀考虑进去，按。即使把宇宙的膨胀考虑进去，按照标准理论来看，这些如此之小的区域到现在也膨胀不到可以看照标准理论来看，这些如此之小的区域到现在也膨胀不到可以看到的
31、尺度。到的尺度。现在看来，现在看来，当时整个可观察到的宇宙似乎是分成至少当时整个可观察到的宇宙似乎是分成至少10108080个彼此没有因果联系的区域。怎样才能解释这种没有联系的个彼此没有因果联系的区域。怎样才能解释这种没有联系的协调呢协调呢l所谓视界，即所谓视界，即L Lhorhor(t)=ct,(t)=ct,指宇宙刚诞生指宇宙刚诞生发出的信息在发出的信息在t t时刻最多能走多远时刻最多能走多远-这是能有相互影响的空间两点之间最大这是能有相互影响的空间两点之间最大距离，即有因果关系的最大距离。距离，即有因果关系的最大距离。l宇宙具有极高的宇宙具有极高的各向同性各向同性的性质，即方向上的的性质，
32、即方向上的均匀性。从地球上向外看，宇宙在大尺度上是均匀性。从地球上向外看，宇宙在大尺度上是一样的，不管我们朝什么方向看都是一样。一样的，不管我们朝什么方向看都是一样。仔仔细测量残留的宇宙背景细测量残留的宇宙背景热辐射热辐射之后，人们发现之后，人们发现从各个方向来的辐射通量具有精确的均衡，从各个方向来的辐射通量具有精确的均衡，相相差仅差仅1 1千分之千分之1 1多一点。假如大爆炸是一个随机多一点。假如大爆炸是一个随机事件，事件，这种异乎寻常的均匀性几乎是绝对不可这种异乎寻常的均匀性几乎是绝对不可能的能的。l大统一理论预言，在大统一理论预言，在10101515GevGev以上是统一的；以下要经历一
33、次以上是统一的；以下要经历一次从对称到破缺的相变，即从对称到破缺的相变，即真空的自发破缺真空的自发破缺，破缺后的真空会，破缺后的真空会形成许多区域，每个区域内的真空状态都是相同的，而不同形成许多区域，每个区域内的真空状态都是相同的，而不同区域的真空态则不相同，这些区域的交界处就是区域的真空态则不相同，这些区域的交界处就是磁单极磁单极，由，由此算出磁单极的质量约此算出磁单极的质量约l10101616GevGev, ,约约0.020.02微克，这个重量几乎可以用宏观精密天平来微克，这个重量几乎可以用宏观精密天平来称！由此算出宇宙膨胀至今的磁单极数密度应为约称！由此算出宇宙膨胀至今的磁单极数密度应为
34、约1010-8-8cmcm-3-3, ,但与事实相反但与事实相反 ，我们，我们至今没有任何磁单极存在至今没有任何磁单极存在的实测证据；的实测证据；不仅如此，算出的磁单极密度约为不仅如此，算出的磁单极密度约为l2X102X10-16-16g/cmg/cm-3-3 ，远大于远大于c c, ,这样高的密度这样高的密度 ，使得今天的宇，使得今天的宇宙年龄年轻到了十分荒谬的程度。宙年龄年轻到了十分荒谬的程度。l 以上疑难的根源在于，以上疑难的根源在于， 宇宙膨胀速度太慢，在宇宙膨胀速度太慢，在 大统一时期它必须以极大统一时期它必须以极 快速度膨胀。快速度膨胀。l麻省理工学院的学者阿伦麻省理工学院的学者阿
35、伦固斯提出了固斯提出了“暴涨宇宙模型暴涨宇宙模型”，他认为，他认为早期的宇宙，早期的宇宙，大统一时期大统一时期不是象现在这样以较慢的速不是象现在这样以较慢的速率膨胀，而是存在着一个快速膨胀的时率膨胀，而是存在着一个快速膨胀的时期，期，宇宙的加速度膨胀宇宙的加速度膨胀使其半径在使其半径在远远远远小于小于1 1秒钟的时间里秒钟的时间里增大了增大了100100万亿亿亿万亿亿亿（1 1的后面跟的后面跟3030个个0 0）倍。）倍。 34341034l在暴涨状态下，在暴涨状态下， = = (8(8GGvocvoc/3)/3)0.5 0.5 Rexp(8GRexp(8Gvocvoc/3)/3)0.50.5
36、tt大统一理论给出真空大统一理论给出真空(8(8GGvocvoc/3)/3)0.50.5约为约为10103434, ,如果如果暴暴涨持续涨持续1010-32-32秒以上的时间秒以上的时间，在此期间，在此期间，R R约膨胀了约膨胀了10104343倍倍，考虑考虑暴涨后大统一时期的尺度暴涨后大统一时期的尺度，视界困难不存在，真空交视界困难不存在，真空交界区域自然不存在，磁单极困难也不存在。由于暴涨期内，界区域自然不存在，磁单极困难也不存在。由于暴涨期内，暴涨使暴涨使R R增大增大10104343倍，倍， vocvoc非常小非常小，膨胀后，膨胀后 仍约为仍约为1 1；这样平坦性疑难也获得了解决。这样
37、平坦性疑难也获得了解决。 仍约为仍约为1 1的宇宙称为爱的宇宙称为爱因斯坦因斯坦-德西特宇宙；德西特宇宙；( )/H tRRl由于由于R R增大增大10104343倍倍 ，T T下降下降10104343倍倍 ，暴涨，暴涨后宇宙温度极低，完成假真空到真真空后宇宙温度极低，完成假真空到真真空状态过渡的状态过渡的相变相变，这时假真空的能量密，这时假真空的能量密度作为潜能在相变过程中释放出来，产度作为潜能在相变过程中释放出来，产生大量的粒子，并进行生大量的粒子，并进行重新加热重新加热，使宇，使宇宙回复到标准大爆炸宇宙学的演化轨道宙回复到标准大爆炸宇宙学的演化轨道上来。上来。l暗物质是暗物质是暴涨宇宙学
38、暴涨宇宙学所所要求存在的，即要求存在的，即约为约为1 1。l实际观测得到的实际观测得到的星系及星系及星系团的质量远小于动星系团的质量远小于动力学方法算出的质量力学方法算出的质量，明确指示出暗物质的存明确指示出暗物质的存在！右图的灰色纤维状在！右图的灰色纤维状区域即是暗物质。区域即是暗物质。l首先，首先，不发光的物质不可能是重子物质不发光的物质不可能是重子物质! !因为因为一个重子为主的宇宙，扰动必须到复合时代才一个重子为主的宇宙，扰动必须到复合时代才开始增长，在其增长期内不可能达到今天观测开始增长，在其增长期内不可能达到今天观测到的星系和星系团结构。到的星系和星系团结构。l因此，因此，暗物质应
39、是非重子物质暗物质应是非重子物质；只有弱作用和；只有弱作用和引力作用的不发光物质由于与辐射场之间没有引力作用的不发光物质由于与辐射场之间没有耦合，他们的扰动在复合时代以前就可以开始耦合，他们的扰动在复合时代以前就可以开始增长。增长。l1 1. .热暗物质热暗物质：质量很小，速度接：质量很小，速度接近光速。近光速。l2.2.冷暗物质冷暗物质：质量较大，速度较：质量较大，速度较慢。慢。l假设暗物质仅是热暗物质组成假设暗物质仅是热暗物质组成，那么必然是，那么必然是先生成超先生成超星系团星系团，然后碎裂成星系团，进一步碎裂为星系；这，然后碎裂成星系团，进一步碎裂为星系；这个模型可以解释个模型可以解释“
40、巨空洞巨空洞”，“纤维结构纤维结构”。但现在。但现在已观测到红移为已观测到红移为6 6到到7 7的类星体，星系似乎在超星系团的类星体，星系似乎在超星系团形成前就存在。形成前就存在。l假设暗物质仅是由冷暗物质组成假设暗物质仅是由冷暗物质组成，那么，那么必然是先生成必然是先生成比星系小的天体比星系小的天体，形成球状星团，然后通过并合形成，形成球状星团，然后通过并合形成星系，星系团乃至超星系团；但这个模型很难解释观星系，星系团乃至超星系团；但这个模型很难解释观测到的巨洞和纤维状结构。测到的巨洞和纤维状结构。l一般的说：冷暗物质模型适合解释宇宙一般的说：冷暗物质模型适合解释宇宙小尺度结构；热暗物质模型
41、适合解释宇小尺度结构；热暗物质模型适合解释宇宙大尺度结构。宙大尺度结构。l人们自然的想到，冷暗物质混合模型会人们自然的想到，冷暗物质混合模型会更好。更好。l负引力负引力的概念由爱因斯坦在世纪初提出，的概念由爱因斯坦在世纪初提出，也被称为也被称为“暗能量暗能量”。“暗能量暗能量”据认为更接据认为更接近能量，而非物质。科学家认为，与暗物质一近能量，而非物质。科学家认为，与暗物质一样，样，“暗能量暗能量”构成了宇宙中不可见的一部分。构成了宇宙中不可见的一部分。爱因斯坦提出爱因斯坦提出“暗能量暗能量”时自己都不相信其合时自己都不相信其合理性，科学界至今对负引力也还几乎没有什么理性，科学界至今对负引力也
42、还几乎没有什么认识。但科学家估计，认识。但科学家估计，“暗能量暗能量”可能占据了可能占据了宇宙成分的三分之二，对它的了解对于理解时宇宙成分的三分之二，对它的了解对于理解时间、空间、物质和能量具有关键作用。间、空间、物质和能量具有关键作用。 l右图中，左下为距我右图中，左下为距我们们110110亿光年的亿光年的IaIa型型超新星爆发，右下即超新星爆发，右下即为暗能量。为暗能量。l 超新星即爆炸中的恒星，它发出的亮度是几十亿颗超新星即爆炸中的恒星，它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。测定超新星的亮度，可以用来判断恒星亮度的总和。测定超新星的亮度，可以用来判断宇宙膨胀的速率。在宇宙减速膨胀中诞生的
43、星体，其宇宙膨胀的速率。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。会发现其光要比预计中更亮。 科学家们经过大量的计算和分析确认，科学家们经过大量的计算和分析确认，“ ”的亮度是预计正常亮度的两倍，比距离更近、的亮度是预计正常亮度的两倍，比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家们据此更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家们据此判定，这颗超新星爆发于宇宙的减速膨胀阶段判定，这颗超新星爆发于
44、宇宙的减速膨胀阶段, 而后宇而后宇宙便加速膨胀。宙便加速膨胀。l有关有关“”的新发现，为的新发现，为“暗能量暗能量”的存在提供了新的存在提供了新的佐证。科学家认为，宇宙膨胀速率之所以发生变化，其原因在的佐证。科学家认为，宇宙膨胀速率之所以发生变化，其原因在于除引力外还存在负引力，两者综合决定宇宙膨胀速率。引力如于除引力外还存在负引力，两者综合决定宇宙膨胀速率。引力如胶水一样，试图把物质结合在一起；负引力与引力相反，试图将胶水一样，试图把物质结合在一起；负引力与引力相反，试图将物体分开。当引力强于负引力时，宇宙间物质相互间总体表现为物体分开。当引力强于负引力时，宇宙间物质相互间总体表现为互相吸引
45、，呈减速膨胀；反之，总体效果为互相背离，宇宙膨胀互相吸引，呈减速膨胀；反之，总体效果为互相背离，宇宙膨胀加速。加速。 科学家说，在任何一个给定的空间里，负引力的量科学家说，在任何一个给定的空间里，负引力的量很小，它的作用在日常生活中不能被感觉出，但在广很小，它的作用在日常生活中不能被感觉出，但在广漠的宇宙空间中，其效果将非常强大，足于使星系和漠的宇宙空间中，其效果将非常强大，足于使星系和星系簇分离开。据推测，星系簇分离开。据推测，大约在亿年前，引力在大约在亿年前，引力在与负引力的较量中落败，负引力占据上风，与负引力的较量中落败，负引力占据上风，宇宙进入宇宙进入加速膨胀状态。加速膨胀状态。 l2
46、0002000年，年，Matt Matt RoosRoos等二人宣布他们的研究表明等二人宣布他们的研究表明宇宙临宇宙临界密度界密度为为0.970.970.050.05的临界密度，按天文学标准，进的临界密度，按天文学标准，进一步证实宇宙是平直的。但核物理的研究表明宇宙创一步证实宇宙是平直的。但核物理的研究表明宇宙创生之际烹调出来的生之际烹调出来的重子物质只能提供临界密度的重子物质只能提供临界密度的5 5，而可见的重子物质和恒星，星云等等加在一起还不到而可见的重子物质和恒星，星云等等加在一起还不到临界密度的临界密度的1 1，即使将维持星系成团的非重子，即使将维持星系成团的非重子暗物质暗物质都计算在
47、内都计算在内也达不到临界密度的也达不到临界密度的1/31/3，其余的，其余的2/32/3一定一定是其他神秘形式的如宇宙常数是其他神秘形式的如宇宙常数所代表的暗能量了。所代表的暗能量了。WMAPWMAP卫星卫星关于微波背景辐射的观测证明了这一点。关于微波背景辐射的观测证明了这一点。 l20012001年，日本天体物理学家年，日本天体物理学家Kenji TomitaKenji Tomita从观测到距从观测到距离地球离地球6.56.5亿光年至亿光年至1010亿光年之间在所有方向上的星系亿光年之间在所有方向上的星系组成的组成的“星系长城星系长城”后认为，我们后认为，我们银河系处在一个星银河系处在一个星
48、系稀少的系稀少的“本空洞本空洞”中心附近中心附近，此处的空间膨胀，此处的空间膨胀“异异常常”的快。这样，作为银河系内太阳系内的观测者就的快。这样，作为银河系内太阳系内的观测者就会感觉到好象会感觉到好象现在的宇宙相对于较老的遥远天体在加现在的宇宙相对于较老的遥远天体在加速膨胀速膨胀。 Kenji TomitaKenji Tomita认为空洞会产生幻觉使人感觉认为空洞会产生幻觉使人感觉到较近，较年轻的超新星在加速而较老，较远的超新到较近，较年轻的超新星在加速而较老，较远的超新星在减速。如果这是真的，暗能量的存在与否仍是个星在减速。如果这是真的，暗能量的存在与否仍是个未有定论的问题未有定论的问题l：
49、空洞空洞（6060MpcMpc) )l：长城长城( (长长170170MpcMpc, ,宽宽6060MpcMpc, ,厚厚5 5MpcMpc）l：”北阴极星系周期分布北阴极星系周期分布”l：“长蛇长蛇-半人马座半人马座”，距离约，距离约4343MpcMpc，总质量为总质量为5 510101616M M。 1 1. . 等级式宇宙学等级式宇宙学。 2. 2. 稳恒态宇宙学稳恒态宇宙学。 3. 3. 正反物质对称宇宙正反物质对称宇宙学学l伏库勒提出伏库勒提出: : 宇宙有等级式的结构宇宙有等级式的结构, , 即星即星 系、本星系群、星系团、超星系团、本系、本星系群、星系团、超星系团、本 超星系团超
50、星系团。 有些人把这模型称为有些人把这模型称为 “ “套娃套娃” ” 模型，它模型，它不不 能用数学形式表达。能用数学形式表达。l19481948年霍伊尔与邦迪一起提出了稳恒态年霍伊尔与邦迪一起提出了稳恒态宇宙学。这个学说认为，宇宙不断膨胀，宇宙学。这个学说认为，宇宙不断膨胀，物质不断创造出来，使星系时间密度不物质不断创造出来，使星系时间密度不随时间改变。但也有人认为，这个学说随时间改变。但也有人认为，这个学说违背了质能守恒等物理规律，它所预言违背了质能守恒等物理规律，它所预言的星系分布和射电源计数等也与观测不的星系分布和射电源计数等也与观测不符。因此，未被广泛接受。符。因此，未被广泛接受。
