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现代宇宙学的天文观测基础及其解释(三)
主要内容:
*对宇宙中氦丰度的两种解释
*宇宙空间在加速膨胀的观测基础
*宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙中的氦丰度都没有肯定宇宙‘大爆炸’的存在
3),对宇宙中氦丰度的两种解释
‘大爆炸’宇宙学认为,在宇宙最初期,物质粒子只有夸克、轻子,可能还有Higgs 粒子;以后随着宇宙膨胀降温,。在大爆炸后大约10-5 秒,温度约 10万亿度时,质子和中子开始形成;在大爆炸后大约13.8秒,温度约30亿度时,氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成。‘大爆炸’宇宙学认为, 宇宙中的氦主要是在宇宙最初期由质子和中子合成的,根据当时的温度可计算出宇宙中的氦丰度(即氦的质量所占通常物质质量的百分比),详细讨论和计算请参阅宇宙学教科书有关章节。‘大爆炸’宇宙学对氦丰度的计算的结果基本上是符合观测数据的,故主流宇宙学认为这也是存在宇宙‘大爆炸’的另一重要证据。可是对宇宙中的氦丰度的来源,也有另外的解释[1]:早在1950年代,有些宇宙学的学者曾主张,宇宙中的氦主要是在各恒星内部合成的,然而详细的计算表明,宇宙中所观测到的氦丰度难以于年之中在各恒星内部合成;年是根据‘大爆炸’宇宙模型所算出的宇宙目前的大致寿命。
可是,对修改的宇宙模型来说,宇宙至今已经历了无穷长的时间,氦在各恒星内部合成有着足够的时间。因此,主张宇宙中的氦主要是在各恒星内部合成的观点也有可能是对的。于是,对宇宙中的氦丰度的形成,存在两种不同的解释,并对应于两种不同的宇宙演化理论。那一种正确?有待于今后的观测事实和理论分析来决定。
4),宇宙空间在加速膨胀的观测基础
Ia型超新星是超新星中的一种类型,它具有相对均匀的光谱、光变曲线及峰值光度,是较好的相对距离指示器。一旦它们的绝对光度得到标定,就可以定出它的距离和哈勃常数。
对一个Ia超新星,可分别测出它的宇宙学红移z和相对于观测者的距离L1,这也大约是该Ia超新星所属的星系的宇宙学红移和相对于观测者的距离。若假定宇宙是匀速膨胀,用z也可以算出该Ia超新星的距离L2,然后和测出的实际距离L1比较,如果L1=L2,则宇宙是匀速膨胀,如果L1<L2,则宇宙是加速膨胀,如果L1>L2,则宇宙是减速膨胀。结果得到的是L1<L2,这就是说,由Ia型超新星之光度-距离的分析,表明了宇宙空间在加速膨胀。
宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙中的氦丰度都没有肯定宇宙‘大爆炸’的存在
人们曾经认为宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙中的氦丰度这些观测事实可以肯定宇宙‘大爆炸’的存在;通过以上的分析,我们看到,对这些观测结果可以有不同的解释,既可以用发生过宇宙‘大爆炸’来解释,也可以不用宇宙‘大爆炸’来解释。也就是说,宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙中的氦丰度这些观测事实不是存在宇宙‘大爆炸’的充分条件,仅靠它们不可能肯定宇宙‘大爆炸’的存在。
要判断是否存在宇宙‘大爆炸’须要更多的观测和实验例如:
a),通过观测能否发现其年龄比根据‘大爆炸’宇宙模型所算出的宇宙寿命还要长的星体。
b),通过观测能否肯定黑洞存在或不存在,若能肯定黑洞不存在,这就意味着物质场能量密度不可能是无限大,因之宇宙‘大爆炸’也就不可能存在。
c), 进行检定Higgs粒子是否存在的实验,暴涨理论须要Higgs粒子,如果Higgs粒子不存在,就可能意味着‘大爆炸’不可能发生。
等等。
参考文献
[1] Weinberg S. 1972, “Gravitation and Cosmology”, Wiley,
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