§20-5 标准宇宙学模型

宇宙的模型----43 = 82 = 26 = 64冯南云当我们站在地球上的任何一个地方，抬头往上看，仰视天空苍穹：白天我们看见蓝天白云，看见太阳，看见阴云密布；夜晚我们看见满天繁星、看见月亮、看见茫茫黑夜。

从古到今，多少人对着天空呼喊，天啊，你究竟有多高？多少人对着天空深思：天啊，你究竟有多大？多少人在计算、在想：天的边缘在何方？你从什么地方来，又到什么地方去？你何时生？又何时灭？时间和空间成了人类的心结。

宇宙不解的秘密成了人类梦想、创造的源泉。

从鲁班的木鸟到扎上羽毛飞天的试验，从飞机的诞生到航天飞机的出现，人类不断地把对天空的探求从梦想变成现实。

从伽利略的望远镜到哈勃望远镜的进步，人类仰视太空的视野不断地延长，不断地更深更远。

星球的红移现象使我们狂喜，原来宇宙是在不断地膨胀。

为什么太阳、月亮、地球不会相撞？宇宙的奇妙规律让我们不停、不停地思想。

宇宙是整体的生命。

人类只是整体生命的一部分。

宇宙孕育了人类的生长，一切的生命都是来自生命。

从来就没有上帝，从来就没有开始，也无所谓结束。

迷茫的人类在认识的局限中依然迷茫。

人类最大的局限性是无法想象一个没有边缘的东西。

在一切的变化里，人类不变的观念成了认识宇宙的最大障碍。

三维的空间和一维的时间构成四维。

在四维的时间里，人类获得身心的解放后又发现被限制了自由，光是宇宙的分子，所有的光组成宇宙。

光由粒子和波组成。

粒子可见，而波不可见。

可见的组成阳的世界，不可见的组成阴的世界。

阴阳的平衡运动变化产生万事万物。

粒子的世界演化成有形的质感的可观测的空间；波的世界是纯粹信息的不可观测但又可感觉振动的生命形式。

有形和无形可以互相转换，在变化的存在里组成整个时空，演化成整个宇宙，而且无休无止，无始无终，永不停息。

粒子和波的世界都是能量的世界。

能量的世界就是生命的世界。

能量守恒，生命处处平等。

这个世界上，你看不见的东西，并不代表它不存在。

你的运动速度追不上光的运动速度，所以你看不见宇宙的演化。

宇宙学标准模型宇宙模型指的是对宇宙的大尺度时空结构、运动形态和物质演化的理论描述。

所谓标准宇宙模型是指以弗里德曼宇宙模型为基础，伽莫夫将其运用于早期宇宙的演化而形成的一种宇宙模型。

它是一种结合核物理、粒子物理、相对论、量子力学知识对宇宙起源和演化的一种解释，是目前主流的宇宙模型。

1.标准宇宙模型：1922年，弗利德曼提出了宇宙在膨胀的假设。

1927年，勒梅特利进一步指出，当时已发现的星系谱线红移现象，可能就是宇宙膨胀的表现。

这些预言，被1929年发现的哈勃定律所证实。

这就是著名的弗利德曼宇宙模型，它是现代宇宙学的基础。

如果宇宙在长时间内一直在膨胀着，那么物质密度就一直在逐渐变稀。

往前追溯至宇宙尺度为今天的百分之一时，宇宙密度将达到今天的106倍，超过了星系的密度(约为今天宇宙平均密度的105倍)，于是星系将挤在一起，实际上它们不能存在。

由此可见，宇宙的结构在某一时间之前是不存在的，它只能是演化的产物。

在没有结团之前，宇宙一大片由微观粒子构成的均匀气体，在热平衡下有均匀的温度，称为宇宙温度。

气体的绝热膨胀将使宇宙温度降低，反之往前追溯，越早的宇宙就有越高的温度。

这样，甚早期的宇宙就应当是温度很高、密度很大的气体，它以很大的速率膨胀着。

这正是宇宙热大爆炸观念的基本看法。

1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。

他假设宇宙的历史可以追溯到温度1010K以上，这时粒子之间的热碰撞足以使原子核瓦解。

因此，原子核作为微观性结团，也只能是宇宙演化的产物。

伽莫夫等人成功地解释了氦的宇宙平均丰度高达1/4的事实。

可是，他的初步理论并没能赢得当时人们的信任。

直到最近20多年来，这一理论才发展得比较成熟。

可以设想，宇宙诞生的时候，物质密度为无限大。

这时，空间是高度弯曲的，能量集中为引力能。

随着宇宙的膨胀，引力能逐渐转化为粒子能，从而产生出各种各样的粒子来。

宇宙继续膨胀，温度继续下降，就会演出一幕幕生动真切的演化画面来。

宇宙模型物理知识点总结引言宇宙是人类永恒的探索对象，它的边界和起源一直是人类探索的焦点。

在古代，人们对宇宙的认识几乎停留在冥冥中无穷的宇宙观念上。

而随着科学技术的飞速发展，人们对宇宙的认识也在不断地深化和拓展。

在物理学领域，人们用各种方法和理论来模拟和解释宇宙的起源、演化以及未来的命运。

本文将对宇宙模型中的一些物理知识点进行总结，并简要介绍它们的基本理论和原理。

宇宙的基本构成宇宙是由各种物质和能量构成的，其中包括有形的物质、无形的辐射和暗物质。

根据宇宙的能量密度和组成，我们可以将宇宙的构成分为四个部分：普通物质、暗物质、暗能量和辐射。

普通物质是由我们所熟知的元素构成的，包括了氢、氦、氧等多种元素。

暗物质是一种尚未被直接观测到的物质，其存在是为了解释宇宙中的引力现象而提出的。

暗能量则是一种力量，被认为是引起宇宙加速膨胀的原因。

辐射则包括了宇宙微波背景辐射和各种宇宙射线，是宇宙中的能量传输方式之一。

通过测量和观测这些物质和辐射，我们可以了解宇宙的组成和演化，以及宇宙的未来命运。

宇宙的起源和演化宇宙的起源和演化是一个包含了物理学、天体学、宇宙学等多个领域知识的复杂问题。

目前人们普遍接受的宇宙起源理论是大爆炸理论。

大爆炸理论认为，宇宙是由一个初始的超高能量和温度的点发生了极快速的膨胀而产生的。

在这个过程中，宇宙经历了各种粒子和辐射的相互转换和产生，从而形成了我们所看到的宇宙。

大爆炸理论有着很好的观测支持，比如宇宙微波背景辐射的发现和宇宙背景辐射的观测数据。

在大爆炸理论的基础上，人们进一步提出了宇宙的演化理论。

根据宇宙的组成和能量密度，人们可以预测宇宙的未来命运。

在这个过程中，暗物质和暗能量的作用非常重要，因为它们决定了宇宙的演化和结构形成。

宇宙的膨胀和收缩宇宙的膨胀和收缩是宇宙学领域的一个重要问题。

根据观测数据和理论模拟，人们发现宇宙是在不断地膨胀中的。

膨胀的速度是由宇宙的能量密度和物质组成所决定的。

根据宇宙的膨胀速度和演化的理论，人们可以推测宇宙的未来命运。

第六章宇宙模型具体参见《观测宇宙学》第五章和第三章相关内容《物理宇宙学讲义》§4数学上著名的毛比斯闭合环形面宇宙理论的标准框架：n观测证实宇宙可以看成是一片始终均匀的介质（宇宙学原理）,它正处于膨胀状态n假定宇宙的行为服从广义相对论，这样就确定了宇宙的膨胀的动力学方程n通过观测获得一系列“初”条件这样就可以确定宇宙膨胀的整个历史。

当然，它的正确与否还需要观测的检验。

一.宇宙学原理模型宇宙（真实宇宙的简化）:物质是充满全空间的，永远均匀的，各向同性的。

(1) 宇宙中的物质是均匀分布的迄今没有发现尺度超过300Mpc的结构→宇宙是无边界的约100万个星系在30 度天空范围和20亿光年距离内的分布(2) 宇宙是各向同性的→宇宙没有中心Hubble’s law is the same no matter who is making the measurements.宇宙微波背景辐射的观测为宇宙学原理提供了有力的支持。

总之今天已有有力证据表明，以宇宙学原理为基础的模型是真实宇宙的好的零级近似．二．宇宙服从广义相对论引力是决定宇宙动力学的唯一作用力．这里的引力应由广义相对论描述．———又一基本假设牛顿宇宙观宇宙是永恒的、稳定的。

问题：物质→引力→宇宙坍缩绝对空间，就其本性而论与任何外界情况无关，始终保持相似和不变。

可能的解决途径：(1) 宇宙在空间和质量上是无限大的；(2) 宇宙在膨胀；(3) 宇宙有起点和终点。

(2)、(3)点违反宇宙永恒与稳定的性质，于是牛顿认为宇宙应该是无限的。

Isaac NewtonOlbers’s ParadoxIf the universe is infinite, unchanging, and uniformly populated with stars like the Sun,→Each line of sight must eventually encounter a star.→The entire night sky should be as brilliant as the surface of the Sun.Wilhelm Olbers(1758-1840)Seelinger’s ParadoxM RdRdfSeelinger ’s Paradox狭义相对论On June 30, 1905 Einstein formulated the twopostulates of special relativity:1. 相对性原理（The Principle of Relativity）物理定律在一切惯性参考系中都具有相同的形式space+timeàspacetime2. 光速不变原理(The Constancy of Speed of Light in Vacuum)在任何惯性参照系中，真空中的光速都是一个常数.)广义相对论1.等效原理（The Principle of Equivalence ）引力质量与惯性质量等效(Gravitational mass is identical with inertial mass.) 2.广义相对性原理或协变原理（The Principle of Covariance）物理定律的形式在一切参考系下都是不变的。

宇宙到底是一个什么样的形状呢？「大爆炸模型」已经彻底战胜了「稳恒态模型」可以这样说，我们不知道宇宙是不是就像大爆炸模型所描述的那样，但是到目前为止，我们没有发现比这个模型更好的解释，爱因斯坦的静态宇宙是这样的，兹威的光疲劳学说是这样的，霍伊尔的稳恒态宇宙论，以及完全宇宙学原理更是这样，这个关于宇宙创生的理论，我们可以称之为——「标准大爆炸模型」。

「标准大爆炸模型」面临三个难题标准大爆炸模型从上个世纪60年代开始起，逐渐成为了宇宙学研究的范式，但是关于大爆炸的理论故事还远远没有结束，标准的大爆炸模型也并非无懈可击，越来越多的人开始认识到这里面有些问题错误的离谱，完全无法解释，「标准大爆炸模型」主要面临以下三个难题：第1个难题——奇点问题、宇宙诞生的时刻，它的能量密度和温度都趋于无穷大，时间和空间都被集中于一个无穷小的点，许多物理学家无法解释，既无从大又无穷小的概念，这个问题可以看作是广义相对论的固有问题，许多人认为广义相对论只是一个经典理论，它不适用于解释宇宙大爆炸时刻的物理现象，就像牛顿定律不适合描述速度接近光速的物体一样，在这样小的尺度上，科学家认为应当用量子力学的方法来进行研究，比如将引力场量子化，但是人们距离得到这个问题的满意答案还相距甚远。

第2个困难——视界问题、物质在宇宙中的分布非常均匀，当宇宙还是一个30万岁的婴儿时期，它所发出的微波背景辐射几乎是各向同性的，所谓的微小起伏只有10的负5次方。

现代天文观测也表明，在足够大的尺度上，宇宙中的物质分布的特别均匀，以至于到处看起来都几乎一模一样，这种均匀就会引起一个非常重要的问题，那就是「视界问题」。

如果有一场两个小时的考试，考场中有两个学生的答案一模一样，连错的题目都一样，那几乎可以肯定的是，这两个学生在考试的时候互相对照答案，他们可能通过传纸条的形式进行了交流，这件事情很好理解，因为两个学生在一个考场，监考老师管的不严，他们就会有小动作，但是如果两个学生一个在地球上考试，另一个在三体人的老家「比邻星b」上考试，在考试时间只有两个小时的情况下，两个学生的答案还是一模一样，这就有些匪夷所思了。

关于宇宙模型和宇宙起点的论文郑帅引：在论文的开头首先要先说明一下大爆炸观点：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，并经过不断的膨胀到达今天的状态。

这一观点得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。

并有观测论据论证了这一点。

正文：通过大爆炸首先将引出第一个观点：宇宙在大爆炸的奇异点之前是什么样的？为了解释这一个问题首先让我来认识一下黑洞：根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。

当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。

而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

想一下宇宙之初是一个奇异点，如果是现在的宇宙必然会产生一个黑洞，那么还会有现在的宇宙吗？由此可以想出在大爆炸的奇异点之前的宇宙是没有空间时间的，也就是说随着大爆炸的瞬间，诞生了时间和空间，形成当今的四维空间。

接下来再让我们来看一下第二个观点：宇宙为何会大爆炸？现在众多的事实都可以说明宇宙在膨胀，可是你是否把宇宙膨胀和大爆炸联系起来。

宇宙之初的奇异点为何体积会如此之小？因为它受到了一种力的束缚，突然之间，这股力的消失给了奇异点释放了空间，同时也产生了时间。

（这个也与第一个观点相结合）因为力的突然释放，然而形成的大爆炸，宇宙之初形成了。

再让我们结合一下宇宙膨胀，也许宇宙的膨胀是由于宇宙之外的这种力并未完，只不过与大爆炸之时的突然消失要缓慢的多。

在霍金的《时间简史》中也有说过，宇宙在扩大中，有一种力在逐渐的消失。

接下来要论证的观点是我写这篇论文的中心内容：宇宙是什么？宇宙模型是怎样的？宇宙的概念，一直被人们所争论，这个问题也有很多的科学家在讨论。

有人认为宇宙是闭合的，而爱因斯坦则认为宇宙是一个有限无边的，但最终他认为自己是错误的。

但是他的这一种想法，使我产生了灵感。

宇宙是一个多层次的空间，这是我论文中的重点。

1.宇宙是由空间、时间、能量和物质所构成的统一体。

一般认为，宇宙产生于150亿年前一次大爆炸中。

大爆炸后30亿年，最初的物质涟漪出现。

大爆炸后20亿～30亿年，类星体逐渐形成。

大爆炸后100亿年，太阳诞生。

38亿年前地球上的生命开始逐渐演化。

太阳系：太阳系中共有八颗行星：水星金星地球火星木星土星天王星海王星。

（冥王星目前已被从行星里开除，降为矮行星）。

除水星和金星外，其他行星都有卫星绕其运转，地球有一个卫星月球，土星的卫星最多，已确认的有28颗。

行星小行星彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。

太阳占太阳系总质量的99.86%，其直径约140万千米，最大的行星木星的直径约14万千米。

太阳系的大小约120亿千米（以冥王星作边界）。

有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。

2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。

银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去?则呈旋涡状。

银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。

银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系，常简称星系。

现已观测到大约有10亿个。

星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。

平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。

现已发现上万个星系团。

包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。

若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。

超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。

通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。

本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。

目前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。

关于日心说与地心说。

公元2世纪，托勒密提出了一个完整的地心说。

这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动，月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转。