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研究宇宙的现状 进入20世纪以来，由于人类科学技术的飞速发展，天文观测手段出现一次又一次的革命性的进展，观测到了上百亿光年的宇宙空间，了解到天体的上百亿年的时间演化。天文学家们对这样的大尺度空间和悠久的时间里的物质演变产生了浓厚的兴趣。如何解释已观测到的许许多多客观事实，如何利用现代物理学对这许许多多观测事实给予科学的说明？这些就是现代宇宙学的任务，它是天文学中的一个分支。也就是说，现代宇宙学从整体上研究大尺度的时空性质，物质运动的规律。它是当代天文学中最活跃的前沿阵地之一。现代宇宙学的最大特征是必须尊重观测到的客观事实，不能凭想象。而且必须能在理论物理学的基础上给予科学的说明。它涉及到恒星的起源和演化，星系的起源和演化，元素的起源和演化等多方面的基础理论问题。人们最想知道的是：宇宙是什么样子呢？宇宙有多大？宇宙的结构如何？宇宙有没有诞生之日和终结之时？ 在物理学研究深入发展的同时，人们也在力求对时空大尺度上，即从整体上认识宇宙。宇宙的起源、结构和演化都是人们关心的课题。物理学与高科技的结合，创造了口径相当于25米的巨型光学望远望、空间X射线和红外线望远镜以及地域甚大的天线阵列射电望远镜，这不仅使人们观测宇宙的窗口从红外、可见光一直延伸到X射线。如今，在人类面前，已展现出一幅生动壮丽的宇宙画面。 以现代高能粒子物理与广义相对论为基础建立起来的理论宇宙学，已能从理论上描述出从原始火球大爆炸，到星系形成和演化的整个过程。大爆炸模型已经由现代天文学的观测，如河外星系谱线红移、3K微波背景辐射以及氦丰度等得到了一定的证实。与此同时，在解决这一模型自身的问题，如视界问题、平坦性问题和磁单极问题等的过程中，与高能物理真空相变理论相结合，又发展成更为完善的暴胀宇宙模型。虽然具有暴胀机制的大爆炸模型为宇宙学的发展奠定了基础，然而随着量子引力理论的发展，有关量子宇宙学的一系列更深层次的问题，如宇宙时空拓扑结构、基本耦合常数的真空参数问题、宇宙常数的动力学解释等，又引起了更新一轮的激烈争论。这场理论研究的重要进展的源头，即把世人的目光从一般天体引向宇宙整体的就是哈勃定律的建立。研究表明，宇宙的年龄、演变及结局，在很大的程度上决定于它的膨胀速率。对宇宙膨胀的观测大体分成两个方面，这就是测定星系的运动速率与测定地球到星系的距离。前者关系到宇宙的形成模型及有关理论的发展，而后者则是估算天体亮度、质量和大小的重要依据，然而无论哪一种，都取决于哈勃常数的测量。哈勃常数已成为近代宇宙学中最重要的基本常数之一。此后经历了有哈勃常数值修正的三次高潮；多余天线温度的发现；宇宙微波背景辐射的证实；宇宙标准模型——大爆炸宇宙学的建立；观测宇宙学的进展，暗物质困境；非标准宇宙模型 20世纪以来，天文学家们建立起多种宇宙模型。概括起来主要有两大派别：一类叫稳恒态宇宙模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的，稳恒不变。不仅在空间上是均匀的，各向同性的，而且在时间上也是稳定的。这是1948年英国天文学家邦迪（Hermann Bondi）等人提出的；另一类叫演化态模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。这是1922年，苏联数学家弗里德曼（Friedmann）在解爱因斯坦引力场方程时得到的。在众多的宇宙模型中，目前影响较大的是热大爆炸宇宙学说。 宇宙标准模型——大爆炸宇宙学的建立 1917年，爱因斯坦发表了著名论文《用广义相对论对整个宇宙的考察》①，开创了宇宙学的研究。爱因斯坦根据广义相对论认为，任意一点的四维时空连续区的度规应由物质及其分布状态决定。由于物质分布在局域上看是不均匀的，时空连续区的局域度规也将是复杂的。然而从大的范围上看，宇宙的物质及状态的分布是均匀的，所以度规是缓慢弯曲的，呈近似球形空间。为了使物质有可能呈准静态分布，爱因斯坦在引力场方程中增补了一个耍_0的附加项，此时度规线元中表示符号的系数k=+1，对应于爱因斯坦的静态宇宙模型。 宇宙暗物质的研究。 人们很关心，数量如此巨大的暗物质究竟是什么？最初，很自然地把它们设想为一些暗星，如不发光的行星、小恒星、冷却了的白矮星、中子星、黑洞以及弥散气体或宇宙尘等。这些暗物质都是由重子组成的。然而，根据大爆炸宇宙学关于轻元素原子的合成理论，可以通过对氘核观测的下限，推断出重子数与光子数之比为纾_7×10-10。这表明，所有的重子对宇宙平均密度的贡献，不到整个宇宙物质的百分之十，宇宙中如果存在有暗物质，它们不可能是重子物质。它们是什么？只能从粒子物理中寻求答案。在众多候选的基本粒子之中，中微子是呼声较高的一个。首先，宇宙中中微子的量的10-5倍，整个宇宙90%的质量将集中在中微子之上。过去普浓度比原子浓度大50亿倍，即使一个中微子的质量小到电子质遍认为它的质量为零并没有经过严格的理论或实验上的证明。然而，如果中微子若真能对宇宙物质做出决定性的贡献，它必须具备10～30eV的能量，这也必须从观测上获得证实。然而尽管近几十年来，人们多方致力于这方面的观测，目前仍无确切结果。除了中微子外，人们还从目前尚未发现的未知粒子中寻找候选者，论及较多的是轴子。为确保强相互作用的cp对称，曾引入这个称为轴子的标量粒子，光微子是光子超对称的对应粒子。它们共同的特点是相互作用极弱，如果它们确实对宇宙绝大部分质量有贡献，就应大量存在在宇宙中，也应能有较多的机会发现它们。然而，近20年来，人们通过各种途径与观测手段，都未能得到确切的结果。 尚未观测到的暗物质存在与否，对大爆炸宇宙学是一个至关重要的问题。暗物质的存在，除与宇宙大尺度成团结构的形成有密切关系外，它还决定了当前宇宙演化的进程。 近二三十年来，暗物质的探测已成为观测宇宙学、粒子物理学共同的热门课题，因为对暗物质的研究不仅决定了宇宙大尺度层次结构形成的机制，也决定着对宇宙整体演化图象的认识。此外，如果暗物质的组分如果是一种尚未发现的粒子，无疑粒子物理学也将能从暗物质的研究中获得有益的进展。1983年，美、英、荷兰联合投资开发了第一颗红外天文卫星IRAS，它将为大范围的宇宙物质分布提供可靠数据。1987年，英国天体物理学家鲁滨逊等人，研究分析了IRAS对2400个星系的观测数据，首次得到了用光学手段无法取得的银河系附近5亿光年范围内的三维物质分布图。该图显示，银河系被以室女、长蛇和人马为主的10多个星系团所吸引，它们合力作用恰与银河现今运动情况相一致，而与微波背景辐射方向相反，因而对所观测到的各向同性微波背景辐射的微小不均匀性成功地做出了解释。根据IRAS图所提供的数据，加上对银河系所受合引力的分析，可以得出宇宙具有近临界密度值，因而为起码有90%或更多的宇宙暗物质存在做出了断言。但是这些暗物质是什么，至今仍无一致结论，宇宙学的研究，仍然没有摆脱暗物质的困境。 热大爆炸宇宙学认为，大约在150亿年前，在一个致密炽热的奇点发生了惊人的热大爆炸。这场爆炸后，形成迅速的膨胀，逐渐形成了我们今日可见的宇宙。这就告诉我们，不仅宇宙间的万物在演化，大尺度的宇宙本身也是演化的主体。那么，现在有没有观测到的事实来支持这个观点呢？上面介绍的有关星系的红移现象和哈勃定律等，都支持了宇宙还在膨胀之中的论点。另外，20世纪60年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认为，星空背景普遍存在着2.7K微波背景辐射，这种辐射在天空中是各向同性的。这同由理论预言的热大爆炸遗留下的余热相符，有利地支持了大爆炸宇宙学的观点。但是，热大爆炸宇宙学也有些根本性问题没解决。如大爆炸前的宇宙是什么样，大爆炸是怎么引起的、宇宙的膨胀未来是什么结局？……。关于宇宙的问题虽然没有解决，但是，我们可以看到两个伟大的事实：一、人是宇宙物质演化的结果。而人的思维又反过来认识宇宙间的万物，充分体现了人的智慧和力量的伟大；二、人类对宇宙的认识，特别是近几十年来在观测事实和理论分析中都有巨大的飞跃，它预示着未来会有突破性的伟大成就，这是人类社会和科学发展的规律，我们每个人都不是局外人。 本文来源：https://www.dywdw.cn/d6e8e087d4d8d15abe234ef4.html
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2022-05-01
![[中国,喜剧,现状]中国喜剧的研究现状](/static/wddqxz/img/rand/36.jpg)
