标准宇宙模型

标准宇宙模型的发展和展望

摘要： 《观测宇宙学》第三章宇宙模型和宇宙的演化，主要介绍了从广义相对论建立以来，人们对宇宙的认识的变化过程。通过对本章的学习，我了解到了几种不同的宇宙模型，以及他们各自的优缺点，了解了在各个模型条件下宇宙的诞生和演变过程。其中有代表性的有伽莫夫大爆炸宇宙模型、霍伊尔的稳恒态宇宙模型、狄拉克大数宇宙模型等。在此，我仅根据自己的理解以及文献的参考，谈一谈自己对标准宇宙模型的理解以及该模型的可观测证据和它所面临的困难。

关键词：标准宇宙模型；证据；困难；

一，标准宇宙模型

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。他是一种结合核物理、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.爱因斯坦宇宙

1916年，爱因斯坦发表了广义相对论，提出了引力只不过是由于物体的质量而使时空变弯曲的后果。在此基础上建立的爱因斯坦宇宙模型，为现代宇宙学奠定了基础。

广义相对论在以下两个极端的领域里应当是重要的。一个是在超高密度物质附近，例如在中子星或黑洞等致密天体附近，时空的弯曲将很显著；另一个是在宇宙尺度上，尽管宇宙的平均密度很低，时空弯曲很小，但因宇宙涉及的尺度极大，时空弯曲在大范围的积累效应不可忽略。

爱因斯坦宇宙是一个静态的宇宙，该模型的一个严重缺点是它的不稳定性。按此模型，宇宙一旦经受了一个即使是非常微小的收缩，则由于引力的增加，必将一直收缩下去；反之，一旦有一个微小的膨胀，则必将一直膨胀下去。既然爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的，也就没有必要再假设宇宙是静止的了。

2.弗里德曼宇宙

1922年，弗利德曼提出了宇宙在膨胀的假设。1927年，勒梅特利(G. Lemaitre)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。 弗里德曼宇宙采用RW 度规，形式如下：

]d sin d 1d [)(d 22222222

2?θθr r r k r t R s ++-= （1.1） 其中k 称为曲率指数，可以取 1, 0和 -1三个值。当

k =1时，r 的取值范围限制在小于1，否则分母会取

零或负值，d s 可能是虚数。当k =1时，宇宙的尺度

范围σ=R r 是有限的，或者说是封闭的，这时R 相

当于宇宙的半径。当k =-1时，宇宙的尺度范围

σ=R r 可以取任意值，是无限的，或者说是开放的，

这时R 只是宇宙中某个典型的尺度。

对于膨胀的宇宙，0d /d >=t R R

, R ( t ) 随着时间t 的增长而增大。然而，引力的存在使膨

胀速率减慢，故有 /R

R t =

其中H t ()是t 时刻的哈勃常量，可以与现在时刻t t =0的哈勃常量H 0不同，q 是宇宙减速因子。

二，热大爆炸

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。这个大爆炸宇宙学由于只用了已知的物理学规律，非常简单地描述了宇宙的性质、运动和演化，并得到了观测事实的支持，现在已为大多数学者所认可，称之为宇宙学的标准模型。

三，宇宙的演化

表一给出了宇宙演化的时间表。我们今天的物质世界，是在约一二百亿年时间内，由一连串的物理过程逐步形成的。物质世界各色各样的粒子是在宇宙诞生仅约10-44s 的普朗克时代产生出来的。

表一：宇宙的演化过程

四．标准宇宙模型的观测证据

1.宇宙背景辐射

宇宙背景辐射的发现和热谱的验证，历来被视为证实了标准宇宙的一项重要预言。标准模型认为充满宇宙的背景辐射产生于宇宙的早期，且随着宇宙的膨胀而冷却，COBE卫星的观测结果证实了波长约从0.5mm到30mm的波段内，宇宙背景辐射谱与各向同性的热普朗克谱符合极佳。“标准模型就断言其谱必定非常接近于

热谱，而观测结果正是如此”

2.轻元素丰度和中微子代数

在标准宇宙模型中，宇宙早期的热密状态下，一

系列的热核反应确立了有关轻元素的相对丰度，具体

的丰度值则依赖于诸宇宙学参数。右图给出了标准模

型预言的轻元素丰度。已知现在的温度值T0，并假定

一个现实的物质密度，宇宙的热史便随之确定，包括

整核综合时期的密度、温度和膨胀速率。在物质均匀

分布，且轻子数可与重子数相比拟的标准计算中，所

得到的轻元素丰度和观测结果符合极佳，这是标准模

型的又一重要成就。

3.红移的原本问题

标准模型认为河外天体光谱线的红移源于宇宙膨

胀，故高红移天体必较低红移天体更远。总所周知，

已经有大量的观测事实支持了这一论断。标准宇宙模

型预言了低红移星系会对高红移天体产生引力透镜效

应。而观测上已经发现的前景星系和星系团对类星体

的引力透镜成像，为这类高红移类星体处于地红衣星系背后提供了实例。

4.星系和类星体的演化

在标准模型中，相应于红移Z≈0.6---1的宇宙年龄为今日宇宙年龄的一半，如今观测到的天体的最大红移值已经超过7，标准宇宙模型预言，在这样大的红移范围之内，应该能观测到星系和类星体性质的显著演化。

检验演化的方法之一是星系随红移或视星等的计数。对致密富星系团的认证深度已经达到Z≈1，Z≥0.8的某些富星团显示出一些反常的蓝星系，即所谓的Butcher-Oemler效应。

强射电星系的认证已达到相当高的红移，射电星系的光学-红移外形态表现出某种随红移变

化的显著趋势。在红移Z≈2-2.5处，类星体的数目至少为现时的103倍。因此，在宇宙历史上似乎有一个“类星体时期”，他们表现出了数目的演化。

五．标准模型的困难

标准宇宙模型系统的阐述了宇宙演化各个时期的物理状态和演化过程，给出来一幅非常自然的图景，并且解释了大量的观测事实。这一理论的巨大成功是20世纪科学的重大成就之一。

宇宙学的标准模型在成功地解释了宇宙的基本观测事实之后，也还面临着两方面的挑战。一方面，标准模型本身还存在一些根本性的困难；另一方面，观测技术的进一步改进还会带来新的挑战。

在宇宙早期，如在普朗克时代，由于空间高度弯曲，引力场必须量子化，这属于量子宇宙学问题。20世纪80年代以来，量子宇宙学已有了一些很有思想性的推断，但远未形成成熟的理论。到大统一时代，尽管已经产生了像重子起源和暴胀宇宙这样重大的概念性突破，但是大统一理论本身还带有很大的猜测性和不准确性，它还远远不是一种成熟的理论。而且，由于涉及的粒子能量非常高，不可能通过加速器来取得数据。从天文学角度看，只能通过遗

迹来判断大统一时代的情况，这也十分困难。

学角度看，只能通过遗迹来判断大统一时代的情况，这也十分困难。

复合时代以来，宇宙经历着从均匀气体的平庸状态演化到星体世界的过程，这又是一个十分重要的难题。从纯理论的角度看，结构形成理论至少依赖于三个基本的宇宙信息，即宇宙密度有多大，今天宇宙的主要组分是什么，扰动的最初起源是什么。这些信息都密切地与甚早期宇宙的知识和超高能物理的知识相联系，我们对它们的了解至今还不准确。

此外，宇宙的标准模型还存在几个根本性的困难，其中最主要的是所谓的视界疑难、平直性疑难和磁单极疑难。 1 ) 按照大爆炸宇宙学，计算宇宙极早期 (如10-39 s )的热力学过程可以得到一个结论：那时宇宙中至少存在1083个无因果关系的区域。这意味着极早期的宇宙是极不均匀的。但是，宇宙学原理和微波背景辐射都表明宇宙是十分均匀的，那么宇宙是怎样在极短的时间内一下子由极不均匀变得十分均匀了呢？这就是所谓的视界疑难。 2 ) 根据大爆炸宇宙学和现在的观测事实可以推断，在宇宙年龄接近普朗克时间t p 时，应该有

58c 10/-<-ρρρ作为宇宙演化的初始条件，

这就是说宇宙在极早期已经十分接近平直，然而为什么会这样？这就是所谓的平直性疑难。3) 理论计算表明，宇宙中所含磁单极子密度n ≥ 4?10-3 /m 3，可是实验观测并没有发现磁单极子。根据实验的精度，如果磁单极子存在的话，其密度n < 8?10-19 / m 3. 理论与迄今为止的实验观测很不一致，这就是所谓的磁单极疑难。这些疑难的一个关键是宇宙的膨胀太慢。

六．结论

标准宇宙模型自诞生以来，经过一代天文学家的不断研究，理论上的不断补充，已经日渐完善。已经能够解释许多观测现象。给出来的宇宙图景，宇宙演化史也比较清晰。同时他还有许多不完美的地方，需要实验水平的不断提高，观测手段的不断创新才能有所突破。

目前，宇宙学是一门数据贫乏的科学。我们需要更多地知道有关宇宙的现在和它的早期时刻的情形。关于后发座星系团的重子物质的观测，氘丰度和哈勃常量的新测定，宇宙物质的原初扰动和 γ射线暴(来自宇宙空间的一种 γ射线突然增强的现象)的观测研究，所有这些新的发现都是对宇宙学标准模型的新的挑战。对这些新老问题的研究，必将使宇宙学继续发展。在发展和完善宇宙学标准模型的同时，继续寻找有活力的其他宇宙模型也是十分重要的。

七．参考文献

何香涛， 《观测宇宙学》

卞毓麟， 天文学进展， 3（1985）， 129

Peebles, P .J.E.et al, Nature, 352(1991) 769

张相轮， 《大爆炸宇宙学》