宇宙学标准模型

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。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。

2.宇宙标准模型的观测证据：

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：

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。

3.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射线暴的观测研究，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。