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, New York.

 

 

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