中科大相对论与量子力学讲义第3章 宇宙学.docxVIP

UGB234M 相對論與量子力學 宇宙學 3- 1 第三章 宇宙學 人類自古就對宇宙充滿好奇和幻想。宇宙從何而來？往何而去？廣義而言，宇宙學涉及的範 圍極廣，如神學、哲學、科學等都和宇宙學有關。宇宙學的眾多範疇內，在二十世紀有最突 破性發展的，應算物理宇宙學(physical cosmology)[Haw98,Lid99,Pee93,Roo97,Sil97]。物理宇 宙學所關心的是宇宙的物理性質，如時空的幾何、質能的分佈和流動等。天文學家憑藉大型 望遠鏡，在二十世紀開始對宇宙作深空觀測。在短短幾十年內，這些觀測的結果徹底地改變 了人類對物理宇宙的認知﹕原來宇宙生於一個大爆炸，並不斷在膨脹，而我們看得見的、發 光的物質遠少於不發光不知名的物質 ? ? ?這些僅是開始。踏入二十一世紀，物理宇宙學正 以前所未有的速度邁進;新一代的天文物理學家挾著現代精密的儀器，延續著對宇宙認知的革 命。 3.1 宇宙學的基本假設- 宇宙學原理 地球相對於宇宙，自是微不足道，人類就更渺小了。而我們以此微末之身，卻去研究偉大的 宇宙，是否既自大，又有點「以有涯隨無涯」的危險？具體而言，若果地球位處宇宙特殊一 角，則我們對宇宙的觀察便可能以偏蓋全，而建基於這些觀測結果的宇宙論亦或失去其普遍 性。我們不能忘記瞎子摸象的故事。所以，物理宇宙學的討論，均建基於均勻性及各向同性 – 統稱為宇宙學原理(Cosmological Principle) –這兩個假設之上﹕ ? 均勻性 (homogeneity) : 宇宙物質在極大尺度下的分佈是均勻的。 ? 各向同性 (isotropy) : 在極大尺度下觀測，宇宙在各個方向的性質相同。 大家可能覺得這宇宙學原理明顯和事實相違﹕我們看到的恆星、星系等，分佈顯然並不均勻， 從地球外望，各方向亦有很大分別。問題的關鍵，就在觀測的尺度上。大家現在呼吸著的空 氣，正好提供一個好例子。在人類感官的尺度下，地面的空氣是均勻的。但若我們用一個可 以放大千萬倍的顯微鏡去觀察附近的空氣，我們將看到空氣份子像很多小球在空間不斷互相 碰撞。不過在這個尺度下，物質的分佈就很不均勻了，有份子佔據的空間，密度就很高，份 子與份子之間卻是真空，密度等於零。想像我們縮小到和空氣中的份子大小相若，這時從任 意一個份子外望，不同方向的景觀就可能有分別。所以宇宙學的觀測，都要有「大而化之」 的精神。在以十億光年為基本尺度來看，宇宙物質的分佈趨於均勻。 涉及大尺度觀測時，我們亦要小心時間的影響。愈遠的星光，需要愈長的時間才來到地球。 所以我們觀察到幾十億光年外的星系，是其幾十億年前的狀態。宇宙的很多性質，如密度、 溫度等，幾十億年前和現在自有很大分別。所以應用宇宙學原理時，我們亦要剔除宇宙演化 的影響。 簡單而言，我們假設經演化的修正後，在宇宙中任何地方的觀測者將看到相同的宇宙性質及 物理定律。從大尺度來看，宇宙中所有地方都一樣，沒有邊界，也沒有中心。唯其如此，我 們從地球觀測宇宙，才有機會捕捉到有普遍性的法則。 宇宙學原理並不是唯心的假設;原則上，它是可以用觀測否證的。現有的宇宙學觀測結果，如 宇宙微波背景輻射的均勻性等[Ben96,Ber00,Haw98, Ker96,Lid99,Lin96,Pee93,Roo97, Sar96,Sil97] ，都支持它的真確。不過我們不排除宇宙學原理會被未來更精密的觀測所修正。 唯其如此，物理宇宙學才可不斷進步。 UGB234M 相對論與量子力學 宇宙學 3-2 3.2哈勃的發現 哈勃(Edwin Hubble)是二十世紀最偉大的天文學家之一。他的兩個發現 –「島宇宙」和宇宙 的膨脹 –徹底改變了人類對宇宙的認知。 我們的太陽系原來只是一個叫「銀河」 圖(3- 1的)星系之一份子，太陽是銀河系千億恆星中的 一顆。上世紀的天文學家普遍以為銀河系已包含全宇宙的星星了。哈勃在觀測「仙女座大星 雲」 圖(3-2時)卻發現這個所謂星雲，卻原來是由很多很多恆星組成，而且離開太陽系都很遠 (約二百二十萬光年)。於是哈勃大膽的提出仙女座大星雲其實是銀河系外的另一個星系， 而宇宙還有很多其他的星系。這就是島宇宙的說法:若每個星系是一個島，那麼宇宙便由很多 個島組成。經過天文學家多年努力觀測，他的看法已被證實了。今天我們知道，可見宇宙約 有一千億個星系，每個星系平均有一千億顆恆星。換句話說，我們每一刻都被一千億乘以一 千億個太陽所照耀！而這個島宇宙的大結構，則仍是很多天文物理學家的研究課題。 哈勃的另一個驚世發現，就是遠方的各星系都以高速飛離銀河系，而且愈遠的星系飛離速度 愈快！這就是宇宙的膨脹 [Bra93,Hub29] 。 哈勃這個發現建基於星系光譜的紅移現象 (redshifts in the spectr