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宇宙学“第三桶水”  

2010-09-27 14:56:39|  分类: physics |  标签: |举报 |字号 订阅

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之前两次灌水,我都努力用显示生活中能见到、感受到的一些事实来进行类比后讲述我对宇宙的看法。

上次简单介绍了宇宙的膨胀,不过我的叙述是直接从早期宇宙的情况出发,然后得出宇宙必须膨胀这个事实。但是要注意一点,宇宙早期的情况应该是在我们知道了“宇宙在膨胀这一事实”以后才能知道的。

上 次也提到过,宇宙膨胀这一事实是由哈勃的观测结果得到,只要我们接受这一事实,那么按照我上次灌水时所采取的叙述方式应该能够更好地让大家对宇宙如何演化 有一些认识,毕竟,我们在介绍一个人的时候,也都习惯于按照时间顺序来介绍。所以呢,按照宇宙的年龄增长来介绍宇宙应该是合适的。

这次灌水的目的是什么呢???

经过前两次的灌水,我们知道了宇宙的成分,大致的演化过程(由早期的温度极高的粒子汤逐渐冷却,然后慢慢形成现在所看到的星体等等)。这次我来讲讲如何通过实验观测认识我们的早期宇宙。

在此我觉得有必要说明一下,在这次灌水中的早期宇宙指的是宇宙中开始形成中性氢的时期,如果沿时间反向推移,宇宙所处的时期暂且称为极早宇宙,虽然这个名词用在这里不是很准确。

现在我们问自己这样一个问题,如果我们要做实验来了解宇宙,我们能做什么样的实验?

从 我们熟悉的一些物理实验出发,比如研究自由落体运动,我们可以用高速摄像机来记录物体的运行轨迹;研究钟摆时我们可以计数一段时间内摆摆过的次数;研究电 阻,我们可以用电流表电压表等来直接测量;测声速,我们依然可以直接测量。。。这些实验都有一个共同点,我们可以直接记录整个物理过程,当然,不同的实验 所需要记录的物理量是不一样的。

但是对于宇宙,我们不可能也像做这些实验一样去研究。我们不可能“造”一个宇宙,然后来看它的演化过程是什么样的。原因很容易想到:一个是空间尺度上的限制,我们人类还没真正离开地球,就别想造一个宇宙了;从时间尺度来说,宇宙的年龄大概150亿年,谁能活那么久啊?

话都说到这份上了,那我们到底该去做什么样的实验来研究宇宙?

我们再从前面提到的物理实验出发,仔细想这样一个问题:我们做实验时记录的东西到底代表什么?
就 拿研究自由落体运动来说吧,我们用高速摄像机来拍摄物体下落的轨迹。现在来点抽象的:物体周围有些什么呢,气体?当然,气体应该有,但是如果我们在真空情 况下做实验,那就几乎没有气体了,那有什么呢?光子啊!!可是光子有什么用阿?废话,摄像机要拍摄影响,黑不溜秋的怎么行?这些光子有部分会进入摄像机镜 头,这样摄像机的底片(也有其他记录装置)才能曝光,这样也就记录下了物体在某一时刻的位置了。

更抽象的来了,如果我们用摄像机对着一个 真空区进行拍摄,我们不去弄个物体来做自由下落运动,那么我们拍摄到的影像就是不会变化的,准确说我们做实验的这个地方周围的光子场是不变化的;但是当一 个物体自由下落时,好玩的事情发生了,由于物体的存在,破坏了原先的光子场,这些受到物体“干扰”的光子会有一部分进入摄像机。所以我们也可以这么来说, 研究物体的下落运动,等价于研究光子场的变化,光子场的情况也就反映了物质的分布。当然这只是类似,并不准确。

现在我们可以提出这样一个设想,我们可否利用宇宙中光子的分布来研究宇宙本身呢?of course!
现在,我们已经从已有的一些知识那里获得灵感来“做实验”研究宇宙了。想法有了,但是具体如何操作呢?下回见!

次回预告:简单介绍一下用光子场(cosmic microwave background,CMB)如何来推断宇宙早期的物质分布。
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