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宇宙学4——早期物质分布漫谈  

2010-10-05 21:51:50|  分类: physics |  标签: |举报 |字号 订阅

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从现在开始,我打算将自己的文章写得稍微专业一些,当然,还是不会引入公式的。也因此改变原来的标题的习惯,这些其实都是形式而已,关心的应该是具体的内容。

上篇文章末尾说到,这次的目的是介绍用CMB来推断早期宇宙的物质分布的情况。

首 先我觉得有必要说明一下,在宇宙学中物质的分布是什么意思。在这里,我们所讨论的分布,是建立很大的尺度上的一种平均,而不是针对某个非常小的局域的物质 的情况,比如某个星体。在这里,只要记住我们所说的很大尺度满足下列条件,就是以这个尺度来对某个区域的物质的总和来进行平均,可以得出一个物质的密度。 一般而言,我们所选择的这样的一个大的尺度,使得我们经过平均得到的那些密度,在宇宙中“几乎”是各处相同。这个早期宇宙学研究时所需要的一个假设一致 的。在宇宙学的研究刚开始时,宇宙学家引入这样一个假设,就是宇宙在足够大的尺度上是均匀的。关键是,这假设现在已经不是假设,而是事实,实验观测已经确 认了这一点。

上面提到的“均匀的”密度,其实没有多少意思,有意思的是那些“扰动”。这个所谓的扰动,就是某个区域的实际密度与整个宇宙 的平均密度的差值;而宇宙学家习惯于另外一种表示,将这个差值除以宇宙的平均密度,得到一个无量纲的量,表示这个区域的密度偏离平均密度的大小。之前的文 章中提到,宇宙中的物质有好几种,每种物质都会存在分布,因此也有各自的扰动。

这些扰动之间有什么联系吗?当然的!因为这些不同的物质之间也会存在相互作用,从而使得分布有所改变,但是如何改变,我们则必须借助于数学来描述了,那样会比较复杂,但是我们还是可以借助一些想象,来直观得认识一下这些扰动之间会存在什么样的联系。

为 了简化问题,我们就假设宇宙中只存在光子和普通物质(其实更多的是暗物质和暗能量)。先从物质说起吧,在很早期的时候,宇宙中并没有我们现在所看到的物 质,有的只是一些高能的粒子。那么问题来了,这些高能粒子是如何形成我们现在所看到的物质的呢?一个很自然的解释就是:密度高的区域的物质在引力的作用下 相互吸引,然后慢慢积聚形成了现在所看到的物质。

这么解释当然是很粗糙的了,很多细节都被忽略了。

这里我先不打算讲述这 些细节,先把光子的扰动的意义讲清楚。问自己一个问题,光子为何会存在扰动,这些扰动是怎么产生的?当然,我们还得先搞清楚一个概念:什么是光子的扰动? 这里的扰动,其实是和温度联系在一起的,扰动的定义和之前物质扰动的定义类似,只是物理量换了,从密度换成温度。那么应该可以想到,如果观测到了这些扰 动,其实也就是我们看到了宇宙中温度存在差别的几个区域(这么说有点不准确,因为涉及到这个区域到底有多大的问题,在这里,可以这么想,这个区域足够大, 但是和整个宇宙相比,又是非常小的)。

现在该是联系物质扰动和光子扰动的时候了。假设我们对这个宇宙中的某个区域观察,这个区域的温度偏 低,那么是什么导致这样的呢?温度低,就对应着从这个区域传播到我们这里的光子的能量比较低,可是光子的能量怎么会比其他区域的低呢?做这样一个想象,如 果宇宙各部分的物质的质分布绝对均匀,那么光子的能量就肯定和物质的分布无关,也就不会出现某个区域光子能量比其他区域的低的这样一种情况。所以可以想 到,光子的能量会降低,肯定和它所经过的路线上物质的分布不均匀有关。广义相对论告诉我们,如果光子从一个高密度的区域离开,它的波长会变长。这即使实在 牛顿力学的理论框架下也 很好理解,光子脱离引力的束缚,就要克服引力做功,因此会损失一些动能,于是波长就变长了。

那么,我们现在可以 得出如下结论:如果我们对着天空某个区域进行观察,发现这个区域的温度偏低,由此可以推断出那个区域的物质密度比较高;反之,温度偏高则说明那个区域的物 质密度偏低。这个结论(重点是那个正负符号)也被宇宙学家通过数学,在广义相对论的框架下得到了具体的表达式。

现在我们多了一种研究物质分布的办法,就是通过光子的分布(CMB)来反推。当然最直接就是实验观测,进行巡天,然后用统计来得出物质的分布情况。

正是由于存在这两个不同的研究物质分布的办法,我们可以通过对由这两种办法得到的结果的对比,来确定我们的理论是否正确。换句话说,我们的宇宙学理论是可以接受实验的检验的!

这次依然讲得很粗略,要想讲述细节的东西,难度不小阿,下次可以尝试一下!

下次的内容:进一步介绍这些分布的情况,重点是实验观测得到分布和这篇文章中提出的分布的区别和联系。
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