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演化 宇宙

第 11 單元：宇宙 7 宇宙擴張是加速或減速？. 202 10460. 演化 宇宙. 人. 物理系 侯維恕. 本著作除另有註明外，採取 創用 CC 「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣 2.5 版 授權釋出. 本作品由 Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。. 開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命圈 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 銀河之外 銀河之前 黑洞與時光機

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  1. 第11單元：宇宙7 宇宙擴張是加速或減速？ 202 10460 演化 宇宙 人 物理系 侯維恕 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出

  2. 本作品由Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。 • 開場：創世可以有所不同嗎？ • 第一段：從大爆炸到生命圈 • 行星與恆星 • 生命與自覺意識 • 原子、星星、銀河 • 銀河之外 • 銀河之前 • 黑洞與時光機 • 第二段：起初與末了 • 減速抑加速？ • 很久以後： • 事情的起頭 ― 頭一毫秒 • 第三段：基要與臆測 • 穹蒼與微觀世界 • 多重宇宙與人本論證 President of Royal Society Our Cosmic Habitat Paperback, 224 pages Princeton University Press (2003) 已獲作者同意爲授課做中文翻譯 自己組織起來去買

  3. II.起初與末了 7. 減速還是加速？ • 可預測性 楔形文字、哈雷、宇宙 • 穹蒼長期預報？ • 加速？ Type IA 超新星到 WMAP • 宇宙是「平」的：諧和的節拍 宇宙學LCDM 「標準模型」浮現

  4. 可預測性 楔形文字到哈雷 — 像鐘一樣規律運行的天體其實是例外，並不是常規 —

  5. Synopsis of the Astronomy of Comets (1705) 計算1337-1698的24個彗星的軌道 1531,1607,1682 是同一顆(橢圓軌道) 1758,1835,1910,1986 ... 但,天氣、地震、股票 ... 好比一個人試圖將鉛筆用筆尖站立一樣， 即使小小扭一下，都可使得結果大不同， 因此不確定性乃是不斷增加的 。 西元前7世紀亞述、巴比倫楔形文字泥版 Enuma Anu Enlil 版1-13: 月亮紀錄 (14是數學公式) 版15-22: 月蝕 版23-29: 太陽紀錄 版30-39: 日蝕 版40-49: 天氣、地震、打雷 版50- : 天體 > 紀錄可推至西元前20世紀< 發現18年11又⅓天之“saros” 週期 可預測月蝕與日蝕 AAO Halley’s in 1986 Edmond Halley (1656-1742)

  6. 次原子的世界是簡單的 ― 它看來被幾個方程式所描述。 在最大的尺度，我們的宇宙也是簡單的 ―它的總體性質被幾個數字所決定： 它的膨脹速率、平均密度、等等。 有一個概括性的劃一主導著，而重力稱霸。

  7. 穹蒼長期預報？ 如果大尺度的天文現象確實比日常事件簡單， 我們能作出關於穹蒼的一些預測嗎？ 4 我們是不是能夠做出有關我們膨脹著的宇宙的 長期預報？

  8. 臨界密度 每m3> 五顆H 就停止膨脹 再大約50億年，太陽將死去，地球也將陪葬 ... 大約在那之前，仙女座大星系將撞進我們的銀河系 ... 但宇宙是否會持續膨脹下去？ 還是 ... 我們的蒼穹最終回縮到一個「大壓縮」？ r Recollapse Acceleration Deceleration Ω ≡ 平均密度與 臨界密度之比 減速 加速 回塌 大黑洞 近十年的發現！

  9. 第七章 ESA Planck 方興未艾 NASA

  10. 地球 生命圈 第五章 !!?? 第七章 5.5x WMAP NASA NASA 星系及星系叢如何形成？ ―重力引發的「對比增強」效應 愈益複雜 原始的 雜亂火球 ESA 我們並不是由宇宙最主要的成分所組成

  11. Ω ≡ 平均密度與 臨界密度之比 第七章 Ω≅1!? Ωatom只有0.04! Ω“matter”只有0.26! !!?? 宇宙慢下來的不夠快， 應當是停不住了 NASA 「暗能量」... 但， 臨界密度： 每立方公尺五顆氫原子 每立方公尺0.2顆氫原子： ~整個地球體積裡只有幾粒砂， 或整個太陽系裡只有一個 幾百公尺大的小遊星 N.B.星星裡的原子只佔1/10 Pablo Costa 十年前便已得知有「暗能量」 Science期刊列為1998年的頭號發現!

  12. 加速？ 從TypeIa超新星到WMAP 長期預報的常用做法： 拿過去多年的資料與當今的比較，再將趨勢往將來推

  13. 白矮星 夠亮的“standard candle”: Type Ia Supernova 長期預報的常用做法： 拿過去多年的資料與當今的比較，再將趨勢往前推 當白矮星吸入物質，使其質量超過太陽1.4倍 (Chandrasekhar極限) 引爆碳循環核爆 拿幾十億年前的膨脹率與當今的比較 • 天體要夠亮(可以在很遠看到) • 天體發亮的方式要足夠標準化， • 可以憑其亮度定距離 吸積盤 巨星 STScI Xenoforme

  14. 發現宇宙正在加速 紅位移 Riess et al. (1998) High-z Supernova Search Team Supernova Cosmology Project Perlmutter et al. (1999) Adam Riess Saul Perlmutter 有諾貝爾可能

  15. 怎會加速呢? 愛因斯坦「宇宙」常數 牛頓引力常數 光速 愛因斯坦方程式 愛因斯坦在1917年引進Cosmological ConstantL，即「宇宙」或「穹蒼」常數， 卻在晚年的時候稱L是他一生「最大的敗筆」... 但這已不重要 L可以想成即使在「空的」空間裡仍具有的能量(所謂的「真空能量」)。 根據現在的想法，「空的」空間一點也不簡單。所有的粒子都在裡面潛藏著。 [而在比粒子更小的尺度，可能是騷亂、糾結的一堆「弦」(strings)] 從現代的角度，令人疑惑的不是有沒有L，而是它為何不大上許多。 爲什麼與其他的原子、輻射、暗物質相比，真空能量會有相反的作用？ 真空有一個總體特性，就是它的能量若是正的，那麼它的壓力就會是負的 ― 也就是說，它會像拉緊的橡皮筋一般具有伸張力(tension)。 加速 重力吸引 與 (密度) + 3(壓力/c2)有關 如果真空是有能量的，那麼膨脹它的體積就會產生更多的能量 !! 與經驗相反 !! 宇宙膨脹不像是在推，倒像是被拉 L 等價於「負壓力」

  16. 怎會加速呢? 愛因斯坦「宇宙」常數 牛頓引力常數 光速 愛因斯坦方程式 愛因斯坦在1917年引進Cosmological ConstantL，即「宇宙」或「穹蒼」常數， 卻在晚年的時候稱L是他一生「最大的敗筆」... 但這已不重要 L可以想成即使在「空的」空間裡仍具有的能量(所謂的「真空能量」)。 根據現在的想法，「空的」空間一點也不簡單。所有的粒子都在裡面潛藏著， 而在比粒子更小的尺度，可能是騷亂、糾結的一堆「弦」(strings)。 從現代的角度，令人疑惑的不是有沒有L，而是它為何不大上許多。 從次原子尺度的「場論」，我們的最佳理論猜測是： 應當比看到的強10的120次方倍(10120)!! [1後面120個0] ― 在極早期的穹蒼史裡的「暴脹」(inflation，第9章)期就是這麼強 那麼它又是如何關掉(或中和掉了)的，且關掉的如此之精準？ ~總電荷 = 0? N.B.略為不同的理論: 某種滲透一切的具有負壓力的流體 ― 「第五要素」(quintessence)

  17. 宇宙是「平」的：諧和的節拍 宇宙的「聲學振動」在天上的分佈，告訴我們宇宙的幾何形狀 ― 宇宙看來是平坦的，這和理論的成見相合 宇宙常數-冷暗物質 宇宙學LCDM「標準模型」浮現

  18. 理論告訴我們，後來演進成星系與 星系叢的漣漪，在某一個波長的漲落 ― 宇宙的聲學振動― 會最大。 這些主要漣漪在天上分佈大小，要看 宇宙的幾何形狀，而這又要看宇宙內 涵的質量與能量有多少。 NASA 理論 NASA 測量的結果顯示一個「平坦」(flat)的宇宙： 距離與角度的關係似歐幾里得(Euclidean)空間 WMAP測量 Ω≅1 ! Ωatom只有0.04! ΩDM有0.22! ΩL有0.74! NASA

  19. WMAP對大爆炸「餘輝」的精確測量 NASA 暗能量(具負壓力)是主體 所以膨脹正在加速 神秘「反重力素質」―真空能量， 或第五要素― 提供了我們宇宙的 主要質能。它或許是「暴脹」理論 驅動早期宇宙強力快速膨脹的遺跡 NASA 測量的結果顯示一個「平坦」(flat)的宇宙： 距離與角度的關係似歐幾里得(Euclidean)空間 WMAP測量 Ω≅1 ! Ωatom只有0.04! 穹蒼中最顯而易見之物，即在 星系中的星星和發亮的氣體， 卻僅佔宇宙總質能的< 2% ! ΩDM有0.22! ΩL有0.74! NASA

  20. ESA Planck 方興未艾 NASA

  21. 版 權 聲 明 頁

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