第九章 宇宙學簡介 9-1 星體觀測及哈伯定律 9-2 宇宙起源

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第九章 宇宙學簡介 9-1 星體觀測及哈伯定律 9-2 宇宙起源 高中基礎物理(一) 第九章 宇宙學簡介 9-1 星體觀測及哈伯定律 9-2 宇宙起源

9-2 宇宙起源  大霹靂說 補充資料─宇宙年齡的估計 宇宙微波背景輻射 星系的形成 範例題

大霹靂說 哈伯定律指出,宇宙目前正在膨脹。從現在反推到最早宇宙的生成,宇宙應該是一個密度極大且溫度極高的狀態,它有一個有限的年齡約 140 億年。 1948 年,物理學家提出了宇宙起源的大霹靂理論(big bang),宇宙誕生於140 億年前一個體積很小,溫度很高的「火球」,大爆炸後持續膨脹至今。

補充資料─宇宙年齡的估計 宇宙年齡即是它從剛誕生至今天所歷經的時間。若宇宙的膨脹速 度一直不變,則按哈伯定律 v=H0r, 就是宇宙從生成到 今天的時間,亦即所求的宇宙年齡 T。縱使 T 的數值跟具體的宇宙模型有關,1/H0 也可作為 T 的估計。從轉換式 1 pc=3.26 ly 可知 1 Mpc=3.26 × 106 ly。另一方面,光年 ly=c 年,其中 c=3 × 105 km/s 是真空中的光速。從而可估計以年為單位的宇宙年齡 為 因而宇宙年齡約為 140 億年,此接近於廣為引用的 137 億年之值。 4

宇宙微波背景輻射(1/2) 宇宙誕生後隨著宇宙膨脹,溫度不斷下降,電磁波輻射的波長不斷增加。這種輻射今日仍充滿宇宙,稱為背景輻射,因為波長在微波階段,所以又稱微波背景輻射(cosmic microwave background radiaton)。

宇宙微波背景輻射(2/2) 在 1964 年,美國貝爾實驗室兩位科學家(A. Penzias 和 R. Wilson)首先觀察到了這些宇宙背景輻射,溫度大約為 2.7 K。這是支持宇宙起源大霹靂理論的主要事實之一。

星系的形成 由於重力的作用,密度稍高的區域具有較大的引力,會使附近的物質流入這區域,進而形成物質高度集中的天體。 引力作用,會使它們週遭的物質持續地流入,最終使宇宙在它生成約 10 億年後形成了星系。 星系就是由數以千億的星球、氣體及灰塵的集合體。

範例 4 宇宙微波背景輻射 若電磁波輻射光譜中具有最大能量強度的波長λ,對應絕對溫度 T ,其關係式 λT=2.9 × 10-3 m‧K。宇宙的微波背景輻射波長λ=0.0011 m,試以此關係式,計算背景輻射相對應的絕對溫度約為多少? (A) 3 (B) 30 (C) 300 (D) 3000 K。

範例 4 解答  答 (A) 解 可以直接寫答案,或代入公式計算也可得。λT=定值=0.0011T=2.9×10-3, T=2.7 K≒3 K

範例 4 類題 在各方向所觀察到的宇宙背景輻射,有幾乎完全相同的溫度。從這一事實,我們可以對輻射不參與相互作用時期的宇宙做出什麼推論? 範例 4 類題 在各方向所觀察到的宇宙背景輻射,有幾乎完全相同的溫度。從這一事實,我們可以對輻射不參與相互作用時期的宇宙做出什麼推論? (A)均勻的 (B)不均勻的 (C)對稱的 (D)不對稱的。 答 (A)