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高一~高中二年级 (15-17岁)

高中地理 宇宙膨胀与大爆炸

在宇宙中，星系并不是在空间里飞行，而是星系之间的空间本身在拉伸，所以所有星系都在彼此远离。 因此越远的星系退行得越快，这个关系就是哈勃定律 v = H₀d；远去星系的光波长变长，向红端偏移，观测上称为红移。 把时间倒推回去，就会得出约 138 亿年前整个宇宙处于极高温、极高密度状态的结论，这就是大爆炸宇宙论。 在图中增大尺度因子，所有距离都按同一倍数拉长，下方图像中的三个点始终落在一条过原点的直线上。

宇宙正在膨胀

🎈 用气球表面的点来想
①在气球表面均匀地画上点再吹气，任意两点之间的距离都按同一倍数增大
②站在任何一个点上看，其他点都在远离自己，所以膨胀的宇宙没有特殊的中心
③点并不是在表面上奔跑，而是表面在拉伸；星系也是因为空间本身拉伸而相互远离
④原来远一倍的点，在同样的时间里远离的距离也多一倍

看见宇宙膨胀

1.5
💡 图中要看什么
①上排是开始时的状态，下排是空间拉伸为尺度因子 a 倍之后的状态
②离中央观察者一格的星系远离了 x，两格的星系就远离 2x，三格的星系远离 3x
③同样时间内远离的距离就是速度，所以退行速度与现在的距离成正比
④因此无论 a 是多少，下方图像中的三个点都落在一条过原点的直线上，这条直线的斜率相当于哈勃常数

哈勃定律与红移

哈勃定律
v = H₀d
退行速度（v）与距离（d）成正比，比例常数 H₀ 叫哈勃常数，现在的测量值约为 70 km/s/Mpc
红移
z = Δλ / λ₀ ≈ v / c
远去星系的光波长变长。退行速度远小于光速时，用 z ≈ v / c 求速度
🔴 用红移求速度，用哈勃定律求距离
①救护车驶近后再开远，警笛声会变低；远离我们的光源发出的光，波长也会变长
②星系光谱中的吸收线比实验室中的位置向红端移动的程度，就是红移
③由红移求出退行速度后，再用哈勃定律 d = v / H₀ 就能估算距离
④1929 年，哈勃比较星系的距离和退行速度，发表了这个正比关系

大爆炸宇宙论

大爆炸宇宙论的要点
约 138 亿年前极高温、极高密度的状态 → 空间膨胀、温度下降 → 今天的宇宙
大爆炸不是在某一点发生的爆炸，而是宇宙各处同时开始膨胀的事件
大爆炸宇宙论的证据
① 宇宙膨胀（哈勃定律）② 宇宙微波背景辐射（约 2.7 K）③ 氢 : 氦质量比 ≈ 3 : 1
稳恒态宇宙论也承认宇宙膨胀，所以区分两种理论的是②和③，稳恒态宇宙论难以解释这两点
📡 宇宙微波背景辐射
①大爆炸后约 38 万年，宇宙温度降到约 3000 K，电子和原子核结合成原子，光不再被物质阻挡，开始自由传播
②那时散开的光随宇宙膨胀而波长变长，如今成为约 2.7 K 的微波，几乎均匀地来自天空的各个方向
③1965 年，彭齐亚斯和威尔逊在排查天线噪声时偶然发现了它
④这是大爆炸宇宙论事先预言的辐射，所以这一发现让大爆炸宇宙论被广泛接受

例题与真题检验

例题 1
哈勃常数为 H₀ = 70 km/s/Mpc 时，距离 100 Mpc 的星系退行速度是多少？
1
把数值代入哈勃定律 v = H₀d。
2
v = 70 km/s/Mpc × 100 Mpc = 7000 km/s。
▸ 7000 km/s
在同一个宇宙中，距离 200 Mpc 的星系以两倍的 14000 km/s 远离。距离加倍，退行速度也加倍。
例题 2
在支持大爆炸宇宙论的观测证据中，稳恒态宇宙论难以解释的是哪两项？
1
宇宙膨胀（哈勃定律）稳恒态宇宙论也承认，所以它不能区分两种理论。
2
大爆炸后约 38 万年发出的宇宙微波背景辐射（约 2.7 K），以及早期宇宙形成的氢 : 氦质量比（约 3 : 1），都与大爆炸宇宙论的预言相符。
▸ 宇宙微波背景辐射（约 2.7 K）和氢 : 氦质量比 ≈ 3 : 1
稳恒态宇宙论认为宇宙膨胀时会不断产生新物质，密度始终不变，因此无法解释整个宇宙炽热时期留下的背景辐射。
韩国高考类题
下列关于宇宙膨胀和大爆炸宇宙论的说法，正确的是哪一项？
①星系靠近时出现红移
②根据哈勃定律，越远的星系退行越快
③宇宙微波背景辐射的温度约为 270 K
④宇宙的年龄约为 46 亿年
⑤宇宙微波背景辐射只来自某一个方向
▸ ② 根据哈勃定律，越远的星系退行越快
1
在哈勃定律 v = H₀d 中，退行速度与距离成正比，所以越远的星系退行越快。
2
星系远离时才出现红移（①），背景辐射约为 2.7 K（③），宇宙年龄约为 138 亿年（④），背景辐射几乎均匀地来自各个方向（⑤）。

总结

宇宙膨胀与大爆炸的要点
红移 → 退行速度 → v = H₀d → 宇宙膨胀 → 大爆炸宇宙论
红移与距离成正比的观测确认了宇宙在膨胀，宇宙背景辐射和轻元素的比例则支持大爆炸宇宙论
🎯 考试要点
①哈勃定律 v = H₀d：退行速度与距离成正比
②红移：远去星系的光波长变长，吸收线向红端移动
③宇宙膨胀没有中心，从任何星系看，其他星系都在远离
④大爆炸宇宙论的证据是宇宙微波背景辐射（约 2.7 K，大爆炸后约 38 万年发出的光）和氢 : 氦质量比 ≈ 3 : 1
⑤宇宙的年龄约为 138 亿年
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