本文格式為Word版，下載可任意編輯——聲速對(duì)宇宙演化的描述聲速受到壓強(qiáng)、溫度和密度的影響,憑借于傳導(dǎo)的物質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)聲速正比于介質(zhì)彈性模數(shù)和密度的比值的平方根。這些物理屬性都會(huì)隨環(huán)境變更而變更。

在流體力學(xué)可壓縮氣體中,微小擾動(dòng)的傳播速度稱之為聲速。它是氣體動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)根本物理量。當(dāng)流體的橫向彈性模數(shù)為零時(shí),流體中不能傳遞橫波。而流體的縱向彈性模數(shù)E不為零,所以能夠傳遞縱波。聲波就是一個(gè)縱波,聲波的傳遞過(guò)程是小擾動(dòng)傳遞過(guò)程。所以,聲速本身也是一種描述狀態(tài)的物理量。完全氣體時(shí)的聲速只取決于溫度。

由于聲波就是擾動(dòng)在流體里的傳播,宇宙早期的流體處于高溫柔高密度狀態(tài),宇宙創(chuàng)生時(shí)刻留下的原初擾動(dòng)就在這樣的流體中傳播。擾動(dòng)的存在導(dǎo)致重子-光子流體的密度在有的區(qū)域大,有的區(qū)域小?？上胂罅黧w中有一小片面密度大于平均密度時(shí)發(fā)生的處境:由于這片面流體的壓強(qiáng)大于平均壓強(qiáng),這團(tuán)流體開(kāi)頭加速向外膨脹。膨脹過(guò)程中壓強(qiáng)降低,但是由于這團(tuán)流體的慣性,膨脹并不會(huì)在其壓強(qiáng)等于外界壓強(qiáng)時(shí)中斷,而是持續(xù)向外膨脹,直到速度減為零。而這時(shí)候其壓強(qiáng)小于外界壓強(qiáng),這團(tuán)氣體又反過(guò)來(lái)被外界流體壓縮。當(dāng)被壓縮到內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)刻,向內(nèi)的速度不為0,同樣由于慣性,氣體將持續(xù)向內(nèi)壓縮,直到向內(nèi)收縮速度為零。此時(shí)又恢復(fù)到了初始的狀態(tài),這團(tuán)氣體的壓強(qiáng)高于外界壓強(qiáng),要向外膨脹。然后持續(xù)膨脹,如此周而復(fù)始,造成這團(tuán)流體密度、溫度、壓強(qiáng)等在時(shí)間序列上的周期變化。此時(shí),聲速正比于總壓強(qiáng)對(duì)總能量密度偏倒數(shù)的平方根,即。有鑒于此,在標(biāo)準(zhǔn)大爆炸和暴漲圖景中,流體的擾動(dòng)在空間分布上存在一個(gè)大尺度特征尺度,即聲波傳播的距離(聲視界)。

聲速的大小跟流體有關(guān),抉擇于流體壓強(qiáng)對(duì)密度擾動(dòng)的回響強(qiáng)度。在宇宙早期的極端相對(duì)論性條件下,聲速是光速的。原初擾動(dòng)就以如此高的聲速在流體中急速傳播。隨著宇宙的膨脹,物質(zhì)粒子很快變成了非相對(duì)論性。假設(shè)物質(zhì)不與輻射耦合,物質(zhì)流體中的聲速將急劇衰減。在宇宙早期的高溫柔高密度條件下,物質(zhì)是完全電離的,物質(zhì)和光存在很強(qiáng)的相互作用,包括電子和光子的相互散射,質(zhì)子和電子結(jié)合成為氫原子,瞬間又被光子電離等等。所以,物質(zhì)和光存在很強(qiáng)的耦合,可以被當(dāng)成統(tǒng)一的流體處理,稱為重子-光子流體(由于物質(zhì)以質(zhì)子、中子等重子為主)。由于輻射的壓強(qiáng)很大,而物質(zhì)-輻射流體的聲速由總壓強(qiáng)抉擇,導(dǎo)致物質(zhì)-輻射流體中聲速降低的速度很慢。即在宇宙早期環(huán)境下,這種耦合機(jī)制發(fā)揮作用,大大減緩了聲速的衰減。

在重子-光子流體中,宇宙創(chuàng)生時(shí)留下的原初擾動(dòng)在以接近光速的高速傳播。假設(shè)通過(guò)觀測(cè)宇宙的微波背景輻射,我們將很輕易得到宇宙原初擾動(dòng)功率譜。在統(tǒng)計(jì)學(xué)上,描述星系分布的一個(gè)常用統(tǒng)計(jì)量是關(guān)聯(lián)函數(shù),定義為空間間隔為r的星系對(duì)數(shù)值超過(guò)平勻分布的星系對(duì)數(shù)值的比例。關(guān)聯(lián)函數(shù)越大,表示在相應(yīng)尺度上星系分布越集中。對(duì)關(guān)聯(lián)函數(shù)做傅立葉變換,就得到了描述星系分布的另一個(gè)常用的統(tǒng)計(jì)量:功率譜。一般來(lái)說(shuō)在慢滾條件下,解出Mukhanov方程,將能夠得出暴漲期間的功率譜。通過(guò)這種特殊機(jī)制,宇宙給自己記錄下了大爆炸時(shí)期的原初擾動(dòng)。當(dāng)在宇宙誕生約40萬(wàn)年的時(shí)候,隨著宇宙的膨脹,物質(zhì)-輻射流體的溫度降到了3000度左右,能夠電離氫原子的光子變得缺乏,自由電子和質(zhì)子開(kāi)頭結(jié)合形成氫原子,不再被電離,從而使得氫原子從物質(zhì)-輻射流體中脫離出來(lái)(稱為脫耦)。而由于自由電子的裁減,Comptonscattering的效率急劇衰減,導(dǎo)致光子幾乎不再被自由電子散射,此后可以自由傳播。這就是光子的脫耦過(guò)程。這些脫耦的光子傳播到地球,就是我們看到的宇宙微波背景輻射。

目前大量的宇宙CMB和WMAP都支持我們的宇宙是標(biāo)準(zhǔn)的模型。而暗能量被做為宇宙加速膨脹的候選解釋方案,并且主導(dǎo)了我們宇宙現(xiàn)在的演化方向,我們的宇宙被這種神秘的物質(zhì)所支配。暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)是當(dāng)前物理學(xué)的重大研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

由于宇宙的觀測(cè)手段的限制,和宇宙各種干擾的壓低,使得對(duì)聲速的測(cè)量誤差很大,完全超過(guò)了可以采納的范圍。現(xiàn)在宇宙演化理論模型的層出不窮,很大程度上就是由于人們宇宙觀測(cè)手段的缺乏,尚未探知主導(dǎo)我們現(xiàn)今宇宙的暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)。假設(shè)