单位文秘网 2021-07-22 08:17:38 点击: 次
声速受到压强、温度和密度的影响, 依赖于传导的物质。一般来说声速正比于介质弹性模数和密度的比值的平方根。这些物理属性都会随环境改变而改变。
在流体力学可压缩气体中, 微小扰动的传播速度称之为声速。它是气体动力学中的一个基本物理量。当流体的横向弹性模数为零时, 流体中不能传递横波。而流体的纵向弹性模数E 不为零, 所以能够传递纵波。声波就是一个纵波,声波的传递过程是小扰动传递过程。所以, 声速本身也是一种描述状态的物理量。完全气体时的声速只取决于温度。
由于声波就是扰动在流体里的传播,宇宙早期的流体处于高温和高密度状态, 宇宙创生时刻留下的原初扰动就在这样的流体中传播。扰动的存在导致重子-光子流体的密度在有的区域大, 有的区域小。可想象流体中有一小部分密度大于平均密度时发生的情况: 因为这部分流体的压强大于平均压强, 这团流体开始加速向外膨胀。膨胀过程中压强降低, 但是因为这团流体的惯性, 膨胀并不会在其压强等于外界压强时停止, 而是继续向外膨胀, 直到速度减为零。而这时候其压强小于外界压强, 这团气体又反过来被外界流体压缩。当被压缩到内外压强相等时刻,向内的速度不为0, 同样因为惯性, 气体将继续向内压缩, 直到向内收缩速度为零。此时又恢复到了初始的状态, 这团气体的压强高于外界压强, 要向外膨胀。然后继续膨胀, 如此周而复始, 造成这团流体密度、温度、压强等在时间序列上的周期变化。此时, 声速正比于总压强对总能量密度偏倒数的平方根,即 。有鉴于此, 在标准大爆炸和暴涨图景中, 流体的扰动在空间分布 上存在一个大尺度特征尺度, 即声波传播的距离(声视界)。
声速的大小跟流体有关, 决定于流体压强对密度扰动的反应强度。在宇宙早期的极端相对论性条件下, 声速是光速的 。原初扰动就以如此高的声速在流体中迅速传播。随着宇宙的膨胀, 物质粒子很快变成了非相对论性。如果物质不与辐射耦合, 物质流体中的声速将急剧衰减。在宇宙早期的高温和高密度条件下, 物质是完全电离的, 物质和光存在很强的相互作用, 包括电子和光子的相互散射, 质子和电子结合成为氢原子, 瞬间又被光子电离等等。所以, 物质和光存在很强的耦合, 可以被当成统一的流体处理, 称为重子-光子流体(因为物质以质子、中子等重子为主)。由于辐射的压强很大, 而物质-辐射流体的声速由总压强决定, 导致物质-辐射流体中声速降低的速度很慢。即在宇宙早期环境下, 这种耦合机制发挥作用, 大大减缓了声速的衰减。
在重子-光子流体中, 宇宙创生时留下的原初扰动在以接近光速的高速传播。如果通过观测宇宙的微波背景辐射, 我们将很容易得到宇宙原初扰动功率谱。在统计学上, 描述星系分布的一个常用统计量是关联函数, 定义为空间间隔为r的星系对数值超过均匀分布的星系对数值的比例。关联函数越大, 表示在相应尺度上星系分布越集中。对关联函数做傅立叶变换, 就得到了描述星系分布的另一个常用的统计量:功率谱。一般来说在慢滚条件下,解出Mukhanov方程,将能够得出暴涨期间的功率谱。通过这种特殊机制, 宇宙给自己记录下了大爆炸时期的原初扰动。当在宇宙诞生约40万年的时候, 随着宇宙的膨胀, 物质-辐射流体的温度降到了3000度左右, 能够电离氢原子的光子变得缺乏, 自由电子和质子开始结合形成氢原子, 不再被电离, 从而使得氢原子从物质-辐射流体中脱离出来(称为脱耦)。而因为自由电子的减少, Compton scattering 的效率急剧衰减, 导致光子几乎不再被自由电子散射, 从此可以自由传播。这就是光子的脱耦过程。这些脱耦的光子传播到地球, 就是我们看到的宇宙微波背景辐射。
目前大量的宇宙CMB和WMAP都支持我们的宇宙是标准的 模型。而暗能量被做为宇宙加速膨胀的候选解释方案,并且主导了我们宇宙现在的演化方向,我们的宇宙被这种神秘的物质所支配。暗能量和暗物质的本质是当前物理学的重大研究重点和难点。
由于宇宙的观测手段的限制,和宇宙各种干扰的压低,使得对声速的测量误差很大,完全超过了可以接受的范围。现在宇宙演化理论模型的层出不穷,很大程度上就是因为人们宇宙观测手段的不足,尚未探知主导我们现今宇宙的暗能量和暗物质的本质。如果同时了解和解决了暗能量和暗物质的状态方程和声速,那么整个暗能量和暗物质的热力学将会有更好的理解。届时整个宇宙的演化理论将会有更好的解释,人类有可能能够借助该理论而预知宇宙的未来。
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