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1、1,第二讲 宇宙学,2,主要内容：,一、中外古代宇宙观二、现代宇宙观的发展三、两种宇宙时空观的建立(牛顿、爱因斯坦)四、宇宙的起源五、宇宙的演化六、宇宙的可能结局,3,太阳并不位于宇宙中心银河系不是宇宙的全部内容？,从整体角度探讨宇宙结构和演化的天文学分支学科,宇宙学是研究宇宙大尺度结构和演化的学科。宇宙中除了空间、时间、物质以外，再没有任何其他的东西了，所以 宇宙论也就是研究空间、时间、物质相互关系的一门科学。,4,一、中外古代的宇宙观,5,中国古代的宇宙观,中国古代三种有代表性的宇宙观盖天说（周初）：地是平坦的，天如伞一样覆盖大地。浑天说（战国）：天地有蛋形结构，地在中心，天在地周围。宣夜
2、说（战国）：天无限而空虚，星辰悬浮空虚之中。,6,盖天说,盖天说最早起源于西周。是中国最古老的讨论天地结构的体系。盖天说认为，天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上；地是方形的，像一个棋盘，日月星辰则像爬虫一样过往天空，因此这一学说又被称为“天圆地方说”。,盖天说认为日月星辰的出没并非真的出没而只是离远了就看不见离得近了就看见它们照耀。比如，太阳只能照射16.7万里，超过这个距离就什么也看不见了。因此白天就是太阳走到距离我们16.7万里以内的范围，而晚上则在该范围之外。,7,盖天说,盖天说宇宙结构理论力图说明太阳运行的轨道设计了一个七衡六间图。太阳在天盖上的周日运动一年中有七条道路，称为“七衡
3、”。最内一道叫内衡，夏至日太阳就沿内衡走一圈；最外一圈叫“外衡”，是冬至日太阳的路径；其它节气里，太阳沿中间的五道运行。,“盖天说”无疑是古代人们从直观出发，再加以想象而提出来的。问题：天地是如何连接起来？,8,浑天说,“浑天说”出现在战国时代，它认为，浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子黄，孤居于内，天大而地小。地球不是孤零零地悬在空中的而是浮在水上后来又有人认为地球浮在气中。浑天说认为全天恒星都布于一个“天球”上而日月五星则附丽于“天球”上运行。因而浑天说采用球面坐标系如赤道坐标系来量度天体的位置计量天体的运动。,浑天说不只是一种宇宙学说而且是一种观测和测量天体视运动的计算体系，类似现代的球
4、面天文学。“浑天说”认为大地是球形的，天也是球形的，这显然要比“盖天说”进步。它实际上是中国历史上的“地球中心说”。,9,宣夜说,在东汉时还有一种解释宇宙本质的“宣夜说”。宣夜说它主张无限宇宙论。不仅认为宇宙在空间上是无边无际的，而且还进一步提出宇宙在时间上也是无始无终的、无限的思想。宣夜说创造了天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进一步发展中认为连天体自身、包括遥远的恒星和银河都是由气体组成。星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，决没有坚硬的天球来束缚它们。宣夜说打破了固体天球的观念，这在古代众多的宇宙学说中是非常难得的。,10,国外古代的宇宙观的发展,在外国，对宇宙结构也有各种各样的
5、说法和理论。古代巴比伦人认为，大地犹如拱起的乌龟，天空乃是半球形的穹庐。,古埃及人的宇宙观：星星分布在女神身上，而女神却是伏在地上,11,古代印度人认为，大地驮在象背上，大象站在龟身上，海龟浮在海洋上。古希腊对于宇宙结构有不同的学说，有人认为地球是一个浮在水面的扁盘；有人认为地球是一个球，居于世界的中央，这大概是“地球中心说”的雏形；也有人认为，地球绕轴旋转分昼夜，绕日旋转成周岁，这大概可算是“太阳中心说”的前驱了。,12,地心说的起源很早，最初是由古希腊哲学家亚里士多德提出的。认为：宇宙是圆形的，地球是宇宙的中心，地球外面是水，空气和火，再外面载着月球其它行星和太阳，恒星的水晶球。问题：无法
6、解释观测到的行星逆行现象。,“地球中心说”,公元140年前后，天文学家克罗狄斯托勒密继承和发展了亚里士多德的地心说，建立了宇宙地心说。,13,托勒密的地心说的主要观点是：第一，地球位于宇宙中心静止不动。第二，每颗行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动。而本轮中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动，但地球不在均轮圆心，它与圆心有一定的距离。第三，水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的联线上，本轮中心在均轮上一年转一周，火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线就是一周。第四，恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。日、月、行星除上述运动外，还与“恒星天”一起，每天绕地球转一圈。,14
7、,15,“地球中心说”,托勒密的“地球中心说”在天文学的发展中起过一定的进步作用，它推动了观测天文学的发展；但是，由于日地关系被完全颠倒了，人的认识越向前发展，这个学说就越露出了破绽。,16,现代天文学的起源-日心说,在宇宙结构问题上带革命性的学说，是十六世纪波兰天文学家哥白尼提出的“太阳中心说”。他认为，太阳是宇宙的中心，地球和水星、金星、火星、木星、土星等绕太阳旋转天穹的视运动只不过是地球自旋的反映而已。,哥白尼的宇宙体系,17,它推翻了日动地静的说法，在太阳系范围内，符合实际情况。但是，它认为太阳是宇宙的中心，这显然是不正确的。在哥白尼身后，布鲁诺、伽利略等人把哥白尼的学说朝前发展，认为
8、宇宙是无限的；天上无数个星星就是无数个世界，所以太阳并不是宇宙的中心。对无限的宇宙来讲，根本无所谓中心，或者说，处处是中心。？,18,哥白尼的学说第一次把宇宙学放在科学的基础上。其后，开普勒根据他的老师第谷的大量观测资料，总结出行星运动的三大定律；特别是牛顿发现了万有引力定律和总结出动力学三大定律后，经典的现代宇宙学形成了。从二十世纪爱因斯坦的广义相对论到二十一世纪霍金的黑洞理论学说，现代天文学对宇宙的起源有了新的理解和定义。,19,天地结构，是人们认识的宇宙,哥白尼时代的宇宙，实际上是指太阳系；随着观测手段的改进，人们发现银河原来是由千万颗恒星组成的，这些恒星和观测可见的其他恒星组成了银河系
9、，太阳只不过是银河系中一颗普通的恒星，这时人们谈起的宇宙无非是银河系而已；以后观测发现银河系外还有许许多多象银河系一样的星系，现在人们认为它们组成了总星系，它们有整体结构、运动规律和演化方式，总星系就是现在人们所认识的宇宙。,20,二、两种不同时空观,牛顿时空观:盛放物质的容器。,爱因斯坦时空观:静态、有限、无界的时空。,21,牛顿的力学方程中没有宇宙中心的位置，任何时空点都是平等的，即相对于任何时空点来计算，物理规律都是一样的。这就是牛顿时空观中的相对性。牛顿对时间的认识是“绝对的、纯粹的、数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”牛顿对空间的认识是“绝对空间，就其
10、本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”牛顿的空间是一个与物质无关的、存放物质的容器。,牛顿时空观:盛放物质的容器。,22,在牛顿之前的宇宙模型都是有限、无边的。如果用牛顿时空观去解释宇宙，就会得出宇宙是无限无边的概念，且宇宙中天体的数目也是无限的，无论我们走到哪里，周围总是布满了天体。很早就有人怀疑宇宙是无限的这个说法，最著名的是1826年奥伯斯提出的一个论证，称之为奥伯斯佯谬。,奥伯斯佯谬-牛顿宇宙的问题？,23,在距离地面r到r+r的地壳中，恒星的数目为N。地面接受到的照度所以无论何时地面接受到的累积照度都会无限亮，,结论：,24,奥伯斯佯谬 基本观点：空间是无限的，在这
11、无限的空间中，充满了无限多的恒星。每颗星虽然都有生有灭，但从总体看，可以认为宇宙的密度保持为常数。从统计观点出发，可以假定恒星的发光强度L基本不变，光的传播规律（照度Er-2）在宇宙中处处相同。时间是无限的，从总体来说恒星可无限期地存在,1,25,r,L,0,0,也就是说白天和黑夜应该一样亮，地球不应该有白天黑夜之分。按照牛顿时空模型得到的结论却如此荒谬，这表明牛顿宇宙模型中总有些东西并非客观事实。,26,27,空间和时间在狭义相对论里被想象成一个统一的四维连续体，即四维时空，时间和空间不仅和运动有关系，而且相互之间不再是独立的。运动物体收缩，运动时钟变慢。广义相对论中时空是弯曲的，而曲率的大
12、小由此处引力场的强弱决定。广义相对论的时空不是刚性和均匀的，彻底否定了牛顿的与物质运动无关的绝对时空。爱因斯坦以广义相对论时空观为基础的建立的宇宙模型，是一个静态的、有限无边的闭合三维超球面。,爱因斯坦相对论时空观:有限无边的闭合三维球面,28,三、宇宙的起源,29,大爆炸宇宙学的发展和逐步建立过程,7世纪 牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建立经典宇宙学。1917年 爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、有限、无界”的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时空等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代。1922年，前苏联数学家弗里德曼研究了爱因斯坦所作的计算，认为静态宇宙仅仅是场方程的一个解，应该还
13、有一个膨胀宇宙解。,30,1927年 比利时主教、天文学家勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇宙学模型。1932年 勒梅特提出“原始原子”爆炸形成宇宙的概念。1948年 美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙论的基础。,31,宇宙的起源,本世纪，有两种宇宙起源模型比较有影响。一是稳态理论，一是大爆炸理论。,若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化。宇宙不需要一个开端或结束。即使是在发现宇宙正在膨胀之后，这种想法也没有被放弃。,32,稳态理论,托马斯.戈尔德(Thomas Gold)，赫尔曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)于
14、40年代后期提出，物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。,稳态理论所要求的创生速率很小，每100亿年中，在一立方米的体积内，大约创生1个原子。稳态理论的优点之一是它的明确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的。也正因如此，它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射被发现后，这一理论基本上已被否定。,33,大爆炸宇宙论,34,大爆炸理论的提出,宇宙的产生为什么会想到大爆炸？二十世纪匈牙利科学家勒梅特设想：物质结构和
15、次序的认识：物质的形成由简到繁。熵增原理：最简单就是一个原子-原始的原子的演变到现在的宇宙想到大爆炸理论的人是爱因斯坦,35,广义相对论理论基础宇宙红移的观测事实,宇宙大爆炸理论观念的形成,36,大爆炸理论验证,20年代后期，爱德温哈勃(Edwin Hubble)发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。60年代中期，阿尔诺彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特威尔逊(Robert Wilson)发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。,37,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念理论,1950年前后，伽莫夫（美籍俄国）第一个建立了热大爆炸的观念。伽莫夫认为，宇宙开始于高温、高
16、密度的原始物质。最初温度超过几十亿度，很快降至十亿度，那时的宇宙中充满的是辐射和基本粒子，随后温度持续下降，宇宙开始膨胀。当膨胀持续了几百万年时，温度冷却至四千度，物质逐渐凝聚成星云，再演化成今天的各种天体。这个创生宇宙的大爆炸，事实上应该理解为整个空间同时的急剧膨胀。,38,理论提出后中间有经过很多人的修正补充并且完善。该理论最核心的一点是：如果理论成立，那么宇宙将一边膨胀，一边降温，那么降到现在宇宙边缘的温度应该降到5度（绝对温标）左右。理论提出，等待验证。但是比较困难。,39,“宇宙微波背景辐射”,二十世纪六十年代初，美国贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建
17、立了高灵敏度的接收通讯天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声，他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K的热辐射。1965年他们又将其修正为3K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。,40,早期的宇宙背景辐射观测,彭齐亚斯（左）和威尔逊（右）,41,黑体辐射谱,微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱。从 0.054厘米直到数十厘米波段的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。,42,黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形
18、成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。,43,各向同性的背景辐射,微波背景辐射的另一特征是具有极高的各向同性。这具有两方面的含义：小尺度上的各向同性：在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2-0.3%；大尺度上的各向同性：沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。各向同性说明，在各个不同方向上，各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互联系。,44,3K背景辐射与理论相符,微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的重大成就，目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。3K背
19、景辐射与四十年代伽莫夫、海尔曼和阿尔菲根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射理论相符。,45,宇宙红移的观测再次证明了大爆炸理论,二十世纪30年代，哈勃工作在美国的威尔逊天文台测量其它星系相对于银河系的运动时，发现各个星系都在远离银河系。从而得出了哈勃定律。,Vesto Slipher第一个发现了星系红移现象,Edwin Hubble确立了红移与距离之间的关系：哈勃定律,46,红移现象通常认为这种红移是由宇宙膨胀的多普勒效应引起。,光是电磁波。当光源远离观测者时，接受到的光波频率比其固有频率低，即向红端偏移，这种现象称为“红移”。当光源接近观测者时，接受频率增高
20、，相当于向蓝端偏移，称为“蓝移”。,47,哈勃定律,哈勃发现，来自星系的光谱呈现某种系统性的红移。即星系正在远离我们。将星系中特定原子的光谱与地球上实验室内同种原子的光谱进行比较，可以确定光源正在以多大的速度退行。哈勃发现，离我们越远的星系退行速度越高，而且两者之间存在线性关系，即V=HD（其中H是哈勃常数），这个关系称为哈勃定律。哈勃定律的伟大意义，不仅在于它证实了宇宙的膨胀，而且还提供了一种估计宇宙年龄的手段,。,大学物理,哈勃定律的意义,哈勃定律反映了宇宙的膨胀 星系的距离DV/H0 假设：如果宇宙的膨胀是均匀的 可以确定：宇宙的年龄 tD/V1/H0 星系的退行表明在过去它们必定离得很
21、近，宇宙膨胀的起点是什么？,大学物理,哈勃常数的测定：WMAP和SDSS的2003年结果：H0 717km/(sMpc)，相应的宇宙年龄为1/H0=138(14)亿年；马歇尔太空飞行中心（MSFC）2006年:77 km/(sMpc)，误差大约是15%。2009.5.7，NASA发布最新测量结果：74.2 3.6 km/(s*Mpc)，不确定度5%以内。,方法：星系造父变星法测距离 宇宙学红移多普勒效应测速度。小知识：造父变星（Cepheid variable star）是一类高光度周期性脉动变星，也就是其亮度随时间呈周期性变化。因典型星仙王座（中文名造父一）而得名。由于根据造父变星周光关系可
22、以确定星团、星系的距离，因此造父变星被誉为“量天尺”。,50,51,膨胀中宇宙的性质使人困惑,从地球的角度来看，好象遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但是，这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。可以说每一点都是中心，又没有一点是中心。我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀，而不是星系在空间中运动。这一点与我们日常生活中见到的源于一点的爆炸不同。,52,空间的伸长,空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪，不过这却是1915年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念。,广义相对论认为，引力实际上是空间（严格地说是时空）弯曲或变形的一种表现。从某种意
23、义上来说空间是有弹性的，可以按某种方式弯曲或伸长，具体情况取决于物质的排列。这个思想已为观测所充分证实。,53,膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解。想象在一条松紧带上缝有一排钮扣。假定从松紧带的两端把它拉长，结果所有的钮扣都彼此远离。不论我们选择从哪个钮扣来看，它邻侧的钮扣似乎都在远离，而且这种膨胀是处处相同的，不存在特殊的中心。只要把这条带钮扣的松紧带无限加长，或环成一个圆圈，这个中心便不再存在了。,54,从任意一个钮扣来看，离它最近的钮扣以某种速度退行，再下一个钮扣则以两倍数度退行，依此类推。在你看来，钮扣离得越远，它退行得越快。因此这种膨胀意味着退行速度与距离成正比-这是一
24、个极为重要的关系。借助这个图像，我们现在就可想象出光波是如何在膨胀空间中或星系间传播的。当空间伸长时，光波波长也跟着变长，这就解释了宇宙学红移现象。哈勃发现，红移量与距离成正比，同这个简单的图像模拟结果完全一致。,55,另外一个证据：元素氦丰度分布,宇宙中He的分布与预期的不吻合。如果是氢的聚变热核反应得到氦，那么氦的总量不超过几%的数量级。但是测量结果发现氦的含量约占四分之一，其余70%的氢和少量的其它元素。唯一的解释：在大爆炸过程中产生大量能量，迫使的大量的氢聚变成氦，造成氦过量。,56,大爆炸理论认为，宇宙起源于一个单独的无维度的点，即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇
25、点。至少是在100150亿年以前，宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。,57,四、宇宙的演化,58,宇宙最初演化的三分钟,年龄=0.01秒，温度大约1011K-一团混沌年龄=1.1秒，温度大约1010K-电子中子和质子形成年龄=3分钟，温度大约109K-元素氢氦产生年龄=3分45秒，宇宙基本形成,59,引力收缩（gravitational contraction）,按照一般的看法，太阳系、恒星、星系等都是由原始星云在自身引力作用下逐渐凝缩而成的。在原始气体弥漫物质中存在着密度的随机涨落。那些密度比周围高的区域，如果有足够大的尺度，在自身引力作用下的收缩趋势便会超过分子热运动（即压力）的弥散趋势而开
26、始收缩，使密度进一步增大，终于形成一个密度远高于周围气体的区域。这种情况称为引力收缩。,60,一般认为，在原始星云中，往往是先收缩成大云块，然后，由于大云块在收缩过程中密度增大，在内部触发第二次收缩，使大云块本身碎裂成为若干小云块。后者即为恒星的前身星胚。星胚再逐渐演化成为恒星。,61,四、宇宙可能的结局,62,三种宇宙膨胀状态,宇宙膨胀过程是引力与膨胀初速度之争，谁胜谁负取决于宇宙物质密度。,如果宇宙物质密度小于某一临界密度（根据现有的对膨胀速率的观测，临界密度约为 510-30 克/厘米3），将没有足够的引力阻止膨胀，宇宙膨胀永无止境，这一情形下，我们称宇宙的膨胀是开放的（开宇宙）；如果宇
27、宙物质密度大于临界密度，巨大的引力会使得膨胀最终停止并接下来收缩，在这一情形下称宇宙的膨胀是封闭的（闭宇宙）。,63,这看起来就象我们按照牛顿理论发射飞行器一样，如果给的初速度足够大，飞行器将摆脱地球的引力成为星际飞船，而如果初速度不够，飞行器会最终掉下来。在讨论宇宙的膨胀时有一个重要的差异。按照广义相对论，封闭式膨胀的宇宙在质量上和尺度上必定是有限的，而开放式膨胀的宇宙在质量上和尺度上必定是无限的。因此，讨论宇宙可能的演化结局与讨论宇宙的有限或无限是完全等价的！,宇宙可能的演化结局,64,宇宙到底是有限的或无限的？,这是个诗人爱遐想，哲学家爱沉思的问题。有些人认为宇宙的无限性是先验的真理，有
28、限宇宙的观念不能为常识所接受。持这种观点者对有限宇宙提出的非议经常是：“宇宙的边缘在哪里？”“边缘之外又是什么？”等等。这是因为他们的困惑来源于错误地用平坦空间的观念来思索一个弯曲的空间。当他们能改正过来，习惯于用弯曲空间的观念来考察弯曲空间，那么他们所有莫解的疑问都会自动消失。,65,事实上，宇宙是有限还是无限的实实在在是一个物理问题。有许多可实测的量，能对此作明确的判断。可惜的是，它们至今被测定得不够准确。但有理由相信，我们在比诗人和哲学家更可靠地逼近真理。,66,三种判断方法,根据广义相对论框架下的宇宙膨胀动力学方程，宇宙学家发展了三种判断有限还是无限也即推断其演化结局的方法：以密度为判
29、据以膨胀的减速参量为判据以宇宙年龄为判据,67,艰难的判断,开宇宙（可能性比较大些）随着恒星不断从气体中诞生，气体越来越少，直至无法再形成新的恒星。1014年后，恒星全部失去光辉，宇宙变暗，星系核处黑洞不断变大。10171018年后，只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星。恒星中质子开始变得不稳定。1024年后，质子开始衰变成光子和各种轻子。1032年后，衰变过程结束，宇宙中只剩下光子、轻子和大黑洞。10100年后，黑洞完全蒸发，可称为世界末日。,68,艰难的判断,闭宇宙膨胀停止的早晚取决于宇宙物质密度的大小。假设物质密度是临界密度的2倍，这膨胀过程经过约500亿年后停止，宇宙半径比现在大一倍
30、。一旦自引力占上风，宇宙开始收缩，收缩过程几乎正好是膨胀过程的反演，1000亿年后重新回复到大爆炸发生时的极高密度和极高温度状态。且收缩过程越来越块，最后称为大暴缩。,69,到这里为止，对以上提出的三个问题，除了第一个尚需更高精度的观测外，都可作出较明确的回答：宇宙没有中心没有边，不管它是有限的还是无限的；宇宙在时间上有一个开端，有没终结则要看其密度而定。,宇宙是有限的还是无限的？有没有中心有没有边？有没有生老病死有没有年龄？,70,问题与讨论,宇宙是从大爆炸诞生的吗？说明几个支持你的答案的理由。宇宙演化的可能结局有哪几种？并叙述其特征。什么是微波背景辐射？它的特点是什么？这几个特点又是怎样支持大爆炸理论观点的？什么是宇宙红移？哈勃定律的内容是什么？,
