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1、爱因斯坦与现代宇宙学,福建师范大学 物光学院FUJIAN NORMAL UNIVERSITY POET邱怡申,一、宇宙，空时与引力,宇宙的定义：自然界物质的总称宇宙学研究的问题：宇宙的起源、演化和归宿经典宇宙学：以牛顿引力理论为基础。现代宇宙学：以爱因斯坦广义相对论为基础。,1.引言,2.宇宙概观,银河系：恒星数1011河外星系：上世纪20年代，哈勃发现。其他物质：不辐射的星体、黑洞、星际气体、辐射、宇宙线、大量中微子。观测宇宙：尺度 ct0 t0:宇宙年龄,3.牛顿的宇宙观及其矛盾,在引力的作用下，有限空间的物质不稳定。牛顿的宇宙观：宇宙是无限无边的三维欧氏几何空间，其中均匀地分布着无限多的
2、天体，相互以万有引力联系。牛顿宇宙观的矛盾引力佯谬。,解决这一矛盾宇宙学发展的思路,修改宇宙模型。修改引力定律。二者都修改。,2）光度佯谬。牛顿宇宙观与引力理论是不自洽的,0.伽利略变换与绝对空时观,F=m a F=ma,k系 k系 牛顿定律,4.爱因斯坦的相对论,1.狭义相对论的基本原理：1）在不同的惯性系中物理规律的形式是一样的（物理规律对于洛伦兹变换的对称性）k系 k系牛顿定律：2）在所有的惯性系中测量到的真空光速是一样的。结论之一：任何信号的传递速度 光速。,2.广义相对论产生的背景1)惯性系和非惯性系是否平权？这问题不解决就无法摆脱牛顿的“绝对时空”；2）牛顿引力理论是超距的，违反狭
3、义相对论。牛顿的“绝对时空”观认为惯性系是从优的参考系（在其中运动定律成立），非惯性系中要加一虚设的惯性力（-m惯a）建立广义相对论唯一的实验依据：m惯=m引引力的几何性质：物体的运动与动力学性质m惯无关,广义相对论的基本假设：I.一切参考系中的物理规律具有相同的形式。II.惯性力与引力等效。,惯性系 非惯性系无引力 有引力四维空时的直线 曲线（空时弯曲）宇宙物质 空时弯曲 引力,空-时的非线性变换,基本假设引力场方程实验检验：水星近日点的进动；光线在太阳附近的偏折；光谱线的引力频（红）移；雷达回波实验。,1.问题的提出1916年提出广义相对论后，转向宇宙学，天体是唯一可以体现广义相对论作用的
4、强引力系统。2.弱引力场与强引力场：GMm/R mc2 M R3 强场条件：GR2/C2 13.宇宙的有限无边静态模型：二维球面的几何特征：有限（面积）无边界。,5.爱因斯坦的宇宙模型,三维弯曲空间的几何特征：有限（体积）无边界。物质分布周围引力场弯曲导致四维时空弯曲成封闭的区域。爱因斯坦模型解决了牛顿宇宙模型的不自洽问题。加入宇宙项，以满足静态。银河系等小范围中的天体是运动的 大范围尺度看，天体的平均速度是零,二、标准宇宙模型,1、宇宙学原理 在宇观尺度上，任何时刻宇宙空间是均匀和各向同性的。2、宇宙在膨胀静态宇宙观的瓦解哈勃的发现现代宇宙学的一个里程碑。星系光谱的红移：多谱勒效应 入/入
5、v/c,0.宇宙学研究的问题：初始态如何？宇宙的演化规律？宇宙的终结？,膨胀的宇宙模型以星系为“分子”的“气体”，参与两种运动哈勃定律的结论：宇宙在均匀膨胀。这也是宇宙学原理的推论。,膨胀速度,本动速度(500km/s),哈勃定律：星系退行速度 v=H0R R星系距我们的距离 H0哈勃常数（25误差）,观察点,S1,S3,S2,S1,S2,S3,t0时刻,t0+t时刻,d1=d2=d3,d1=d2=d3,爱因斯坦的遗憾,3.大爆炸宇宙学 宇宙在膨胀，今天已是无可怀疑的事实。根据今天宇宙膨胀的速度，可以推出，宇宙在一二百亿年前脱胎于高温、高密状态。爆炸过程（不同于炸弹）中每对粒子间的距离俱增，物
6、质密度减小，温度下降，引力能转化为粒子能。从50年代伽莫夫开始，经科学家努力，已能够知道宇宙大致演化过程。,大爆炸理论的主要证据：1）氦丰度，与现在测量值一致2）3K宇宙背景辐射的发现及意义,60年代，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊为改善卫星通信质量，探测太空各种噪声乘源（有效噪声温度），在排除各种噪声源后，还剩余3.5k噪声，与方向、季节等无关。谜团被普林斯顿大学小组解开。,3K宇宙背景辐射果真是被红移的辐射“化石”？黑体辐射谱的测量 1972年，康奈尔大学火箭小组和MIT气球小组在大气层外测得：7.350.33cm的辐射谱与2.73k的黑体辐射谱一致。1989年11月，COBE卫星实验证实。
7、光子数密度:naT3，光子数/核子数109,4.宇宙演化前景的简单描述：均匀各向同性膨胀的宇宙模型,从现在的宇宙参数预言未来,大爆发宇宙学的困难：大爆炸始于空时奇点。5.宇宙学最新近展：1980年到 1981年，美国科 学家艾伦格斯等人把基本粒子统一理论已解决的“真空相变，”现象应用于宇宙他们解释说，在刚刚诞生的宇宙 中，发生了使宇宙性质完全改变的“相变”。相变前的旧宇宙比新 生宇宙具有更大的真空能，这种 真空能转变为排斥力，使空间急 骤膨胀。,宇宙是从没 有时间、空间、物质和能量的“虚无”状态，通过量子力学所说 的“隧道效应”产生的。,真空能“宇 宙”常数,宇宙的边缘加速膨胀的实验证据,爱因斯坦的“宇 宙”常数项迄今仍是个迷;量子宇宙学的发展，有些问题仍待解决。,谢 谢！,三、宇宙的起源与终结,均匀各项同性的膨胀宇宙模型,热寂说的终结,热力学定律 1、宇宙的能量是常数 2、宇宙的熵趋于一个极大值对热寂说的批判 1、玻尔兹曼的“涨落说”2、恩格斯的观点热寂说的要害1、宇宙在膨胀2、引力系统是具有负热容的不稳定系统，密度均匀并不是几率最高的态。天体的形成是引力系统的自发过程，均匀物质凝结成团块（星系）的过程，引力能转化为动能，熵无极大值。膨胀的宇宙和负热容的引力系统冰释了“热寂”,
