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1、 宇宙学1 宇宙学概论 2 现代宇宙学模型 3 大爆炸宇宙模型4 宇宙的暴涨 5 宇宙的组成 6 宇宙大尺度结构的形成 7 宇宙的未来* *1 11、宇宙学概论DateDate2 2A、什么是宇宙学B、宇宙学的发展简史C、静态宇宙和奥勃斯佯谬D、现代宇宙学的研究任务DateDate3 3宇宙学是将宇宙作为整体，研究宇宙的结构和 运动、起源和演化、以及宇宙时空特征的天文学 分支学科。宇宙起源与演化：宇宙是如何开端、如何演变、又如何结局？宇宙的结构和运动：宇宙的组成、宇宙的大尺度结构及其形成、宇宙的运动、宇宙的时空特征：空间曲率？时空奇点？A、什么是宇宙学？DateDate4 4宇宙始自高密态而演
2、化的图象能够通过物理 定律来进行研究，宇宙学已经成为物理的科学。 Zeldovich宇宙学作为一门备受怀疑的、不为“严肃”的 科学家容忍共存的学科，发展成为今天物理学和 天体物理学中最普及和深远的课题。阿尔法赫曼DateDate5 5B、宇宙学的发展简史古往今来，人们对宇宙的哲学思考： 宇宙有多大？ 宇宙是有限的，还是无限的？ 宇宙有没有边界？ 要是有边界，边界外面是什么？ 宇宙从哪里来的？ 宇宙是永恒的吗？ 宇宙要是有开端的，它的年龄有多大？ DateDate6 6（1）古代宇宙学 古希腊:宇宙的最高层是恒星天，全部物质都包含在恒星天之内。(从亚里士多德到托勒密)，特别是亚里士多德的第一推动
3、：“任何被推动者皆被某一事物推动。” 我国古代：浑天说主张有限宇宙“天圆如张盖，地方如棋局。天圆如张盖，地方如棋局。” ” 周髀周髀“浑天如鸡子，天体如弹丸，地如鸡子中黄”（张衡，公元0世纪）宣夜说主张宇宙无限“天了无质”，“高远无极”“日月众星，自然浮生虚空之中”。 宇宙有限的观念似乎更符合古人的经验 问题：有限必定有界，要是有界问题：有限必定有界，要是有界，那边界以外是什么呢？亚里士多德恒星天之外是“神”和“灵魂”的世界。托勒密地心说晶莹天、最高天和净火天三个天层张衡“过此而往者，未之或知也” 边界以外是个非物理的存在 。 有限不一定有界，无限不一定无界DateDate7 7（2）近代宇宙
4、学 哥白尼：1543年发表天体运行论，提出日心说，宇宙中心从地球搬到太阳； 伽利略：17世纪初第一个用望远镜观测天空，发现银河系由大量恒星组成； 开普勒：发现行星运动三大定律； 牛顿：万有引力定律的发现，确立了日心说的主导地位；牛顿与莱布尼茨关于星体有限无限分布的思辨争论； 哈雷：1718年发现恒星的自行，打破恒星天固定不动概念； 康德： 18世纪，空间二律背反，逻辑上不自洽，有限无限的讨论毫无意义；DateDate8 8 18世纪中期：英国赖特，德国康德，法国朗白尔：恒星可能组成一个有限范围的伟大体系。太阳在这个体系的中心 。 对于当时已知的几个星云天体提出“岛宇宙”假设：远离银河系以 外孤
5、岛式的恒星系统； 1785年：威廉赫歇尔：银河系概念，太阳在银河系中心附近； 1838年：白塞尔：第一个用三角视差方法测出天鹅61的视差0.31“（现代 0.34”）, 远在太阳系之外； 19201920年代以前：沙普利：大银河系年代以前：沙普利：大银河系，太阳不在银河系中心；沙普利沙普利- -柯蒂斯大争论柯蒂斯大争论：星云是河外的还是河内天体。 19221922：哈勃：测定：哈勃：测定 M31 M31 的距离，证明星云是河外天体的距离，证明星云是河外天体，开创河外 星系天文学。河外星系的发现将宇宙的尺度大大的扩展；DateDate9 9（3）现代宇宙学根据理论模型可以计算，可以预言，可与观测
6、比较的科学。它建立在广义相 对论和宇宙学原理基础之上，并运用了几乎所有的现代物理知识。 1917年爱因斯坦提出引力场方程：提出静止宇宙解，引进宇宙学常数，开创了现代宇宙学； 1929年哈勃发现哈勃定律：宇宙在膨胀，开创观测宇宙学； 1917年Friedmann：用爱因斯坦方程导出了膨胀宇宙解。 1948年伽莫夫：“大爆炸”宇宙学模型，并提出原初核合成理论和背景温度； 1965年Penzias, Wilson：发现宇宙微波背景辐射； 1981年Guth：提出宇宙暴涨理论； 1998年：遥远的超新星观测发现宇宙膨胀加速；DateDate1010C、静态宇宙和奥勃斯佯谬（1）静态宇宙：爱因斯坦时代以
7、前主导的观点基本观点: 宇宙是永恒的, 稳定的存在问题: 物质的存在 引力 塌缩 不稳定 解决办法: (1) 宇宙在空间和质量上无限大 (2) 宇宙在膨胀 (3) 宇宙有起点和终点 (2), (3) 违反基本观点,即宇宙是永恒和稳定的. 宇宙是无限大的DateDate1111（2）奥勃斯佯谬(Olbers Paradox)如果宇宙是无限的, 恒星的 分布是均匀的,那么任意视 线方向上都有一颗恒星.夜空应该是亮的 静态宇宙有问题 宇宙在膨胀，存在视界DateDate1212奥勃斯佯谬的现代解释1 每颗恒星只在有限的时间内产生辐射2 宇宙在膨胀，星系远离我们而去，发出的光子发生红移3 宇宙的年龄有
8、限，遥远恒星的光子尚未到达地球4 我们只可能观测到宇宙视界内天体的辐射 (天体的退行 速 度达到光速的范围)DateDate1313D、现代宇宙学的研究任务 早期宇宙学：宇宙的起源 宇宙的物质组成，宇宙的原初元素丰度 宇宙学模型：确定各种参数数值宇宙的时空特性（0），宇宙膨胀的速率（0），可见宇宙的大小与年龄（0），物质密度(m)，重子比例（f b） 宇宙大尺度结构的起源、形成与演化 宇宙中物质的运动：星系，星系团的运动 星系在宇宙背景下的形成与演化 DateDate14142、现代宇宙学模型DateDate1515A A、宇宙学原理宇宙学原理 B B、Robertson-WalkerRobe
9、rtson-Walker度规度规 C C、 EinsteinEinstein场方程和宇宙学常数场方程和宇宙学常数 D D、 Friedman Friedman 膨胀宇宙模型膨胀宇宙模型 E E、其他宇宙学模型其他宇宙学模型 F F、大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型 GG、稳恒态宇宙模型稳恒态宇宙模型DateDate1616A、宇宙学原理Cosmological Principle 观测宇宙: 观测所及的宇宙部分宇宙学原理宇宙学原理 (Cosmological Principle )(Cosmological Principle ) 宇宙物质分布在大尺度上均匀的和各向同性的 只有基于宇宙学原理，爱因
10、斯坦场方程才能具体化，求解DateDate1717约100万个星系在 30度天 空范围和20亿光年距离范 围内的分布没有发现尺度超过 200Mpc 的结构(1) 宇宙物质在大尺度上是均匀的.DateDate1818宇宙学原理的推论： 宇宙没有中心向各个方向看，宇宙都是相同的(2) 宇宙是各向同性的DateDate1919均匀性 各向同性DateDate2020B、Robertson-Walker度规 （metric）其中：r， 为共动坐标，t 为宇宙时（cosmic time）R(t) 为宇宙尺度因子 (cosmic scale factor)k = 宇宙曲率，分别代表闭合宇宙 k= 1 平坦
11、宇宙 k= 0 开放宇宙 k=1满足宇宙学原理的时空度规必可化为如下形式：DateDate2121闵可夫斯基度规（1907年） (Minkowski metric) ：用非欧 空间的想法來理解 Lorentz 和 Einstein 的工作四維空间， 三維決定空间一点的位置 (x, y, z)，第四維代表事件发生 在该点的时刻 t。我们经常将此空间的四个坐标写成 x = (ct , x, y, z)， 式中 c 未真空中的光速，(= 0, 1, 2, 3)。这四个坐标称之为闵可夫 斯基坐标， 这时的事件间隔为 d s2 = c2 d t2 - d x2 - d y2 - d z2 = ij d
12、xi d xj ， 式中 ij (i, j = 0, 1, 2, 3) 称之为闵可夫斯基坐标 。 00 = +1， 11 = 22 = 33 = - 1， 其他 ij = 0 (ij )。 此空间坐标的旋转变换洛伦兹变换，即ct = (ct - x ) ， x = (x - ct) , y = y, z = z 式中 = v / c , 2 = 1 / (1 - 2)。闵可夫斯基度规 DateDate2222C、Einstein 场方程和宇宙学常数1917年提出爱因斯坦引力场方程DateDate2323: 宇宙学常数爱因斯坦为了宇宙保持静态，提出了宇宙学常数项DateDate2424爱因斯坦：
13、“大概是（我）一生中做的最大蠢事”(伽莫夫自传）“perhaps the biggest blunder of my life“ “增加观测资料精度，可使我们未来能决定它的符号和数值。”（1933与德西特通信）“自从引进宇宙项以来，我一直感到内疚，我不相信这么 丑陋的家伙会在自然界里存在。”（1948年与勒梅特通信）“爱因斯坦也像其他人一样，是他自己建议的严厉批评者，他并没有一味地坚持他原来的建议。”（爱丁顿)爱因斯坦1931年放弃了宇宙学常数DateDate2525伽莫夫：“直至今日还有宇宙学家不时地使用爱因斯坦抛弃的蠢家伙 ，这个宇宙学常数一次又一次地昂起它丑陋的脑袋。”美丽的错误：现在宇
14、宙学常数已经被证明是存在， 而且非常重要。 暗能量有关DateDate2626Einstein 静态宇宙模型 为宇宙学常数， T为宇宙介质的能量动量张量Einstein 发现如果没有宇宙学常数项，方程的解是不稳定 的，表明宇宙在膨胀或收缩。但是宇宙应该是静态，稳定 的，所以要引入宇宙学常数，起斥力或引力的作用（正号 或负号）。 有限无边的静止宇宙模型DateDate2727D、Friedman 膨胀宇宙模型动能势能真空能 曲率能量守恒1922年俄国数学家气象学家 A. Friedman 给出了描 述宇宙膨胀的Friedman方程，推动宇宙膨胀的三个 因素：物质，宇宙学常数（真空零点能），曲率。
15、DateDate2828K =1 3维球面空间 有限闭宇宙 减速到零、收缩K = 0 3维平直空间 有限平直宇宙 永远减速、永远膨胀 K = -1 3维双曲面空间 无限开宇宙 永远加速、膨胀弗里德曼膨胀宇宙模型弗里德曼膨胀宇宙模型DateDate2929 爱因斯坦宇宙：静止的有物质的有限宇宙（1917） 德西特宇宙： 膨胀的无限空宇宙（1917） 勒梅特宇宙 ： 膨胀宇宙（1932） 费里德曼宇宙：膨胀或收缩的宇宙（1921）E、其它宇宙模型DateDate3030MODEL GEOMETRY (k)qFATEde SitterFlat (0)0-1No B.B.; exponential expansion; emptySteady State Flat (0)0-1No B.B.; uniform expansion EinsteinSpherical (+1)c0Static; H = 0; now, gravity balanced by repulsive force; may be unstable Lemait
