1、1第二讲第二讲 宇宙学宇宙学2主要内容：主要内容：l一、中外古代宇宙观一、中外古代宇宙观l二、现代宇宙观的发展二、现代宇宙观的发展l三、两种宇宙时空观的建立三、两种宇宙时空观的建立 (牛顿、爱因斯坦牛顿、爱因斯坦)l四、宇宙的起源四、宇宙的起源l五、宇宙的演化五、宇宙的演化l六、宇宙的可能结局六、宇宙的可能结局3太阳并不位于宇宙中心太阳并不位于宇宙中心 银河系不是宇宙的全部内容？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从整体角度探讨宇宙结构和演化的天文学分支学科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。宇宙学是研究宇宙大尺度结构和演化的学科。宇宙宇宙中除了空间、时间
2、、物质以外，再没有任何其他的中除了空间、时间、物质以外，再没有任何其他的东西了，所以东西了，所以 宇宙论也就是研究空间、时间、物质宇宙论也就是研究空间、时间、物质相互关系的一门科学。相互关系的一门科学。4一、中外古代的宇宙观一、中外古代的宇宙观5中国古代的宇宙观中国古代的宇宙观l中国古代三种有代表性的宇宙观中国古代三种有代表性的宇宙观盖天说（周初）盖天说（周初）：地是平坦的，：地是平坦的，天如伞一样覆盖大地。天如伞一样覆盖大地。浑天说（战国）浑天说（战国）：天地有蛋形结：天地有蛋形结构，地在中心，天在地周围。构，地在中心，天在地周围。宣夜说（战国）宣夜说（战国）：天无限而空虚，：天无限而空虚，
3、星辰悬浮空虚之中。星辰悬浮空虚之中。6盖天说盖天说l 盖天说最早起源于西周。是中国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。最古老的讨论天地结构的体系。l 盖天说认为，天是圆形的，像一盖天说认为，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，因此这则像爬虫一样过往天空，因此这一学说又被称为一学说又被称为“天圆地方说天圆地方说”。l 盖天说认为盖天说认为日月星辰的出没日月星辰的出没并非真的出没并非真的出没而只是离而只是离远了就看不见远了就看不见离得近了离得近了就看见它们照耀。比如
4、，太阳就看见它们照耀。比如，太阳只能照射只能照射16.716.7万里，超过这个距离就什么也看不见了。因此万里，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白天就是太阳走到距离我们16.716.7万里以内的范围，而晚上则万里以内的范围，而晚上则在该范围之外。在该范围之外。7盖天说盖天说l 盖天说宇宙结构理论力图说明太阳运行的轨道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。设计了一个七衡六间图。太阳在天盖上的周日运动一年中太阳在天盖上的周日运动一年中有七条道路，称为有七条道路，称为“七衡七衡”。最内一道叫。最内一道叫 内衡内衡，夏至日太阳就沿内，夏至日太阳就沿内衡走
5、一圈；最外一圈叫衡走一圈；最外一圈叫“外衡外衡”，是冬至日太阳的路径；其它节气里，是冬至日太阳的路径；其它节气里，太阳沿中间的五道运行。太阳沿中间的五道运行。l“盖天说盖天说”无疑是古代人们从直观出发，再加无疑是古代人们从直观出发，再加以想象而提出来的。以想象而提出来的。l 问题：天地是如何连接起来？问题：天地是如何连接起来？8浑天说浑天说l“浑天说浑天说”出现在战国时代，它认为，浑天如鸡子。天体出现在战国时代，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是孤零零地悬在空中的而是浮在水上而是浮在
6、水上后来又有人认为后来又有人认为地球浮在气中。地球浮在气中。l 浑天说认为全天恒星都布于一个浑天说认为全天恒星都布于一个“天球天球”上上而日月五星而日月五星则附丽于则附丽于“天球天球”上运行。因而浑天说采用球面坐标系上运行。因而浑天说采用球面坐标系如赤道坐标系如赤道坐标系来量度天体的位置来量度天体的位置计量天体的运动。计量天体的运动。l 浑天说不只是一种宇宙学说浑天说不只是一种宇宙学说而而且是一种观测和测量天体视运动且是一种观测和测量天体视运动的计算体系，类似现代的球面天的计算体系，类似现代的球面天文学。文学。l“浑天说浑天说”认为大地是球形的，认为大地是球形的，天也是球形的，这显然要比天也是
7、球形的，这显然要比“盖盖天说天说”进步。它实际上是中国历进步。它实际上是中国历史上的史上的“地球中心说地球中心说”。9宣夜说宣夜说l 在东汉时还有一种解释宇宙本质的在东汉时还有一种解释宇宙本质的“宣夜说宣夜说”。l 宣夜说它主张宣夜说它主张无限宇宙论无限宇宙论。不仅认为宇宙在空间上是无。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。终的、无限的思想。l 宣夜说宣夜说创造了天体漂浮于气体中的理论创造了天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进，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一步发展
8、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。是由气体组成。l 星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，决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。宣夜说没有坚硬的天球来束缚它们。宣夜说打破了固体天球的打破了固体天球的观念观念，这在古代众多的宇宙学说中是非常难得的。，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国外古代的宇宙观的发展l 在外国，对宇宙结构也有各种各样的说法和理论。在外国，对宇宙结构也有各种各样的说法和理论。古代巴比伦人认为，大地犹如拱起的乌龟，天空古代巴比伦人认为，大地犹如拱起的乌龟，天空乃是半球形的穹庐。乃是半
9、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却是伏在地上11l 古代印度人认为，大地驮在象背上，大象站古代印度人认为，大地驮在象背上，大象站在龟身上，海龟浮在海洋上。在龟身上，海龟浮在海洋上。l 古希腊对于宇宙结构有不同的学说，有人认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，这大概是球是一个球，居于世界的中央，这大概是“地球中心说地球中心说”的雏形；也有人认为，地球的雏形；也有人认为，地球绕轴旋转分昼夜，绕日旋转成周岁，这大概绕
10、轴旋转分昼夜，绕日旋转成周岁，这大概可算是可算是“太阳中心说太阳中心说”的前驱了。的前驱了。12l 地心说的起源很早，最初是由古希腊哲学家地心说的起源很早，最初是由古希腊哲学家亚里士亚里士多德多德提出的。认为：宇宙是圆形的，地球是宇宙的提出的。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：无法解释其它行星和太阳，恒星的水晶球。问题：无法解释观测到的行星逆行现象。观测到的行星逆行现象。“地球中心说地球中心说”l 公元公元140年前后，天年前后，天文学家文学家克罗狄斯克罗狄斯托勒托勒密密继
11、承和发展了亚里继承和发展了亚里士多德的地心说，建士多德的地心说，建立了宇宙地心说。立了宇宙地心说。13l托勒密的地心说的主要观点是：托勒密的地心说的主要观点是：q第一，地球位于宇宙中心静止不动。第一，地球位于宇宙中心静止不动。q第二，每颗行星都在一个称为第二，每颗行星都在一个称为“本轮本轮”的小圆形轨的小圆形轨道上匀速转动。而本轮中心在称为道上匀速转动。而本轮中心在称为“均轮均轮”的大圆的大圆轨道上绕地球匀速转动，但地球不在均轮圆心，它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。与圆心有一定的距离。q第三，水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的联第三，水星和金星的本轮中心位于
12、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、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。土星到它们各自的本轮中心的直线就是一周。q第四，恒星都位于被称为第四，恒星都位于被称为“恒星天恒星天”的固体壳层上。的固体壳层上。日、月、行星除上述运动外，还与日、月、行星除上述运动外，还与“恒星天恒星天”一起，一起，每天绕地球转一圈。每天绕地球转一圈。1415“地球中心说地球中心说”l 托勒密的托勒密的“地球中心说地球中心说”在天文学的发展中起过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；一定的进步作用，它推动了观测天文学的发展；
13、但是，由于日地关系被完全颠倒了，人的认识越但是，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。向前发展，这个学说就越露出了破绽。16现代天文学的起源现代天文学的起源-日心说日心说l 在宇宙结构问题上带革在宇宙结构问题上带革命性的学说，是十六世命性的学说，是十六世纪波兰天文学家哥白尼纪波兰天文学家哥白尼提出的提出的“太阳中心说太阳中心说”。l 他认为，太阳是宇宙的他认为，太阳是宇宙的中心，地球和水星、金中心，地球和水星、金星、火星、木星、土星星、火星、木星、土星等绕太阳旋转天穹的视等绕太阳旋转天穹的视运动只不过是地球自旋运动只不过是地球自旋的反映而已。的反映而已。哥白尼的
14、宇宙体系哥白尼的宇宙体系17l它推翻了日动地静的说法，在太阳系范围内，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。中心，这显然是不正确的。l在哥白尼身后，布鲁诺、伽利略等人把哥白在哥白尼身后，布鲁诺、伽利略等人把哥白尼的学说朝前发展，认为宇宙是无限的；天尼的学说朝前发展，认为宇宙是无限的；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。不是宇宙的中心。l对无限的宇宙来讲，根本无所谓中心，或者对无限的宇宙来讲，根本无所谓中心，或者说，处处是中心。？说，处处
15、是中心。？18l哥白尼的学说第一次把宇宙学放在科学的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，经典的现代宇总结出动力学三大定律后，经典的现代宇宙学形成了。宙学形成了。l从二十世纪爱因斯坦的广义相对论到二十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。对宇宙的起源有了新的理
16、解和定义。19天地结构，是人们认识的宇宙天地结构，是人们认识的宇宙l 哥白尼时代的宇宙，实际上是指太阳系；哥白尼时代的宇宙，实际上是指太阳系；l 随着观测手段的改进，人们发现银河原来是由千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，太阳只不过是银河系中一颗普星组成了银河系，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通的恒星，这时人们谈起的宇宙无非是银河系而已；已；l 以后观测发现银河系外还有许许多多象银河系一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
17、它们组成了总星系，它样的星系，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。是现在人们所认识的宇宙。20二、两种不同时空观二、两种不同时空观牛顿时空观牛顿时空观:盛放物质的容器盛放物质的容器。爱因斯坦时空观爱因斯坦时空观:静态、有限、无界的时空。静态、有限、无界的时空。21l 牛顿的力学方程中没有宇宙中心的位置，任何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，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物理规律都是一样的
18、。这就是牛顿时空观中的相对性。对性。l 牛顿对时间的认识是牛顿对时间的认识是“绝对的、纯粹的、数学的绝对的、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。何外在的情况无关。”l 牛顿对空间的认识是牛顿对空间的认识是“绝对空间，就其本性来说，绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。变。”牛顿的空间是一个与物质无关的、存放物牛顿的空间是一个与物质无关的、存放物质的容器。质的容器。牛顿时空观牛顿时空观:盛放物质的容器。盛放物质的容器。22l 在牛顿之前的宇宙模型都
19、是有限、无边的。如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，周围总是布满了天限的，无论我们走到哪里，周围总是布满了天体。体。l 很早就有人怀疑宇宙是无限的这个说法，最著很早就有人怀疑宇宙是无限的这个说法，最著名的是名的是18261826年奥伯斯提出的一个论证，称之为年奥伯斯提出的一个论证，称之为奥伯斯佯谬奥伯斯佯谬。奥伯斯佯谬奥伯斯佯谬-牛顿宇宙的问题牛顿宇宙的问题？23l在距离地面在距离地面r到到r+r的地壳中，
20、恒星的数目为的地壳中，恒星的数目为N。l地面接受到的照度地面接受到的照度l所以无论何时地面接受到的累积照度都会无限所以无论何时地面接受到的累积照度都会无限亮，亮，rrN24LrrLN42drLLdrE44结论：结论：24 奥伯斯佯谬奥伯斯佯谬 基本观点：基本观点：空间是无限的，在这无限的空间中，充满了无限多的空间是无限的，在这无限的空间中，充满了无限多的恒星。恒星。每颗星虽然都有生有灭，但从总体看，可以认为宇宙每颗星虽然都有生有灭，但从总体看，可以认为宇宙的密度的密度保持为常数。保持为常数。从统计观点出发，可以假定恒星的发光强度从统计观点出发，可以假定恒星的发光强度L L基本不变，基本不变，光
21、的传播规律（照度光的传播规律（照度E Er r-2-2）在宇宙中处处相同。）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时间是无限的，从总体来说恒星可无限期地存在125rL00 也就是说白天和黑夜应该一样亮，地球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。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此荒谬，这表明牛顿宇宙模型中总有些东西并非客观事实。东西并非客观事实。2627l 空间和时间在狭义相对论里被想象成一个统一的四维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
22、空间不仅和运动有关系，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。而且相互之间不再是独立的。运动物体收缩，运动时运动物体收缩，运动时钟变慢。钟变慢。l 广义相对论中时空是弯曲的，而曲率的大小由此处引广义相对论中时空是弯曲的，而曲率的大小由此处引力场的强弱决定。力场的强弱决定。广义相对论的时空不是刚性和均匀广义相对论的时空不是刚性和均匀的，的，彻底否定了牛顿的与物质运动无关的绝对时空。彻底否定了牛顿的与物质运动无关的绝对时空。l 爱因斯坦以广义相对论时空观为基础的建立的宇宙模爱因斯坦以广义相对论时空观为基础的建立的宇宙模型，是一个型，是一个静态的、有限无边的闭合三维
23、超球面静态的、有限无边的闭合三维超球面。爱因斯坦相对论时空观爱因斯坦相对论时空观:有限无边的闭合三维球面有限无边的闭合三维球面28三、宇宙的起源三、宇宙的起源29大爆炸宇宙学的发大爆炸宇宙学的发展和逐步建立过程展和逐步建立过程l 7 7世纪世纪 牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建立经典宇宙学。立经典宇宙学。l 19171917年年 爱因斯坦根据广义相对论建立了一个爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、静止、有限、无界有限、无界”的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时的宇宙模型，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。空等概念，从而
24、开创了现代宇宙学研究的时代。l 19221922年，前苏联数学家弗里德曼研究了爱因斯坦所年，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，作的计算，认为静态宇宙仅仅是场方程的一个解，应该还有一个膨胀宇宙解。应该还有一个膨胀宇宙解。30l 19271927年年 比利时主教、天比利时主教、天文学家勒梅特提出均匀文学家勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇宙学模各向同性膨胀宇宙学模型。型。l 19321932年年 勒梅特提出勒梅特提出“原原始原子始原子”爆炸形成宇宙爆炸形成宇宙的概念。的概念。l 19481948年年 美国天文学家伽美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想，莫夫发展勒
25、梅特思想，奠定大爆炸宇宙论的基奠定大爆炸宇宙论的基础。础。31宇宙的起源宇宙的起源l本世纪，有两种宇宙起源模型比本世纪，有两种宇宙起源模型比较有影响。一是稳态理论，一是较有影响。一是稳态理论，一是大爆炸理论。大爆炸理论。若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除若干世纪以来，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。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。宇宙不需要一个开端或结束。即使是在即使是在发现宇宙正在膨胀之后，这种想法也没发现宇宙正在膨胀之后，这种想法也没有被放弃。有被放弃。32稳态理论稳态理论l 托马斯托马斯.戈尔德戈尔德(ThomasGold)，赫尔曼，
26、赫尔曼.邦迪邦迪(HermanBondi)及弗雷德及弗雷德.霍伊尔霍伊尔(FredHoyle)于于40年代后期提出，物质正以年代后期提出，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。质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。l 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。下去。l 宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的宇宙在任何时候，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，每稳态理论
27、所要求的创生速率很小，每100100亿年中，在一立方米亿年中，在一立方米的体积内，大约创生的体积内，大约创生1 1个原子。稳态理论的优点之一是它的明个原子。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确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的 。也正因如。也正因如此此 ，它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射，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。被发现后，这一理论基本上已被否定。33大爆炸宇宙论 34大爆炸理论的提出大爆炸理论的提出l宇宙的产生为什么会想到大爆炸？宇宙的产生为什么会想到大爆炸？l二十世纪匈牙利科学家
28、勒梅特设想：二十世纪匈牙利科学家勒梅特设想：物质结构和次序的认识：物质的形成由简物质结构和次序的认识：物质的形成由简到繁。到繁。熵增原理：熵增原理：最简单就是一个原子最简单就是一个原子-原始的原子的演原始的原子的演变到现在的宇宙变到现在的宇宙l想到大爆炸理论的人是爱因斯坦想到大爆炸理论的人是爱因斯坦35l广义相对论理论基础广义相对论理论基础l宇宙红移的观测事实宇宙红移的观测事实l宇宙大爆炸理论观念宇宙大爆炸理论观念的形成的形成36大大爆爆炸炸理理论论验验证证l 2020年代后期，爱德温年代后期，爱德温哈勃哈勃(Edwin Hubble)(Edwin Hubble)发现发现了了红移现象，说明宇宙
29、正在膨胀红移现象，说明宇宙正在膨胀。6060年代中期，年代中期，阿尔诺阿尔诺彭齐亚斯彭齐亚斯(Arno Penzias)(Arno Penzias)和罗伯特和罗伯特威尔逊威尔逊(Robert Wilson)(Robert Wilson)发现了发现了“宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射”。这。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。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伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念理论理论l 19501950年前后，伽莫夫（美籍俄国）第一个建立了热大年前后，伽莫夫（美籍俄国）第一个建立了热大爆炸的观念。爆炸的观念。l 伽莫夫认为，宇宙开始于高温、高密
30、度的原始物质。伽莫夫认为，宇宙开始于高温、高密度的原始物质。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，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，再演化成今天的各至四千度，物质逐渐凝聚成星云，再演化成今天的各种天体。种天体。l 这个创生宇宙的大爆炸，事实上应该理解为整个空间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。同时的急剧膨胀。38l理论提出后中间有经过很
31、多人的理论提出后中间有经过很多人的修正补充并且完善。修正补充并且完善。l该理论最核心的一点是：如果理论成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，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那么降到现在宇宙边缘的温度应该降到到5度（绝对温标）左右。度（绝对温标）左右。l理论提出，等待验证。但是比较困难。理论提出，等待验证。但是比较困难。39“宇宙微波宇宙微波背景辐射背景辐射”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斯和R.W.R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收威尔
32、逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收通讯天线系统。通讯天线系统。19641964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除年，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不掉的背景噪声，他们认为，这些来自宇宙的波长为7.357.35厘厘米的微波噪声相当于米的微波噪声相当于3.5K3.5K的热辐射。的热辐射。19651965年他们又将其修正为年他们又将其修正为3K3K，并将这一发现公布，为此获得，并将这一发现公布，为此获得了了19781978年的诺贝尔物理学奖。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）彭齐亚斯（左）和威
33、尔逊（右）和威尔逊（右）41黑体辐射谱黑体辐射谱l微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱。从谱。从 0.0540.054厘米直到数十厘米波段的测量厘米直到数十厘米波段的测量表明，背景辐射是温度近于表明，背景辐射是温度近于2.7K2.7K的黑体辐射，的黑体辐射，习惯称为习惯称为3K3K背景辐射。背景辐射。42l黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大时空黑体谱现象表明，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，才能形成黑体谱。间的相互作用，才能形成黑体谱。l由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射
34、与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。到的黑体谱必定起源于很久以前。43各向同性的背景辐射各向同性的背景辐射l微波背景辐射的另一特征是具有极高的各向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：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，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辐射强度的起伏小于0.2-0.3%0.2-0.3%；大尺度上的各向同性：沿天球各个不同方向，辐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
35、小于射强度的涨落小于0.3%0.3%。l各向同性说明，在各个不同方向上，各个相各向同性说明，在各个不同方向上，各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互联距非常遥远的天区之间，应当存在过相互联系。系。443K3K背景辐射与理论相符背景辐射与理论相符l 微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文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源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。强有力支持。l 3K3K背景辐射与四十年代伽莫夫、海尔曼和背景辐射与四十年代伽莫夫、海尔曼和阿尔菲根据当时已
36、知的氦丰度和哈勃常数等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资料预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射理论相符。理论相符。45宇宙红移的观测再次证明了大爆炸理论宇宙红移的观测再次证明了大爆炸理论l 二十世纪二十世纪3030年代，哈勃工作在美国的威尔年代，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。从动时，发现各个星系都在远离银河系。从而得出了哈勃定律。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4
37、6红移现象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。光是电磁波。当光源远离观当光源远离观测者时，接受到测者时，接受到的光波频率比其的光波频率比其固有频率低，即固有频率低，即向红端偏移，这向红端偏移，这种现象称为种现象称为“红红移移”。当光源接近观当光源接近观测者时，接受频测者时，接受频率增高，相当于率增高，相当于向蓝端偏移，称向蓝端偏移，称为为“蓝移蓝移”。47哈勃定律哈勃定律哈勃发现，来自星系的光谱呈现某种系哈勃发现，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。统性的红移。即星系正在远离我们。将星系中特定原子的光
38、谱与地球上实验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。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，即越高，而且两者之间存在线性关系，即V=HD（其中（其中H H是哈勃常数），这个是哈勃常数），这个关系称为哈勃定律。关系称为哈勃定律。哈勃定律的伟大意义，不仅在于它证实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了宇宙的膨胀，而且还提供了一种估计宇宙年龄的手段宇宙年龄的手段。哈勃定律的意义 哈勃定律反映
39、了宇宙的膨胀哈勃定律反映了宇宙的膨胀 星系的距离星系的距离D DV V/H H0 0 假设：假设：如果宇宙的膨胀是均匀的如果宇宙的膨胀是均匀的 可以确定：可以确定：宇宙的年龄宇宙的年龄 t tD D/V V1/1/H H0 0 星系的退行表明在过去它们必定离得很近，宇宙膨胀的起星系的退行表明在过去它们必定离得很近，宇宙膨胀的起点是什么？点是什么？哈勃常数的测定：WMAPWMAP和和SDSSSDSS的的20032003年结果：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（马歇尔太空飞行中心（MSFCMSFC）20062006年年:77
40、km/(sMpc)，误差大约是15%。2009.5.72009.5.7，NASANASA发布最新测量结果：发布最新测量结果：74.2 3.6 km/(s*Mpc)，不确定度5%以内。l方法：方法：星系造父变星法测距离测距离 宇宙学红移多普勒效应测速度测速度。l 小知识：小知识：造父变星（造父变星（Cepheid variable starCepheid variable star）是一类高光度周）是一类高光度周期性期性脉动变星脉动变星，也就是其亮度随时间呈周期性变化。因典，也就是其亮度随时间呈周期性变化。因典型星仙王座型星仙王座（中文名造父一）而得名。由于根据造父变（中文名造父一）而得名。由于
41、根据造父变星星周光关系周光关系可以确定星团、可以确定星团、星系星系的距离，因此造父变星被的距离，因此造父变星被誉为誉为“量天尺量天尺”。5051膨胀中宇宙的性质使人困惑膨胀中宇宙的性质使人困惑l 从地球的角度来看，好象遥远的星系都正飞快地从地球的角度来看，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，又没有一都是相同的。可以说每一点都是中心，又没有一点是中心。点是中心。l 我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀，
42、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。活中见到的源于一点的爆炸不同。52空间的伸长空间的伸长l 空间可以伸长这一事实空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪，看上去似乎离奇古怪，不过这却是不过这却是19151915年爱因年爱因斯坦广义相对论发表以斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的来科学家们早就熟知的概念。概念。l 广义相对论认为，引力实际上是空间（严格地说是时广义相对论认为，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。从某种意义上来说空间空）弯曲或变形的一种表
43、现。从某种意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。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。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
44、处相同的，不存在特殊的在远离，而且这种膨胀是处处相同的，不存在特殊的中心。中心。只要把这条带钮扣的松紧带无限加长，或环成一个圆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。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。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味着退行速度与距离成正比-这是一个极为重要的关系。这是一个极为重
45、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，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。比，同这个简单的图像模拟结果完全一致。55另外一个证据：元素氦丰度分布另外一个证据：元素氦丰度分布l宇宙中宇宙中HeHe的分布与预期的不吻合。的分布与预期的不吻合。l如果是氢的聚变热核反应得到氦，那么如果是氢的聚变热核反应得到氦，那么氦的总
46、量不超过几氦的总量不超过几%的数量级。的数量级。l但是测量结果发现氦的含量约占四分之但是测量结果发现氦的含量约占四分之一，其余一，其余70%70%的氢和少量的其它元素。的氢和少量的其它元素。l唯一的解释：在大爆炸过程中产生大量唯一的解释：在大爆炸过程中产生大量能量，迫使的大量的氢聚变成氦，造成能量，迫使的大量的氢聚变成氦，造成氦过量。氦过量。56l大爆炸理论认为，宇宙起源于一个单独大爆炸理论认为，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都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。至少是在点。至少是在10015010015
47、0亿年以前，宇宙亿年以前，宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。及空间本身由这个点爆炸形成。57四、四、宇宙的演化宇宙的演化58宇宙最初演化的三分钟宇宙最初演化的三分钟l 年龄年龄=0.01=0.01秒，温度大约秒，温度大约101011 11K -K -一团混沌一团混沌l 年龄年龄=1.1=1.1秒，温度大约秒，温度大约10101010K -K -电子中子和质子电子中子和质子形成形成l 年龄年龄=3=3分钟，温度大约分钟，温度大约10109 9K -K -元素氢氦产生元素氢氦产生l 年龄年龄=3=3分分4545秒，宇宙基本形成秒，宇宙基本形成59引力收缩引力收缩（gravitational cont
48、raction）l 按照一般的看法，太阳系、恒星、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。作用下逐渐凝缩而成的。l 在原始气体弥漫物质中存在着密度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）的弥散趋势分子热运动（即压力）的弥散趋势而开始收缩，使密度进一步增大，而开始收缩，使密度进一步增大，终于形成一个密度远高于周围气体终于形成一个密度远高于
49、周围气体的区域。这种情况称为引力收缩。的区域。这种情况称为引力收缩。60l 一般认为，在原始星云中，往往是先收缩成大云一般认为，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，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若干小云块。后者即为恒星的前身星胚。星星胚。星胚再逐渐演化成为恒星。胚再逐渐演化成为恒星。61四、四、宇宙可能的结局宇宙可能的结局 62三种宇宙膨胀状态三种宇宙膨胀状态l 宇宙膨胀过程是引宇宙膨胀过程是引力与膨胀初速度之力与膨胀初速度之争，谁
50、胜谁负取决争，谁胜谁负取决于宇宙物质密度。于宇宙物质密度。l 如果宇宙物质密度小于某一临界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（根据现有的对膨胀速率的观测，临界密度约为率的观测，临界密度约为 5 51010-30-30 克克/厘米厘米3 3），），将没有足够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）；如果宇宙物质密度大于临宇宙的膨胀是开放的（开宇宙）；如果宇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，在界密度，巨大的引力会使得膨胀最终停止并接下来收缩，在
