宇宙学概论1-2014打印版

1、宇宙学概论朱国怀浙江大学物理系浙江近代物理中心开卷考试（随堂考） 期末论文（自愿）平时vs.期末 50:50成绩分布：90分以上 30%课件下载 http:/ 验验证码：3152课堂回答问题或课后email交流，偶尔点名？ 助教：金明杰 本人：教材，可参考 现代天文学十五讲 （北大） An Introduction to Modern Cosmology(A. Liddle)内容提要 古典天文学的发展与科学太阳系的建立 宇宙的大小及现状 宇宙的观测方法与演化 恒星和星系的生成与演化 现代宇宙学前沿简介（暗物质，暗能量） 早期宇宙构成与演化历史 物理学基础：物质的组成，

2、相互作用与运动宇宙学古老与新兴的学问l 盖天说（周髀算经），浑天说（张衡）宇宙学古老与新兴的学问l 盖天说（周髀算经），浑天说（张衡） 实验的科学l地球太阳系银河系河外星系理论的作用lThe big bang model Physical Review 1948宇宙学古老与新兴的学问l 盖天说（周髀算经），浑天说（张衡） 实验的科学l地球太阳系银河系河外星系理论的作用lThe big bang model Physical Review 1948.4.1 Alpher, Bethe& Gamow宇宙学古老与新兴的学问l 盖天说（周髀算经），浑天说（张衡）l大爆炸学说（ Physical Rev

3、iew 1948.4.1 ） 实验的科学l地球太阳系银河系河外星系理论的作用lThe big bang model宇宙的现状，过去与未来 1920年代和朗道等组成学习小组 量子隧穿效应（tunneling ） 1931年苏联科学院院士 1932年试图划船到土耳其和挪威 1934-1954年George Washington大学任教，招助手：E. Teller 1948.04.01 The origin of chemical elements 预言宇宙微波背景辐射 科普书：从一到无穷大 等 DNA，RNAGamow(1904-1968)From “The Essential Cosmic Pe

4、rspective”, Bennett et al.Cosmic distance ladder :large distances in terms of smaller distances.今天我们知道地球是近似球形，赤道半径6378公里，南北极半径 6356公里.设想我们重回古代，如何知道地球是圆的？半径多少？Earth Observing System composite, NASA地球的形状大地是球形的证据l月食Aristotle (384-322 BC) 告诉我们，看看月亮，你就知道地球为什么是个球Copy of a bust of Aristotle by Lysippos (33

5、0 BC)Aristotle 知道月食总在月亮背对太阳时发生,因此推断是因为地球的阴影.地球在月亮上的影子总是圆弧，所以是球形Lunar Eclipse Phases, Randy Brewer地球的形状大地是球形的证据l月食l往南走，北极星高度降低Aristotle 还知道有些星星在埃及看得到,希腊却看不到，所以地球表面应该是曲面，但半径是多少？Night Sky, Till Credner地球的形状大地是球形的证据l月食l往南走，北极星高度降低l远处帆船只看得到帆l古希腊在海边l圆（球）是最完美的形状(毕达哥拉斯)l中国主要是内陆国家地球的大小(200 B.C.)柏拉图（287-212 B

6、C) ： 周长74,000km阿基米德（287-212 BC)： 55,500km埃拉托色尼(276-194 BC) : 约4万km5000 stadia 约740km(有争议),因此地球周长约740*50=37000km,误差来源？SyeneSun directly overheadAlexandria7o5000 stadiaTropic of Cancer: Swinburne University, COSMOS Encyclopedia of Astronomy埃拉托色尼方法的误差p 赛恩(阿斯旺）在 北回归线以北35kmp亚历山大城稍偏离 赛恩的正北方p亚历山大城到赛恩的 精确距离

7、难测定SyeneSun directly overheadAlexandria5000 stadia古希腊人又是如何知道 月亮有多大? 月亮离地球有多远?NASA阿里斯塔克斯 (310-230 BC) 发现地月距离约为地球半径的 60 倍(现代测量值在57-63倍之间变化). 他还发现月亮半径为地球半径的1/3(现代测量值为0.273)Bust of Aristarchus - NASA2rDv = 2r / 3 hours= 2 D / 1 monthD = 60 rWikipedia月食持续时间不超过三小时月亮升起大约耗时2分钟2RV = 2R / 2 min= 2 D / 24 hour

8、sR = D / 180= r / 3 Moonset over the Colorado Rocky Mountains, Sep 15 2008, Alek KolmarnitskyEIT-SOHO Consortium, ESA, NASA 太阳有多大? 太阳有多远?阿里斯塔克斯仍然知道正确的方法,不过这次总算答案错了Zimbabwe Solar Eclipse 4 Dec 2002, Murray Alexander已知月亮半径是地月距离的1/180,而日全食时月亮几乎完全遮住太阳,由相似三角可知,太阳半径也是日地距离的1/180Aristarchus 认为半月出现在新月和满月中点前1

9、2小时,因此日地距离是地月距离的20倍BBC = /2 2 *12 hours/1 monthcos = d/DD = 20 d事实上,半月出现在新月和满月中点前约半小时 (而非 12 小时), 因此日地距离是地月距离的 390 倍(而非20 倍)BBC = /2 2 * 12 0.5 hour/1 monthcos = d/DdDD = 20 390 dAristarchus由此发现,太阳比地球大7倍(其实是109倍)BBCd = 60 rD/d = 20 390R/D = 1/180dDrRR = 7 r 109 r Aristarchus由此推断,太阳绕着地球转是荒谬的,并提出日心说.但

10、他的知音要等待 1700年后的Copernicus NASA/ESAEarth radius = 6371 kmSun radius = 695,500 km阿里斯塔克斯日心说u太阳与固定的恒星不动u地球绕太阳做圆周运动u恒星距离地球和太阳极为遥远（1光年） 否则恒星应该忽小忽大u地球自转导致星空看起来旋转n雅典城及所有居民以1000迈/h 向东疾驰n全世界终年东风狂飙n跳远会落到很远处u渎神罪日地距离金星凌日（哈雷1716）l1761.6.6; 1769.6.4l1874.12.9; 1882.12.6l2004.6.8; 2012.6.6l2117.12.11; 2125.12.8开普勒第

11、三定律：constaT32/日地距离(金星凌日2)观测的艰难1761. 梅森前往南非途中被法国舰队追杀（英法七年战争）11死37伤观测的艰难1761. 梅森前往南非途中被法国舰队追杀（英法七年战争）11死37伤威尔斯在加拿大威尔逊湾：蚊虫，马蝇和严寒 白兰地5分钟结冰观测的艰难1761. 梅森前往南非途中被法国舰队追杀（英法七年战争）11死37伤威尔斯在加拿大威尔逊湾：蚊虫，马蝇和严寒 白兰地5分钟结冰多特罗希（法）驾马拉雪橇前往西伯利亚，需警卫重重保护，因当地居民将春天洪水归咎于他对太阳的干扰。1769年金星凌日时前往墨西哥观测不幸染病而死，由全队唯一生还者带回观测数据观测的艰难1761.

12、梅森前往南非途中被法国舰队追杀（英法七年战争）11死37伤威尔斯在加拿大威尔逊湾：蚊虫，马蝇和严寒 白兰地5分钟结冰多特罗希（法）驾马拉雪橇前往西伯利亚，需警卫重重保护，因当地居民将春天洪水归咎于他对太阳的干扰。1769年金星凌日时前往墨西哥观测不幸染病而死，由全队唯一生还者带回观测数据彭革雷前往东非马达加斯加岛，大雨取消观测， 其后船被英国人扣留，押解至里斯本观测的艰难（2）衰神附体之勒襄特u1760.3.26由法国前往印度，途中被季风吹离航道 直至金星凌日时仍被困印度洋中无风带观测的艰难（2）衰神附体之勒襄特u1760.3.26由法国前往印度，途中被季风吹离航道 直至金星凌日时仍被困印度洋

13、中无风带u 预先搭船至印度朋迪榭里区，1769.6.4当天乌云密布，金星凌日完毕后马上放晴 “远离故土，跋涉千山万水来到这鸟不生蛋的地方，所见者竟是一堆乌云；它早不来晚不来，偏偏就在我要观测时挡住太阳”观测的艰难（2）衰神附体之勒襄特u1760.3.26由法国前往印度，途中被季风吹离航道 直至金星凌日时仍被困印度洋中无风带u 预先搭船至印度朋迪榭里区，1769.6.4当天乌云密布，金星凌日完毕后马上放晴 “远离故土，跋涉千山万水来到这鸟不生蛋的地方，所见者竟是一堆乌云；它早不来晚不来，偏偏就在我要观测时挡住太阳”u患痢疾在印度待了9个月，搭西班牙战舰经好望角遇飓风，船桅折断偏离航道，最终蹒跚驶

14、入西班牙卡迪斯港，在徒步翻越比利牛斯山，于11年6个月13天后回到巴黎，已被宣告死亡，家产被劫掠一空。观测的艰难（2）衰神附体之勒襄特u1760.3.26由法国前往印度，途中被季风吹离航道 直至金星凌日时仍被困印度洋中无风带u 预先搭船至印度朋迪榭里区，1769.6.4当天乌云密布，金星凌日完毕后马上放晴 “远离故土，跋涉千山万水来到这鸟不生蛋的地方，所见者竟是一堆乌云；它早不来晚不来，偏偏就在我要观测时挡住太阳”u患痢疾在印度待了9个月，搭西班牙战舰经好望角遇飓风，船桅折断偏离航道，最终蹒跚驶入西班牙卡迪斯港，在徒步翻越比利牛斯山，于11年6个月13天后回到巴黎，已被宣告死亡，家产被劫掠一空

15、。u最终放弃天文学，结婚，退休写回忆录观测的艰难（3）1769年英国皇家学会班克斯与库克船长u英法正交战，法国特别下令不得攻击奋进号，因而经七个半月航程，顺利抵达南太平洋之塔希提岛（只死了四人）观测的艰难（3）1769年英国皇家学会班克斯与库克船长u英法正交战，法国特别下令不得攻击奋进号，因而经七个半月航程，顺利抵达南太平洋之塔希提岛（只死了四人）u 严禁船员以金属物品（一两根铁钉）与岛上女人性交易，先前抵达的海豚号因船上铁钉几乎被拔光而报废。观测的艰难（3）1769年英国皇家学会班克斯与库克船长u英法正交战，法国特别下令不得攻击奋进号，因而经七个半月航程，顺利抵达南太平洋之塔希提岛（只死了四人）u 严禁船员以金属物品（一两根铁钉）与岛上女人性交易，先前