第六讲宇宙学

第六讲宇宙学第一页，共四十四页，2022年，8月28日概要古代宇宙观现代宇宙学：观测基础及理论宇宙的年龄及未来宇宙中的成分第二页，共四十四页，2022年，8月28日古代宇宙观第三页，共四十四页，2022年，8月28日“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”

——《文子·自然》“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”

——《尸子》“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”

——《庄子·齐物论》“宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。”

——维基百科第四页，共四十四页，2022年，8月28日古人的观点盖天说：天似穹庐，笼盖四野浑天说：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。……”（汉，张衡）宣夜说：“夫天，元气也，皓然而已，无他物焉。”“夫地有形而天无全。譬如灰烟，烟在上，灰在下也。”（三国，杨泉）第五页，共四十四页，2022年，8月28日地心说：托勒玫日心说：哥白尼（波兰，1514）布鲁诺提出“恒星都是遥远的太阳”，“宇宙无限”，“太阳并非是宇宙中心”。（《论无限宇宙和世界》，1584）古人的观点第六页，共四十四页，2022年，8月28日古代宇宙观：宇宙是永恒的、稳定的。问题：物质－引力－宇宙坍缩可能的解决途径：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点违反宇宙永恒与稳定的性质。因此宇宙无限大。第七页，共四十四页，2022年，8月28日第八页，共四十四页，2022年，8月28日第九页，共四十四页，2022年，8月28日现代宇宙学现代宇宙学发展的重要事件：1915年，Einstein建立广义相对论，使得基于物理学定律讨论宇宙时空成为可能。1922年，Friedmann得到Einstein场方程的宇宙膨胀（或塌缩）解。1929年，Hubble通过测量星系的红移发现宇宙是膨胀的。第十页，共四十四页，2022年，8月28日现代宇宙学发展的重要事件（续）1946年，Gamow领导的研究小组从理论上分析了早期宇宙的热密状态，提出早期元素核合成理论，并预言宇宙中充满了具有黑体谱的微波背景辐射。1965年，Penzias和Wilson发现微波背景辐射，证实了Gamow等人的预言，使越来越多的学者相信宇宙开始于热密状态，并从此开始膨胀。1998年，Ia型超新星爆发的观测研究发现宇宙正在加速膨胀。第十一页，共四十四页，2022年，8月28日现代宇宙学的三大基石哈勃膨胀微波背景辐射轻元素的合成及其理论第十二页，共四十四页，2022年，8月28日哈勃膨胀1929年，哈勃观测了24个邻近的星系，将其光谱与实验室的光谱对比，发现所有的谱线都有红移。如果是多普勒效应，则星系远离我们，并且可以算出星系的运动速度。哈勃发现——哈勃定律其中，是星系的距离，是哈勃常数。哈勃的发现结束了传统的静止宇宙观，将一个膨胀的宇宙展现在人们面前。第十三页，共四十四页，2022年，8月28日

哈勃定律揭示的宇宙膨胀是一种全空间的均匀膨胀，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀。第十四页，共四十四页，2022年，8月28日退行：星系间彼此远离的运动。从任何一个星系出发，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。第十五页，共四十四页，2022年，8月28日微波背景辐射Gamow是现代热大爆炸宇宙学的奠基人。他从理论上提出：宇宙起源于一次大爆炸。通过计算原初大爆炸的那个“火球”由于膨胀冷却而在今天宇宙中遗留下的背景光子温度，他预言宇宙中有大爆炸残存的微波背景辐射。1964年，Penzias和Wilson发现微波背景辐射，证实了Gamow等人的预言，他们也荣获1978年诺贝尔物理学奖。第十六页，共四十四页，2022年，8月28日人们对微波背景辐射做了仔细地和高精度的测量，发现其频谱是高度符合普朗克的黑体辐射定律的，相应的温度是，并且是高度各向同性的。第十七页，共四十四页，2022年，8月28日宇宙学原理(cosmologicalprinciple)：宇宙在空间上（大尺度范围）是均匀和各向同性的。即宇宙空间任何一点没有特殊性。观测证据：宇宙物质在大尺度上（大于100Mpc）趋于均匀；宇宙微波背景辐射偏离均匀的程度仅为10-3。微波背景辐射的观测也证实了宇宙学原理，即宇宙均匀各向同性的假说。但是现实的宇宙是有结构的，必须给出解释。主流的基本思想是引力不稳定性。第十八页，共四十四页，2022年，8月28日第十九页，共四十四页，2022年，8月28日轻元素的合成及其理论宇宙中的重元素含量很少，主要是在恒星演化过程中产生。占宇宙主要成分的轻元素（以H、He为主）却很难用恒星核合成过程来理解。不论什么天体，包括太阳，He元素的丰度都在24%左右，远远超出了恒星内部热核反应所能提供的氦丰度。该丰度值应与宇宙创生时的状态有关。1964年，Hoyle和Tayler根据大爆炸宇宙学的核合成理论，计算得到氦丰度为23-25%。随后，对其他轻元素计算的丰度也与实际测量吻合。第二十页，共四十四页，2022年，8月28日第二十一页，共四十四页，2022年，8月28日现代宇宙学理论第二十二页，共四十四页，2022年，8月28日第二十三页，共四十四页，2022年，8月28日第二十四页，共四十四页，2022年，8月28日第二十五页，共四十四页，2022年，8月28日第二十六页，共四十四页，2022年，8月28日第二十七页，共四十四页，2022年，8月28日宇宙大爆炸模型第二十八页，共四十四页，2022年，8月28日（1）爆炸后

“大统一”时代，所有的物质和能量本质上是可交换的和守恒的。（2）爆炸后30万年核的物质和辐射物质组成的不透明的汤开始逐渐变得透明，光从物质中分离。（3）宇宙不断膨胀，恒星、星系、星系团逐渐形成阶段宇宙演化第二十九页，共四十四页，2022年，8月28日第三十页，共四十四页，2022年，8月28日宇宙大爆炸模型的主要证据星系红移：宇宙正在膨胀。微波背景辐射：模型认为大爆炸30万年后，宇宙温度降低到4000K，开始以宇宙微波背景的形式向宇宙渗透。到现在冷却到了2.73K，与观测吻合。轻元素的丰度：模型认为，在爆炸早期，温度很高，产生氦的效率也很高。可以说明观测结果。第三十一页，共四十四页，2022年，8月28日宇宙的年龄及未来第三十二页，共四十四页，2022年，8月28日第三十三页，共四十四页，2022年，8月28日第三十四页，共四十四页，2022年，8月28日第三十五页，共四十四页，2022年，8月28日第三十六页，共四十四页，2022年，8月28日宇宙的未来第三十七页，共四十四页，2022年，8月28日宇宙中的成