宇宙学概论2要点

第二章认识宇宙的历程1认识宇宙的历程21、宇宙学的发展简史2、静态宇宙和奥勃斯佯谬3、宇宙的距离尺度4、哈勃定律5、宇宙中的等级1、宇宙学的发展简史认识宇宙的历程3人们谈论宇宙的历史已有几千年。但那是他们认识的宇宙，不要与我们现在认识的宇宙混为一谈。生于何时、身在地球何处，会影响你对宇宙的认识。在地球不同地方，看到的星空是不同的，这是因为地球的自转轴是倾斜的。这就是为什么关于天空的神话和宇宙的本质，不同地区有不同的说法。（1.1）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：

“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。”

《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，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4认识宇宙的历程中国古代的宇宙观盖天说主张：“天圆如张盖，地方如棋局”的天圆地方说。浑天说主张：天如球形，地球位于其中心。浑天说与盖天说并存了很长时间。后来，浑天说在解释天体运动方面渐渐占了优势。根据浑天说制造的浑仪可以演示日、月、星辰的视运动。昼夜说，是中国古代的颇具哲理的宇宙学说。昼夜说认为天是没有形质的，不存在固体的“天穹”，而只是无边无际的气体。日月星辰漂浮在无限的气体之中，游来游去。这是一种朴素的无限宇宙论的观点。5认识宇宙的历程中国古代有三种比较系统的宇宙学说，《晋书·天文志》中写道：“古言天者有三家，一曰盖天，二曰昼夜，三曰浑天。”我国古代关于宇宙的两大学说：盖天说（左）和浑天说（右）。后人创造的形象图案生动地展示了其内涵盖天说浑天说6认识宇宙的历程浑仪－以浑天说为理论基础约在公元前四世纪至公元前一世纪之间7认识宇宙的历程古希腊的天文学和托勒密体系一般将古希腊天文学分为四大学派：爱奥尼亚学派、毕达哥拉斯学派、柏拉图学派和亚历山大学派。爱奥尼亚学派，其代表人物是哲学家兼几何学家的泰勒斯（约公元前640－546年）。其继承人阿那克曼德（约公元前611－547年）认为天空是围绕着北极星旋转的。万物都从无限中产生，消灭后又回到无限，整个宇宙是一个球形的。8认识宇宙的历程毕达哥拉斯学派（公元前582－500）

，创始人是著名的几何学家毕达哥拉斯。据说他也曾是泰勒斯的门徒。该学派提出了很多重要的观点。主张地球是球形，地球周围是空气和云，在往外便是日月星辰以匀速圆周运动围绕地球转动。柏拉图学派是由雅典哲学家柏拉图（公元前427－347）创立，主要学说是“同心球”宇宙模型。宇宙是以地球为中心的一个个同心球，这些球壳从内向外依次分布着月球、太阳、水星、金星、火星、木星、土星和恒星。古希腊的天文学和托勒密体系9认识宇宙的历程亚历山大学派，地心体系的学说得到充分的发展，形成了统治西方达1500年之久的地心说。托勒密注意到同心球理论的缺陷，他吸收了前人提出的本轮和均轮的概念，包括依巴谷的偏心圆的概念形成了自己的地心学说。托勒密认为：第一，日月行星虽然也都以圆轨道绕地球运动，但地球并不位于球心，而是偏离中心。这些偏心圆称为均轮。第二，五大行星本身都绕着自己的本轮圆运动，本轮圆的中心再绕均轮运动。第三，最外一层第八层是恒星天，所有的恒星都嵌在恒星天上。在当时的天文观测精度下，托勒密的地心宇宙体系能够给出充分的解释。古希腊的天文学和托勒密体系10认识宇宙的历程亚里斯多德的球对称宇宙公元前350年，亚里斯多德提出一种哲学上的宇宙观，试图对当时观测到的现象加以简化和解释。他把对称性看得非常重要，并相信球体是世间最完美的形状。因此，宇宙必然是球形的。为描述天空中看得见的天体和它们的运动，他提出一种复杂的洋葱皮结构，包含不下55层透明水晶嵌套的球面，这些球面都以地球为中心。并假设地球也是球体。一个旋转的球面总是在空间中占据相同的地方，但多面体旋转时就会制造出“真空”。于是，这种亚里斯多德式的“证明”便得出了大地是球形的结论。地球中心说与中世纪时以人类为中心的世界观正好相呼应。认识宇宙的历程11托勒密的宇宙我们会看到其他行星表现出反常的逆向运动（因为不同的角速度）。亚里斯多德和他的追随者需要解释这些现象。约公元130年，托勒密首先发现解决这个挑战性问题的一个方法。这个方法是古代最接近“万有理论”的东西，并且延续了一千多年的时间。托勒密面临的挑战在于：需要把行星的复杂运动，包括所有的逆向运动，同亚里斯多德认为的地球是宇宙的中心的严格观念结合起来。托勒密在他的著作《至大论》中这样回答：从行星或太阳绕地球的圆形轨道（或叫“均轮”）可反推出一个点的运动，而这个点又是该行星的另一个小型圆周运动（又叫“本轮”）的圆心，行星就沿着本轮运动。认识宇宙的历程12地心说是亚里士多德首创认为宇宙是一个有限的球体，分为天地两层地球位于宇宙中心日月围绕地球运行物体总是落向地面地球之外有9个等距天层，此外空无一物各个天层自己不会动上帝推动了恒星天层恒星天层带动了所有天层的运动托勒密的地心体系13认识宇宙的历程由里到外的排列次序：月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天

14认识宇宙的历程托勒密（公元2世纪）本轮均轮随着对于行星运动观测资料的增多，本轮增加到了八十多个

15认识宇宙的历程（1.2）近代宇宙学哥白尼：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；16认识宇宙的历程15世纪后:科学技术和航海事业的发展人们发现地心体系与实际观测并不相符哥白尼（16世纪）：

30多年观测研究→死前出版《天体运行论》轨道仍是圆形，保留实体天层的概念未观测到恒星视差，实证上不比地心说优越《普鲁士天文表》预报1563年土星木星交会的计算差至一天哥白尼的日心体系17认识宇宙的历程18认识宇宙的历程第谷的地心体系废除实体天球概念引进运行轨道除恒星视差外，和日心说解释观测数据上同样有效19认识宇宙的历程第谷的宇宙理论是托勒密体系和哥白尼体系的混合，他认为行星绕太阳旋转，太阳又率群星围地球运行。第谷超新星遗迹距离1.2万光年星云至今仍以9000公里/秒速度向外膨胀20认识宇宙的历程开普勒在他早期所著的《神秘的宇宙》（1597年）一书里设计一个有趣的、由许多有规则的几何形体构成的宇宙模型。开普勒试图解释为什么行星的数目恰好是六颗，并用数学描述所观测到的各个行星轨道大小之间的关系。他发现六个行星的轨道恰好同五种有规则的正多面体相联系。这些不同的几何形体，一个套一个，每个都按照某种神圣的和深奥的原则确定一个轨道的大小。开普勒宇宙模型的数学关系纵然如此美妙，但若干年后开普勒分析第谷的观测数据、制定行星运行表时，它们却毫无用处。开普勒就摒弃了它。开普勒21认识宇宙的历程22认识宇宙的历程不论是哥白尼体系、托勒密体系还是第谷体系，没有一个能与第谷的精确观测相符合。开普勒要解决的问题包括两方面：第一，用什么方法测定行星（包括地球）运动的“真实”轨道，如同观测者能从“天外”看行星绕太阳运行一样；第二，分析行星运动遵循什么样的数学定律。开普勒(17世纪,第谷的观测资料)总结出了著名的行星运动三大定律望远镜：重要的天文观测仪器伽利略的优势：光学原理23认识宇宙的历程伽利略的重要贡献(1610年1月7日)用自制的望远镜发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等1610.3《星辰使者》开辟了天文学新时代24认识宇宙的历程牛顿运动三定律第一定律，即惯性定律：物体不受任何外力或受到的力平衡时，总保持匀速直线运动或静止状态。第二定律，是力的瞬时作用规律：物体动量的变化率等于它所受到的外力。第三定律：每一作用力都有对应的大小相等、方向相反的反作用力。认识宇宙的历程25认识宇宙的历程26牛顿三大定律隐藏着许多值得注意的深刻见解。当牛顿谈到运动或静止的物体时，我们会问：“相对谁静止？”事实上，他说的所有运动，都相对空间中一个虚构的固定舞台而言，舞台的位置由遥远的恒星划定。他认为恒星是不变的、静止的，这就是后来所谓的“绝对”空间。牛顿定律要求宇宙中存在一类特殊的观测者，对他们来说运动定律比别的观测者更加简单。然而，真正的自然法则，应该对所有观测者一样。认识宇宙的历程27物理学家和天文学家借助牛顿力学，就可以试着解释他们所看到的所有天体运动。关键的是，可以思考牛顿运动定律会如何预言宇宙的变化。认识宇宙的历程28托马斯·赖特(Wright,Thomas)(1711-1786)英国，一位自学成才的天文学家他第一次对银河进行了细致描绘。他提出两个设想：第一，恒星可能聚集成一个扁平、环形的盘状结构，围绕银河的中心。第二，恒星可能聚集成一个球面，银河只是这个球面上的一块薄片。进而，他认为宇宙中不应该只存在一个这样的巨大星团。他设想这样的星团应该无穷无尽。赖特的设想和他建立的宇宙模型将原本着眼于太阳系的哥白尼原理进行了外推，就适用于更大的宇宙。认识宇宙的历程29伊曼努尔·康德（ImmanuelKant）（1724-1804），德国哲学家、德国古典哲学创始人。1751年，27岁的康德读到赖特的理论。于1755年写了一本关于宇宙的著作，即《宇宙发展史概论》，他发展了赖特的银河图景。并提出，太阳系是由自转的气体和尘埃形成的。康德的图景中最突出特点就是宇宙在演化。康德的宇宙无边无际，所以没有真正意义上的中心。他认为宇宙可以永远演化下去，“创生永远不会完成或终结，它确实有个开端，但永远不会停止”。亚里士多德前384~前322张衡78~139年郭守敬元朝1231~1316托勒密90年~168年哥白尼1473~1543年伽利略1564～1642年第谷1510~1601开普勒1571~1630哈雷1656~1742牛顿1642～172730认识宇宙的历程（1.3）近现代宇宙学众多的古代宇宙观教给我们一些简单的道理：仅靠观察宇宙就想理解它并不容易。我们被局限在一个特殊行星的表面上，同其他行星一起绕着一颗中年恒星。因此，我们在地球表面所处的地点和时间以及可能抱有的对于我们应在大千世界中处于什么地位的观念，都强有力地决定了我们从夜空中能看到什么。我们的宇宙观预先确定了我们的宇宙模型。认识宇宙的历程31认识宇宙的历程32拉普拉斯－星云假说拉普拉斯(Pierre-SimonLaplace,1749－1827)，法国杰出的天文学家、数学家和物理学家。1796年他的著作《宇宙体系论》问世，他把康德的想法发展成一个更精确的理论，即对后来有重大影响的关于行星起源的星云假说。康德的星云说是从哲学角度提出的，而拉普拉斯则从数学、力学角度充实了星云说，因此，人们常常把他们两人的星云说称为“康德-拉普拉斯星云说”。“星云假说”在当时的天文学家中很流形，他们认为夜空中每一块发光斑点都是正在形成的行星系统。拉普拉斯的理论成为当时的宇宙学标准模型。认识宇宙的历程33开尔文的简单宇宙模型开尔文男爵(1824－1907)，原名威廉·汤姆逊。是当时英国科学界的领军人物，皇家科学学会主席。他的研究范围相当广泛，他在数学物理、热力学、电磁学、弹性力学、以太理论和地球科学等方面都有重大的贡献。他提出的宇宙模型从牛顿引力理论发展而来，可以预测宇宙中巨型云状物质的命运。他证明，一团球状物质最终会由于自身引力而向中心坍缩，唯一能避免落入中心的方法就是绕着它旋转（这正是康德提出的设想）。开尔文的模型包含约十亿颗太阳大小的恒星，这些恒星产生的引力导致恒星的公转速度正好与我们在附近的太空中所观测到的符合。在其模型中，物质将向着中心掉落，并与已经在那里的恒星融合，从而释放出热量，维持着漫长时间的能量输出。他认为引力收缩是天体的唯一能源，并估计太阳可以发光发热多久，由此错误地得出地球年龄只有数亿年的结论。认识宇宙的历程34华莱士－宇宙中的生命阿尔弗雷德·罗素·华莱士（AlfredRusselWallace，1823－1913），英国博物学家、探险家、地理学家、人类学家与生物学家。华莱士因同时独立的和达尔文创立“自然选择”而进化的理论而著名。1903年，在《人类在宇宙的位置》一书中，他广泛研究了地球成为宜居之地的原因以及从宇宙中的状态可以得出的哲学结论。他详细研究了开尔文的宇宙模型，得出宇宙中一些地方比其他地方更有利于生命的出现。他发现，物质流入中心，并将引力势能转化为恒星热能的过程是不连贯的，先是很长一段时间的流入，加热了恒星，输出了热量，然后会冷却一段时期，也就是我们正处的时期。他的宇宙学研究方法表明，生命演化所需的条件对于所有宇宙学理论研究来说，是必须被适当对待的。认识宇宙的历程35衰变的宇宙19世纪时，一种看待宇宙的新方法开始出现。科学家开始将整个宇宙看作一台巨大的机器，并考虑宇宙的过去和未来，热力学定律能告诉我们什么。1850年，克劳修斯证明，一个孤立系统的无序的能量（即“熵”）不会减小，即热力学第二定律，又称“熵增定律”。如果这个无序度增长的“第二定律”适用于整个宇宙会怎么样呢？这意味着“世界的熵趋向于一个极大值”。这就排除了循环宇宙论。这个问题引发了“宇宙热寂说”，从有序向无序的过程是不可逆的，这意味着世间万物都将淹没在热辐射的海洋中。那时，不再有恒星和行星，所有的地方、所有的东西的温度和能量都一样。在这个均匀的温度中，不再有任何改变和发展，“生命”的现象也灭绝。追溯过去，宇宙具有一个最大有序度的开端？－即现有的宇宙年龄不可能无穷大，宇宙必然有开端。认识宇宙的历程36史瓦西－非欧几何宇宙卡尔·史瓦西（KarlSchwarzschild，1873—1916）德国天文学家、物理学家。1900年，从弯曲几何的理论中，他提出了一个宇宙的新图景。1900年7月，在海德堡召开的德国天文学会的会议上，他提出，宇宙的几何性质并不像欧几里得几何那样平坦的，而可能是弯曲的非欧几何。他意识到，如果宇宙有负的曲率，那么恒星的视差角就会有一个极小值，从而可推导出宇宙的曲率半径必然大于60光年。如果宇宙有正曲率，意味着宇宙是有限而无界的。史瓦西的想法在当时并没有引起注意。注：视差角就是从两个不同的地点看同一个物体，视线的夹角。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；1920年代以前：沙普利：大银河系，太阳不在银河系中心；沙普利-柯蒂斯大争论：星云是河外的还是河内天体。1922：哈勃：测定M31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。37认识宇宙的历程（1.4）现代宇宙学

根据理论模型可以计算，可以预言，可与观测比较的科学。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年弗里德曼：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年彭齐亚斯和威尔逊：发现宇宙微波背景辐射；1981年古斯：提出宇宙暴涨理论；1998年：遥远的超新星观测发现宇宙加速膨胀

（2011年诺贝尔物理学奖）。38认识宇宙的历程爱因斯坦－静而实的宇宙1915年11月，爱因斯坦建立了广义相对论。1917年2月，他发表了把新理论用于整个宇宙的成果，建立了现代宇宙学的第一个宇宙模型。引力场方程组的每一个解都表示一个可能的宇宙。根据引力场方程，他得不到任何静止的宇宙模型，要么膨胀，要么收缩。但对于1917年的爱因斯坦来说，空间可以弯曲，但空间作为恒星运动的场所必须是静止的、固定的。要得到静止宇宙的唯一方法，往他的方程组引入一个可能存在的项。这样宇宙既不会膨胀，也不会收缩，这就是爱因斯坦的静态宇宙。爱因斯坦的宇宙是一个有限无界的、自无穷过去到无穷将来都存在的弯曲空间。这是他的非凡方程组的第一个产物，但方程组给出的信息却是：宇宙并不想静止。认识宇宙的历程39德希特－动而空的宇宙紧随其后研究爱因斯坦方程组的是著名荷兰天文学家威廉·德希特（1872－1934）。他保留了爱因斯坦的排斥力，但又设定宇宙的物质密度为零。当然，真实宇宙不是空的。德希特假设物质密度非常低，因此产生的引力与排斥力相比完全可以忽略。德希特宇宙的空间是欧几里得的，因而是无限的。宇宙空间在场方程中排斥力的作用下加速膨胀。德希特的宇宙对我们现在的宇宙学研究非常重要。它有一些特点：宇宙体积越来越大，没有开始，也没有结束；逆时间回溯，体积越来越小，但不会为零，也不会有大小为零而物质密度为无穷大的明显开端；膨胀速率恒定。认识宇宙的历程40弗里德曼－动而实的宇宙亚历山大·弗里德曼（1888－1925），俄国-苏联数学家、气象学家、宇宙学家。俄国另一位著名宇宙学家乔治·伽莫夫是弗里德曼的学生。1920年开始，他详细地学习了爱因斯坦的广义相对论，并着手寻找比爱因斯坦和德希特更一般的解，同时保留他们关于宇宙各处各方向都一样的假设。用数学方式提出宇宙模型的第一人，1922年发现了广义相对论引力场方程的一个重要的解，即弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。1924年他在发表的论文阐述了膨胀宇宙的思想，即曲率分别为正、负、零时的三种情况，称为弗里德曼宇宙模型。“他的任务是暗示爱因斯坦方程组可能存在这样的解，并且物理学家们可像他们所期待的研究这些解。”认识宇宙的历程41首先，他发现了一种有限的“闭合”宇宙。正曲率空间，从有限的过去开始膨胀，到一个极大值后又开始收缩，直到有限未来的众多－－这种宇宙会周期性地膨胀和收缩，在一个无穷的序列中振荡。场方程组的另一类解，有着“开放”的空间，负曲率，宇宙体积无限膨胀。弗里德曼第一个发现爱因斯坦方程组允许膨胀或收缩的宇宙包含普通物质（如行星和恒星）。他未受天文学观测启发产生这个想法，也未拘泥于宇宙的开始或结束所包含的物理学意义。他描述了一种从虚无中产生（又从虚无中消失）的宇宙。但在当时，他的重大发现并没有被人注意（爱因斯坦认为他的论文有一些关键性计算错误）。认识宇宙的历程42勒梅特的宇宙勒梅特（Lemaitre,Georges，1894－1966)）比利时天文学家和宇宙学家。1923-1924年间在剑桥大学师从爱丁顿（当时世界上最有造诣的天体物理学家），后到美国麻省理工学院学习，在那里他了解了美国天文学家E.P.哈勃的发现和H.沙普利有关宇宙膨胀的研究。他提出现代大爆炸理论。1927年，发表一篇重要论文，第一次把爱因斯坦方程组的膨胀宇宙解及其物理学解释，同遥远星光由于多普勒效应而产生红移的计算结合起来。他认为宇宙没有中心也没有边界，可以有限也可以无限。他证明，爱因斯坦的宇宙不稳定。如果宇宙开始于一个静止的状态，那么其中的任何扰动或运动就会使得宇宙进入膨胀或收缩的状态。认识宇宙的历程431927年论文中的宇宙模型：1.宇宙有个有限的过去，并且从一个炙热的开端开始膨胀，先是减速膨胀，待宇宙学常数的排斥力占据主导，超过引力之后，逐渐变成加速膨胀，最后一直加速膨胀下去，走向德希特的指数膨胀宇宙。2.宇宙有正的空间曲率、正的宇宙学常数。勒梅特的宇宙是关于现实宇宙的最精确的描述。认识宇宙的历程44减速膨胀加速膨胀认识宇宙的历程45各种可能的宇宙模型按照宇宙模型的曲率和宇宙学常数得出的分类勒梅特的精辟分析让宇宙学家们得以直接研究各向同性、均匀膨胀宇宙的集锦。只有两个变量：空间曲率（正、负或零），宇宙学常数（排斥、吸引或零）。托尔曼－振荡宇宙理查德·托尔曼（1881-1948），加州理工学院物理化学和数学物理专业的教授，对热力学有独特的兴趣。弗里德曼的开创性研究第一次提出了体积膨胀到最大后又收缩到零的宇宙。这暗示一种可能性：存在一系列这样首尾相接的循环。从宇宙学的角度讲，一个闭合的宇宙，从过去到未来永远在振荡。那问题是，所有的循环都一样吗？1932年，托尔曼开始考虑这个问题。他想，如果在爱因斯坦方程组的无限循环振荡宇宙解中，应用热力学第二定律会怎么样？托尔曼证明振荡宇宙的每个周期不可能和前一个周期完全相同。恒星和其他发光体发出辐射，每个周期空间中光子的数量都在增加，即熵较前一个周期会增加。因此，宇宙在每个周期里都会比前一个膨胀得更大一些，且寿命在增加。认识宇宙的历程46回溯这种宇宙，在很久以前，这种宇宙必然非常小，以至于量子效应主导引力行为，场方程失效。每次宇宙收缩到零的时候，场方程也不成立。然而，如果有新的量子引力机制使得宇宙在很小但不为零的尺寸下发生反弹，不断增长的循环振荡宇宙是有可能的。1995年，东布罗夫斯基和约翰·D巴罗发现，如果场方程存在排斥性的宇宙学常数，无论数值多小，最终会导致振荡结束，宇宙膨胀开始加速。认识宇宙的历程47托尔曼的振荡宇宙狄拉克的宇宙－引力变化保罗·狄拉克（PaulDirac，1902－1984），被称为20世纪英国最伟大的物理学家，量子力学的创始者之一，因狄拉克方程获1933年诺贝尔奖，该方程从理论上预言正电子的存在。他认为，如果在物理学中碰到巨大的无量纲量，它们不太可能是相互独立、无关的，很有可能存在一个未被揭示的自然数学法则，会将这些量联系在一起－－狄拉克的大数假设。1938年，他写了一篇关于宇宙学的论文。他发现的大数共有三组，其中包括宇宙年龄、光速、电子质量、质子质量以及牛顿引力常数。从这些量中他构造了下面三个数：N1=可观测宇宙的尺寸和电子半径的比值=ct/(e2/mec2)≈1040N2=电子和质子之间电磁力和引力的比值=e2/Gmemp≈1040N

=可观测宇宙中质子的总数=c3t/Gmp≈1080根据假设，N1、N2和N0.5在非常精确的近似下可能相等。认识宇宙的历程48狄拉克的大数假设的含义是，一系列自然界的经典常数必然随宇宙年龄t的增加而变化，他要求N1≈N2

≈N0.5

≈t所以，这三个经典自然常数的组合并不是常数。于是狄拉克抛弃了牛顿宇宙学常数G的不变性。他提出，在宇宙的时间尺度上，G与宇宙年龄成反比：G∝1/t狄拉克的结论有三个关键要素：首先，他试图证明，以前人们认为是巧合的事情实际上是一些被忽略的深刻联系的结果；其次，他断定，空间曲率和宇宙学常数必然为零，否则这些数值会不断变大；最后，他牺牲了G的不变性，他假设以前的引力更强。但他的这些假设存活时间并不长。因为引力变化会导致太阳以前辐射更强，那从前的地球会比通常认为的更热，导致生命无法演化至今。但狄拉克的想法还是启发我们，探索宇宙学模型的新可能。认识宇宙的历程49栗弗席兹－被扰动的宇宙伊夫金·栗弗席兹（1915－1985），朗道最著名的学生，前苏联著名理论物理学家，苏联科学院院土。栗弗席兹一生主要研究固体物理、引力理论和宇宙学，取得了一系列极其重要的研究成果。与朗道合著《理论物理学教程》。当时的科学家们开始对各向异性、非均匀的宇宙产生兴趣。研究这种宇宙模型明显更有现实意义，因为真实的宇宙并不是完全光滑、各向同性的。栗弗席兹的着眼点在数学方面，而非天文学。他用一种物理学中很普通的方法来研究这个问题：先求得一个简单的精确解，然后对它进行小幅度的扰动，看看结果会如何变化。1946年，他的一篇论文发表在苏联的学术期刊上，文中研究了弗里德曼的各向同性、均匀宇宙在微扰下的演化行为。但他只是把它当作纯数学问题来研究，而没有同“宇宙中为什么会存在星系这样的不均匀结构”的问题联系起来。认识宇宙的历程50他证明，这种宇宙可以存在三种不规则性：1.简单地让物质密度的大小随地点变化；2.让物质缓慢地转动；3.向光滑的空间中引入微小的引力波涟漪。如果这三种不规则性的幅度很小，它们之间就不会相互影响；但如果幅度很大，情况就相反了。栗弗席兹证明，密度分布的微小差异会随时间的推移而变得越来越明显（这种过程称为“引力不稳定性”）。如果宇宙开始时接近各向同性、均匀的状态，那么随着宇宙的膨胀，密度的不均匀就会越来越明显。这是第一次有人通过计算得出，各向同性、均匀的宇宙其实很特殊。经过一百多亿年的膨胀，宇宙中的不均匀性并不明显，说明约140亿年前，宇宙初始的不均匀性非常小。栗弗席兹的研究是宇宙学研究的一个里程碑。如今，我们在观测宇宙的微波背景辐射和星系群的结构时，就会看到这三种微扰留下的各种影响。认识宇宙的历程51薛定谔的宇宙－量子效应埃尔温·薛定谔（1887－1961），奥地利物理学家。1926年发现的薛定谔方程，是数学物理领域中最重要的方程，为量子力学奠定了坚实的基础。因而与狄拉克共获1933年诺贝尔物理学奖。薛定谔对广义相对论预言的宇宙膨胀产生了浓厚的兴趣。他在宇宙学研究中的首次试水，就是想知道量子力学能在宇宙学中预言什么。1939年，他决定先研究膨胀宇宙中的波动行为。结果不但深入了解了通常的声波和光波在膨胀宇宙中的行为，更阐述了量子的波动的传播机制。他发现，宇宙膨胀的过程会把其中的量子真空的能量转化为真实存在的、可测量的粒子。可惜，薛定谔的重要发现当时无人喝彩。1939年的宇宙学家们还没有做好迎接量子力学的准备。认识宇宙的历程52他研究发现：如果宇宙不膨胀，真空中会有成对的粒子和反粒子不断产生，然后有湮灭成辐射。在这个过程中能量是守恒的，而这个沸腾的景象描述的就是量子真空。然而，如果真空所在的空间膨胀得非常快，或是处在一个极度不均匀的引力场的作用下，那么真空中的粒子和反粒子就会被不同的作用力拉开，无法在湮灭成辐射。因此，真实的、探测得到的粒子和反粒子就出现了。当时，薛定谔并不觉得这个过程对膨胀的宇宙有多重要。因为在今天的宇宙中这种效应太微弱，不影响宇宙的演化行为。然而，在宇宙膨胀的最初阶段，膨胀速率高得惊人，辐射的能量密度比今天高出近10128倍，粒子对产生的过程不能忽略。宇宙现在的某些特点可能就是这个过程所导致的。认识宇宙的历程53霍伊尔－稳恒态宇宙弗雷德·霍伊尔（FredHoyle‎，1915—2001），英国著名天文学家。1948年，霍伊尔同汤米·戈尔德和赫尔曼·邦迪一起创立了稳恒态宇宙模型。1960年代，越来越多的证据令大爆炸宇宙模型为人们广泛接受，然而霍伊尔一直坚持自己的稳恒态宇宙模型。英文“大爆炸”一词最初就是1949年霍伊尔在BBC的一次广播节目中首先使用的，本意是嘲笑大爆炸模型。在他看来，大爆炸模型最初的“奇点”难以令人接受。霍伊尔主要是出于哲学方面的考虑反对大爆炸宇宙模型。他认为，假如宇宙有生有灭，物理学规律就会失去普遍性。从某种意义上说，科学本身的基础就不复存在。排除这种荒谬性的唯一方案，就是时空必定是一直存在着。这样他们三人就提出了著名的稳恒态理论－宇宙从古至今、从头到尾都是一样的，称为完全宇宙学原理。认识宇宙的历程54该理论假设宇宙在时间和空间上是无限的，并且通过一种尚不可知的机制不断产生新物质：星系在相互远离，但中间因为不断有新物质产生，形成新的恒星和星系。这样使宇宙在整体上仍保持着均衡和稳定，这就好比一条河，河里的每个水分子都在运动，但河流作为整体却万古不变。有人指责该模型中物质从无中创生，违反了能量守恒。但霍伊尔同样有理由指责大爆炸理论引入密度无限大奇点违反了物理学规律，所以他的模型与大爆炸理论不分伯仲。然而，20世纪60年代初，微波背景辐射的发现给大爆炸理论提供了有力的支持，从此稳恒态理论的风光不再。霍伊尔自己也一度放弃了这个理论。20世纪80年代，宇宙学家们为了解释星系形成和其它—些难题而引入暴涨、暗物质等玄乎的概念时，他的疑虑又出现了。于是，在做了一些改进后，他再次提出了稳恒态理论，认为在宇宙的演化过程中，不是只存在着一次大爆炸，而是有许多小爆炸诞生。认识宇宙的历程552、静态宇宙和奥勃斯佯谬（2.1）静态宇宙：爱因斯坦时代以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: (a)宇宙在空间和质量上无限大

(b)宇宙在膨胀

(c)宇宙有起点和终点(b),(c)违反基本观点,即宇宙是永恒和稳定的.

宇宙是无限大的56认识宇宙的历程（2.2）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57认识宇宙的历程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)58认识宇宙的历程3、宇宙的距离尺度河内天体的距离测定河外天体的距离测定认识宇宙的历程59天体测距方法60天体的距离单位

1天文单位(AU)=太阳到地球的平均距离

1.5108公里（1.5亿公里）

1光年(ly)

0.951013公里光在1年里走过的路程

1秒差距(pc)

3

1013公里

1秒差距3.26光年~20万天文单位

1千秒差距

=103

秒差距(星系尺度) 1兆秒差距

=106秒差距(宇宙尺度)认识宇宙的历程三角视差法光谱分析法造父变星100PC以内100PC~1000万光年1000万光年以上的恒星和近星系哈勃定律遥远星系距离的测量61认识宇宙的历程河内天体的距离测定用三角视差法测定恒星的距离视差：被观测天体对两个观测位置间距离的张角。ERDM

062认识宇宙的历程三角视差法分光视差认识宇宙的历程63对于距离超过110pc的恒星，三角视差已无法测定。分光视差方法的核心是根据恒星的谱线强度去确定恒星的光度，因而也称为光度视差。知道了恒星的光度，即绝对星等M，由观测得到视星等m，便由距离模数μ得出距离r距离模数（Distancemodulus）是经常用于天文学上表示距离的一种方法。星体的视星等，绝对星等，而以秒差距(Parsec,缩写为pc)为单位的星体距离是，三者间的关系称为距离模数。造父视差