第六講宇宙學(xué)

第六講宇宙學(xué)第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日概要古代宇宙觀現(xiàn)代宇宙學(xué)：觀測(cè)基礎(chǔ)及理論宇宙的年齡及未來宇宙中的成分第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日古代宇宙觀第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。”

——《文子·自然》“上下四方曰宇，往古來今曰宙?！?/p>

——《尸子》“旁日月，挾宇宙，為其吻合?！?/p>

——《莊子·齊物論》“宇宙是由空間、時(shí)間、物質(zhì)和能量所構(gòu)成的統(tǒng)一體?！?/p>

——維基百科第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日古人的觀點(diǎn)蓋天說：天似穹廬，籠蓋四野渾天說：“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內(nèi)，天大而地小。天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃。……”（漢，張衡）宣夜說：“夫天，元?dú)庖?，皓然而已，無他物焉?！薄胺虻赜行味鞜o全。譬如灰煙，煙在上，灰在下也。”（三國，楊泉）第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日地心說：托勒玫日心說：哥白尼（波蘭，1514）布魯諾提出“恒星都是遙遠(yuǎn)的太陽”，“宇宙無限”，“太陽并非是宇宙中心”。（《論無限宇宙和世界》，1584）古人的觀點(diǎn)第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日古代宇宙觀：宇宙是永恒的、穩(wěn)定的。問題：物質(zhì)－引力－宇宙坍縮可能的解決途徑：１宇宙在空間和質(zhì)量上無限大；２宇宙在膨脹；３宇宙有起點(diǎn)和終點(diǎn)。２、３點(diǎn)違反宇宙永恒與穩(wěn)定的性質(zhì)。因此宇宙無限大。第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日現(xiàn)代宇宙學(xué)現(xiàn)代宇宙學(xué)發(fā)展的重要事件：1915年，Einstein建立廣義相對(duì)論，使得基于物理學(xué)定律討論宇宙時(shí)空成為可能。1922年，F(xiàn)riedmann得到Einstein場(chǎng)方程的宇宙膨脹（或塌縮）解。1929年，Hubble通過測(cè)量星系的紅移發(fā)現(xiàn)宇宙是膨脹的。第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日現(xiàn)代宇宙學(xué)發(fā)展的重要事件（續(xù)）1946年，Gamow領(lǐng)導(dǎo)的研究小組從理論上分析了早期宇宙的熱密狀態(tài)，提出早期元素核合成理論，并預(yù)言宇宙中充滿了具有黑體譜的微波背景輻射。1965年，Penzias和Wilson發(fā)現(xiàn)微波背景輻射，證實(shí)了Gamow等人的預(yù)言，使越來越多的學(xué)者相信宇宙開始于熱密狀態(tài)，并從此開始膨脹。1998年，Ia型超新星爆發(fā)的觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日現(xiàn)代宇宙學(xué)的三大基石哈勃膨脹微波背景輻射輕元素的合成及其理論第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日哈勃膨脹1929年，哈勃觀測(cè)了24個(gè)鄰近的星系，將其光譜與實(shí)驗(yàn)室的光譜對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所有的譜線都有紅移。如果是多普勒效應(yīng)，則星系遠(yuǎn)離我們，并且可以算出星系的運(yùn)動(dòng)速度。哈勃發(fā)現(xiàn)——哈勃定律其中，是星系的距離，是哈勃常數(shù)。哈勃的發(fā)現(xiàn)結(jié)束了傳統(tǒng)的靜止宇宙觀，將一個(gè)膨脹的宇宙展現(xiàn)在人們面前。第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日

哈勃定律揭示的宇宙膨脹是一種全空間的均勻膨脹，在任何一點(diǎn)的觀測(cè)者都會(huì)看到完全一樣的膨脹。第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日退行：星系間彼此遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)。從任何一個(gè)星系出發(fā)，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠(yuǎn)的星系間彼此散開的速度越大。第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日微波背景輻射Gamow是現(xiàn)代熱大爆炸宇宙學(xué)的奠基人。他從理論上提出：宇宙起源于一次大爆炸。通過計(jì)算原初大爆炸的那個(gè)“火球”由于膨脹冷卻而在今天宇宙中遺留下的背景光子溫度，他預(yù)言宇宙中有大爆炸殘存的微波背景輻射。1964年，Penzias和Wilson發(fā)現(xiàn)微波背景輻射，證實(shí)了Gamow等人的預(yù)言，他們也榮獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日人們對(duì)微波背景輻射做了仔細(xì)地和高精度的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其頻譜是高度符合普朗克的黑體輻射定律的，相應(yīng)的溫度是，并且是高度各向同性的。第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日宇宙學(xué)原理(cosmologicalprinciple)：宇宙在空間上（大尺度范圍）是均勻和各向同性的。即宇宙空間任何一點(diǎn)沒有特殊性。觀測(cè)證據(jù)：宇宙物質(zhì)在大尺度上（大于100Mpc）趨于均勻；宇宙微波背景輻射偏離均勻的程度僅為10-3。微波背景輻射的觀測(cè)也證實(shí)了宇宙學(xué)原理，即宇宙均勻各向同性的假說。但是現(xiàn)實(shí)的宇宙是有結(jié)構(gòu)的，必須給出解釋。主流的基本思想是引力不穩(wěn)定性。第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日輕元素的合成及其理論宇宙中的重元素含量很少，主要是在恒星演化過程中產(chǎn)生。占宇宙主要成分的輕元素（以H、He為主）卻很難用恒星核合成過程來理解。不論什么天體，包括太陽，He元素的豐度都在24%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)所能提供的氦豐度。該豐度值應(yīng)與宇宙創(chuàng)生時(shí)的狀態(tài)有關(guān)。1964年，Hoyle和Tayler根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的核合成理論，計(jì)算得到氦豐度為23-25%。隨后，對(duì)其他輕元素計(jì)算的豐度也與實(shí)際測(cè)量吻合。第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日現(xiàn)代宇宙學(xué)理論第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日宇宙大爆炸模型第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日（1）爆炸后

“大統(tǒng)一”時(shí)代，所有的物質(zhì)和能量本質(zhì)上是可交換的和守恒的。（2）爆炸后30萬年核的物質(zhì)和輻射物質(zhì)組成的不透明的湯開始逐漸變得透明，光從物質(zhì)中分離。（3）宇宙不斷膨脹，恒星、星系、星系團(tuán)逐漸形成階段宇宙演化第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日宇宙大爆炸模型的主要證據(jù)星系紅移：宇宙正在膨脹。微波背景輻射：模型認(rèn)為大爆炸30萬年后，宇宙溫度降低到4000K，開始以宇宙微波背景的形式向宇宙滲透。到現(xiàn)在冷卻到了2.73K，與觀測(cè)吻合。輕元素的豐度：模型認(rèn)為，在爆炸早期，溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高。可以說明觀測(cè)結(jié)果。第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日宇宙的年齡及未來第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日宇宙的未來第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日宇宙中的成