中科大宇宙學專題講座：人類對宇宙的認識

人類對宇宙的認識浙江省教育廳教研室一、歷史回顧宇宙是什么？宇宙有多大？宇宙從哪里來？……四方上下曰宇，古往來今曰宙

——宇宙就是空間與時間易： 無極生太極，太極生兩儀 兩儀生四象，四象生八卦，以至無窮柏拉圖主義:用勻速圓周運動來描述

天體的運動亞里斯多德對地球處于宇宙中心的論證托勒密體系

(地心說)《天體運動論》（1543年）影響有限少數數學家接受了哥白尼的學說.一些著名學者如弗朗西斯·培根等明確表示反對地動說。1616年教廷裁定：哥白尼學說是“錯謬的和完全違背圣經的”。影響如何?有證據嗎?恒星周年視差（1838年貝塞爾,1822年教庭裁定太陽是行星系的中心)地球自轉，拋體落點偏西（17世紀，伽利略）遲到的證據!伽利略的貢獻兩架伽利略望遠鏡，現藏佛羅倫薩博物館?！蛾P于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》大自然和它的規(guī)律，隱匿在黑暗中。上帝說，“讓牛頓去吧！”一切便都分明。

——普柏牛頓的無限宇宙在1687年,《自然哲學的數學原理》“天—地”的統(tǒng)一絕對的時間和空間牛頓的無限宇宙模型：宇宙是無限無邊的。宇宙空間均勻分布著無限多的天體，相互之間與萬有引力聯系

牛頓宇宙穩(wěn)定嗎？宇宙無限嗎？有限宇宙無限宇宙萬有引力與無限宇宙的矛盾引力佯謬（西里格，1895年指出引力無限大問題）

光度佯謬（奧伯斯，1826年指出的夜黑問題）

狹義相對論如果我不發(fā)現，

5年之內就會有人發(fā)現。廣義相對論如果我不發(fā)現，

50年之內也不會有人發(fā)現！二、現代宇宙學的發(fā)展愛因斯坦：

1915年，廣義相對論物質世界的四種力強度作用距離引力10-39長電磁力10-2長強相互作用1短弱相互作用10-14短愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型愛因斯坦(1917年)：有限，無邊的靜態(tài)宇宙模型均勻的宇宙太陽系直徑：1光年銀河系直徑：10萬光年星系團直徑：107光年超星系團直徑：108光年宇宙學原理：在宇觀（108光年以上）尺度上三維空間在任何時刻都是均勻各向同性的有限無邊的二維空間有限（球面面積4πR2）無邊（球面）三維超球面：有限無邊球體：有限（4/3πR3），有邊（二維球面）

1922年，前蘇聯科學家弗里德曼應用不加宇宙項的場方程，得到了一個動態(tài)宇宙模型：宇宙可能是膨脹的，也可能是收縮的，或者是脈動的。假設：（1）宇宙是各向同性的，（2）宇宙是均勻的。動態(tài)宇宙模型1927年，比利時勒梅特得到類似的膨脹宇宙模型。靜態(tài)宇宙動態(tài)宇宙20世紀20年代發(fā)現：多數星系發(fā)出的光譜發(fā)生紅移。說明：多數星系在向我們遠離的方向上退行。星系推行紅移示意圖天文學家觀測到所有遙遠星系正在遠離銀河系哈勃定律哈勃定律（1929年）：河外星系的紅移大小正比于它們離開銀河系中心的距離。（河外星系的退行速度（V）與它們離我們的距離成正比）即：

V=HRH：哈勃常數71公里/（秒·百萬秒差距）

宇宙學中最重要的實驗定律宇宙大爆炸理論1948年伽莫夫等人，結合當時核物理的知識，提出了宇宙大爆炸理論，認為今天看到的宇宙膨脹逆著時間追溯回去，則宇宙起源于高溫高密的“原始火球”的大爆炸。在爆炸開始幾分鐘里元素從輻射和核粒子的原初混合物中形成。大爆炸理論的依據（1）宇宙的年齡

(2)星系紅移（3）宇宙微波背景輻射（首要證據）（4）宇宙元素的豐度1950年，伽莫夫研究了宇宙的早期（最初十萬年）。提出了一切星系形成前的宇宙是均勻的高溫高密氣體的觀念，今天宇宙是演化產生的。反對者譏諷地稱它為大爆炸理論，并斥之為偽科學。一個新科學理論要被人們普遍接受，必須提出關鍵性的預言，等待將來的觀測來證實或證偽．大爆炸理論關鍵預言就是：

宇宙背景輻射遺留的光子沒有熱碰撞，但它依然隨宇宙膨脹而降溫。伽莫夫估出它今天溫度應低于10K.

其主要輻射在射電和微波波段。大爆炸后約38萬年，宇宙溫度降到約4000K，質子能俘獲電子而形成中性的氫原子，從大爆炸中產生的光子開始自由運動而充滿宇宙空間背景輻射是早期宇宙留下的遺跡，問題在于它是否確實存在。65年，

Bell電話公司彭齊亞斯、威爾遜意外地在4070MHz上發(fā)現了一種背景信號，溫度為3K.意外---偶然----必然多余的天線溫度迪克、皮布爾斯等:《宇宙黑體輻射》彭齊亞斯、威爾遜：《在4080Mc/s額外天線溫度的測量》78年，彭齊亞斯、威爾遜被授予Noble物理獎。COBE一錘定音疑問：所測到的背景輻射和大爆炸理論預言的背景輻射是一回事？大爆炸理論預言的宇宙背景輻射應高度與普朗克黑體輻射公式一致。COBE是多目標的背景輻射觀測衛(wèi)星。其目標之一是全波段地測量微波背景輻射的頻譜。它在30幾個波長上同時測量輻射強度，

每個波長上設置了4個接收器。它上天不久，地面立刻得到了測量結果：實際存在的背景輻射譜與

T=2.735K的普朗克熱輻射譜高度相符。

這使HBB的可靠性得到了鐵證?。?）宇宙元素的豐度理論：大爆炸后3分鐘（109k），

質子+中子→氘+光子，

氘+氘→氦+光子理論計算：質子和中子總數的3/4合成為氫，1/4合成為氦觀測值：氦豐度大約20~30%

三、宇宙有限還是無限地心說、日心說：宇宙有限（教會也支持）牛頓：宇宙無限宇宙是無邊的：宇宙學原理（三維空間均勻各向同性）（1）三維空間曲率為正，宇宙將是有限無邊（2）三維空間曲率為零，宇宙將是無限無邊（3）三維空間曲率為負，宇宙將是無限無邊觀測決定：臨界密度ρc（約3個核子/cm3）物質密度三維空間曲率宇宙類型膨脹特點ρ>ρc正有限無邊脈動ρ=ρc零無限無邊永遠膨脹ρ<ρc負無限無邊永遠膨脹觀測決定：減速因子(河外星系紅移,反映的是減速膨脹)物質密度三維空間曲率宇宙類型膨脹特點q>1/2正有限無邊脈動q=1/2零無限無邊永遠膨脹q<1/2負無限無邊永遠膨脹觀測結果：ρ<ρc,無限無邊,q>1/2,有限無邊。觀測結果：ρ<ρc,無限無邊,q>1/2,有限無邊有限?無限觀點1：減速因子觀測更可靠，宇宙中有暗物質觀點2：可能宇宙空間就是零觀點3：……今天，我們知道的是：只能肯定宇宙無邊，而且宇宙正在膨脹，