第二講宇宙學(xué)論

第二講宇宙學(xué)論第1頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2主要內(nèi)容：一、中外古代宇宙觀(guān)二、現(xiàn)代宇宙觀(guān)的發(fā)展三、兩種宇宙時(shí)空觀(guān)的建立 (牛頓、愛(ài)因斯坦)四、宇宙的起源五、宇宙的演化六、宇宙的可能結(jié)局第2頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3太陽(yáng)并不位于宇宙中心

銀河系不是宇宙的全部?jī)?nèi)容？

從整體角度探討宇宙結(jié)構(gòu)和演化的天文學(xué)分支學(xué)科宇宙學(xué)是研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和演化的學(xué)科。宇宙中除了空間、時(shí)間、物質(zhì)以外，再?zèng)]有任何其他的東西了，所以宇宙論也就是研究空間、時(shí)間、物質(zhì)相互關(guān)系的一門(mén)科學(xué)。第3頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4一、中外古代的宇宙觀(guān)第4頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5中國(guó)古代的宇宙觀(guān)中國(guó)古代三種有代表性的宇宙觀(guān)

蓋天說(shuō)（周初）：地是平坦的，天如傘一樣覆蓋大地。

渾天說(shuō)（戰(zhàn)國(guó)）：天地有蛋形結(jié)構(gòu)，地在中心，天在地周?chē)?/p>

宣夜說(shuō)（戰(zhàn)國(guó)）：天無(wú)限而空虛，星辰懸浮空虛之中。第5頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6蓋天說(shuō)蓋天說(shuō)最早起源于西周。是中國(guó)最古老的討論天地結(jié)構(gòu)的體系。蓋天說(shuō)認(rèn)為，天是圓形的，像一把張開(kāi)的大傘覆蓋在地上；地是方形的，像一個(gè)棋盤(pán)，日月星辰則像爬蟲(chóng)一樣過(guò)往天空，因此這一學(xué)說(shuō)又被稱(chēng)為“天圓地方說(shuō)”。蓋天說(shuō)認(rèn)為﹐日月星辰的出沒(méi)﹐并非真的出沒(méi)﹐而只是離遠(yuǎn)了就看不見(jiàn)﹐離得近了﹐就看見(jiàn)它們照耀。比如，太陽(yáng)只能照射16.7萬(wàn)里，超過(guò)這個(gè)距離就什么也看不見(jiàn)了。因此白天就是太陽(yáng)走到距離我們16.7萬(wàn)里以?xún)?nèi)的范圍，而晚上則在該范圍之外。第6頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7蓋天說(shuō)蓋天說(shuō)宇宙結(jié)構(gòu)理論力圖說(shuō)明太陽(yáng)運(yùn)行的軌道﹐設(shè)計(jì)了一個(gè)七衡六間圖。太陽(yáng)在天蓋上的周日運(yùn)動(dòng)一年中有七條道路，稱(chēng)為“七衡”。最內(nèi)一道叫"內(nèi)衡"，夏至日太陽(yáng)就沿內(nèi)衡走一圈；最外一圈叫“外衡”，是冬至日太陽(yáng)的路徑；其它節(jié)氣里，太陽(yáng)沿中間的五道運(yùn)行?！吧w天說(shuō)”無(wú)疑是古代人們從直觀(guān)出發(fā)，再加以想象而提出來(lái)的。問(wèn)題：天地是如何連接起來(lái)？第7頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一8渾天說(shuō)“渾天說(shuō)”出現(xiàn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，它認(rèn)為，渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子黃，孤居于內(nèi)，天大而地小。地球不是孤零零地懸在空中的﹐而是浮在水上﹔后來(lái)又有人認(rèn)為地球浮在氣中。渾天說(shuō)認(rèn)為全天恒星都布于一個(gè)“天球”上﹐而日月五星則附麗于“天球”上運(yùn)行。因而渾天說(shuō)采用球面坐標(biāo)系﹐如赤道坐標(biāo)系﹐來(lái)量度天體的位置﹐計(jì)量天體的運(yùn)動(dòng)。渾天說(shuō)不只是一種宇宙學(xué)說(shuō)﹐而且是一種觀(guān)測(cè)和測(cè)量天體視運(yùn)動(dòng)的計(jì)算體系，類(lèi)似現(xiàn)代的球面天文學(xué)?！皽喬煺f(shuō)”認(rèn)為大地是球形的，天也是球形的，這顯然要比“蓋天說(shuō)”進(jìn)步。它實(shí)際上是中國(guó)歷史上的“地球中心說(shuō)”。第8頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一9宣夜說(shuō)在東漢時(shí)還有一種解釋宇宙本質(zhì)的“宣夜說(shuō)”。宣夜說(shuō)它主張無(wú)限宇宙論。不僅認(rèn)為宇宙在空間上是無(wú)邊無(wú)際的，而且還進(jìn)一步提出宇宙在時(shí)間上也是無(wú)始無(wú)終的、無(wú)限的思想。宣夜說(shuō)創(chuàng)造了天體漂浮于氣體中的理論，并且在它的進(jìn)一步發(fā)展中認(rèn)為連天體自身、包括遙遠(yuǎn)的恒星和銀河都是由氣體組成。星辰日月的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由它們各自的特性所決定的，決沒(méi)有堅(jiān)硬的天球來(lái)束縛它們。宣夜說(shuō)打破了固體天球的觀(guān)念，這在古代眾多的宇宙學(xué)說(shuō)中是非常難得的。第9頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一10國(guó)外古代的宇宙觀(guān)的發(fā)展在外國(guó)，對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)也有各種各樣的說(shuō)法和理論。古代巴比倫人認(rèn)為，大地猶如拱起的烏龜，天空乃是半球形的穹廬。古埃及人的宇宙觀(guān)：星星分布在女神身上，而女神卻是伏在地上第10頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一11古代印度人認(rèn)為，大地馱在象背上，大象站在龜身上，海龜浮在海洋上。古希臘對(duì)于宇宙結(jié)構(gòu)有不同的學(xué)說(shuō)，有人認(rèn)為地球是一個(gè)浮在水面的扁盤(pán)；有人認(rèn)為地球是一個(gè)球，居于世界的中央，這大概是“地球中心說(shuō)”的雛形；也有人認(rèn)為，地球繞軸旋轉(zhuǎn)分晝夜，繞日旋轉(zhuǎn)成周歲，這大概可算是“太陽(yáng)中心說(shuō)”的前驅(qū)了。第11頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一12地心說(shuō)的起源很早，最初是由古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出的。認(rèn)為：宇宙是圓形的，地球是宇宙的中心，地球外面是水，空氣和火，再外面載著月球其它行星和太陽(yáng)，恒星的水晶球。問(wèn)題：無(wú)法解釋觀(guān)測(cè)到的行星逆行現(xiàn)象?！暗厍蛑行恼f(shuō)”公元140年前后，天文學(xué)家克羅狄斯·托勒密繼承和發(fā)展了亞里士多德的地心說(shuō)，建立了宇宙地心說(shuō)。第12頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一13托勒密的地心說(shuō)的主要觀(guān)點(diǎn)是：第一，地球位于宇宙中心靜止不動(dòng)。第二，每顆行星都在一個(gè)稱(chēng)為“本輪”的小圓形軌道上勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。而本輪中心在稱(chēng)為“均輪”的大圓軌道上繞地球勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但地球不在均輪圓心，它與圓心有一定的距離。第三，水星和金星的本輪中心位于地球與太陽(yáng)的聯(lián)線(xiàn)上，本輪中心在均輪上一年轉(zhuǎn)一周，火星、木星、土星到它們各自的本輪中心的直線(xiàn)就是一周。第四，恒星都位于被稱(chēng)為“恒星天”的固體殼層上。日、月、行星除上述運(yùn)動(dòng)外，還與“恒星天”一起，每天繞地球轉(zhuǎn)一圈。第13頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一14第14頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一15“地球中心說(shuō)”托勒密的“地球中心說(shuō)”在天文學(xué)的發(fā)展中起過(guò)一定的進(jìn)步作用，它推動(dòng)了觀(guān)測(cè)天文學(xué)的發(fā)展；但是，由于日地關(guān)系被完全顛倒了，人的認(rèn)識(shí)越向前發(fā)展，這個(gè)學(xué)說(shuō)就越露出了破綻。第15頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一16現(xiàn)代天文學(xué)的起源---日心說(shuō)在宇宙結(jié)構(gòu)問(wèn)題上帶革命性的學(xué)說(shuō)，是十六世紀(jì)波蘭天文學(xué)家哥白尼提出的“太陽(yáng)中心說(shuō)”。他認(rèn)為，太陽(yáng)是宇宙的中心，地球和水星、金星、火星、木星、土星等繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)天穹的視運(yùn)動(dòng)只不過(guò)是地球自旋的反映而已。哥白尼的宇宙體系第16頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一17它推翻了日動(dòng)地靜的說(shuō)法，在太陽(yáng)系范圍內(nèi)，符合實(shí)際情況。但是，它認(rèn)為太陽(yáng)是宇宙的中心，這顯然是不正確的。在哥白尼身后，布魯諾、伽利略等人把哥白尼的學(xué)說(shuō)朝前發(fā)展，認(rèn)為宇宙是無(wú)限的；天上無(wú)數(shù)個(gè)星星就是無(wú)數(shù)個(gè)世界，所以太陽(yáng)并不是宇宙的中心。對(duì)無(wú)限的宇宙來(lái)講，根本無(wú)所謂中心，或者說(shuō)，處處是中心。？？第17頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一18哥白尼的學(xué)說(shuō)第一次把宇宙學(xué)放在科學(xué)的基礎(chǔ)上。其后，開(kāi)普勒根據(jù)他的老師第谷的大量觀(guān)測(cè)資料，總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)的三大定律；特別是牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律和總結(jié)出動(dòng)力學(xué)三大定律后，經(jīng)典的現(xiàn)代宇宙學(xué)形成了。從二十世紀(jì)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論到二十一世紀(jì)霍金的黑洞理論學(xué)說(shuō)，現(xiàn)代天文學(xué)對(duì)宇宙的起源有了新的理解和定義。第18頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一19天地結(jié)構(gòu)，是人們認(rèn)識(shí)的宇宙哥白尼時(shí)代的宇宙，實(shí)際上是指太陽(yáng)系；隨著觀(guān)測(cè)手段的改進(jìn)，人們發(fā)現(xiàn)銀河原來(lái)是由千萬(wàn)顆恒星組成的，這些恒星和觀(guān)測(cè)可見(jiàn)的其他恒星組成了銀河系，太陽(yáng)只不過(guò)是銀河系中一顆普通的恒星，這時(shí)人們談起的宇宙無(wú)非是銀河系而已；以后觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)銀河系外還有許許多多象銀河系一樣的星系，現(xiàn)在人們認(rèn)為它們組成了總星系，它們有整體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和演化方式，總星系就是現(xiàn)在人們所認(rèn)識(shí)的宇宙。第19頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一20二、兩種不同時(shí)空觀(guān)牛頓時(shí)空觀(guān):盛放物質(zhì)的容器。愛(ài)因斯坦時(shí)空觀(guān):靜態(tài)、有限、無(wú)界的時(shí)空。第20頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一21

牛頓的力學(xué)方程中沒(méi)有宇宙中心的位置，任何時(shí)空點(diǎn)都是平等的，即相對(duì)于任何時(shí)空點(diǎn)來(lái)計(jì)算，物理規(guī)律都是一樣的。這就是牛頓時(shí)空觀(guān)中的相對(duì)性。牛頓對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)是“絕對(duì)的、純粹的、數(shù)學(xué)的時(shí)間，就其本身和本性來(lái)說(shuō)，均勻地流逝而與任何外在的情況無(wú)關(guān)。”牛頓對(duì)空間的認(rèn)識(shí)是“絕對(duì)空間，就其本性來(lái)說(shuō)，與任何外在的情況無(wú)關(guān)，始終保持著相似和不變。”牛頓的空間是一個(gè)與物質(zhì)無(wú)關(guān)的、存放物質(zhì)的容器。牛頓時(shí)空觀(guān):盛放物質(zhì)的容器。第21頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一22在牛頓之前的宇宙模型都是有限、無(wú)邊的。如果用牛頓時(shí)空觀(guān)去解釋宇宙，就會(huì)得出宇宙是無(wú)限無(wú)邊的概念，且宇宙中天體的數(shù)目也是無(wú)限的，無(wú)論我們走到哪里，周?chē)偸遣紳M(mǎn)了天體。很早就有人懷疑宇宙是無(wú)限的這個(gè)說(shuō)法，最著名的是1826年奧伯斯提出的一個(gè)論證，稱(chēng)之為奧伯斯佯謬。奧伯斯佯謬----牛頓宇宙的問(wèn)題？第22頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一23在距離地面r到r+△r的地殼中，恒星的數(shù)目為△N。地面接受到的照度所以無(wú)論何時(shí)地面接受到的累積照度都會(huì)無(wú)限亮，結(jié)論：第23頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一24

奧伯斯佯謬

基本觀(guān)點(diǎn)：空間是無(wú)限的，在這無(wú)限的空間中，充滿(mǎn)了無(wú)限多的恒星。每顆星雖然都有生有滅，但從總體看，可以認(rèn)為宇宙的密度ρ保持為常數(shù)。從統(tǒng)計(jì)觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，可以假定恒星的發(fā)光強(qiáng)度L基本不變，光的傳播規(guī)律（照度E～r-2）在宇宙中處處相同。時(shí)間是無(wú)限的，從總體來(lái)說(shuō)恒星可無(wú)限期地存在1第24頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一25r2L∞0∞0

也就是說(shuō)白天和黑夜應(yīng)該一樣亮，地球不應(yīng)該有白天黑夜之分。按照牛頓時(shí)空模型得到的結(jié)論卻如此荒謬，這表明牛頓宇宙模型中總有些東西并非客觀(guān)事實(shí)。第25頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一26第26頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一27空間和時(shí)間在狹義相對(duì)論里被想象成一個(gè)統(tǒng)一的四維連續(xù)體，即四維時(shí)空，時(shí)間和空間不僅和運(yùn)動(dòng)有關(guān)系，而且相互之間不再是獨(dú)立的。運(yùn)動(dòng)物體收縮，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢。廣義相對(duì)論中時(shí)空是彎曲的，而曲率的大小由此處引力場(chǎng)的強(qiáng)弱決定。廣義相對(duì)論的時(shí)空不是剛性和均勻的，徹底否定了牛頓的與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的絕對(duì)時(shí)空。愛(ài)因斯坦以廣義相對(duì)論時(shí)空觀(guān)為基礎(chǔ)的建立的宇宙模型，是一個(gè)靜態(tài)的、有限無(wú)邊的閉合三維超球面。愛(ài)因斯坦相對(duì)論時(shí)空觀(guān):

有限無(wú)邊的閉合三維球面第27頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一28三、宇宙的起源第28頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一29大爆炸宇宙學(xué)的發(fā)展和逐步建立過(guò)程7世紀(jì)牛頓開(kāi)創(chuàng)用力學(xué)方法研究宇宙學(xué)的途徑，建立經(jīng)典宇宙學(xué)。1917年愛(ài)因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論建立了一個(gè)“靜止、有限、無(wú)界”的宇宙模型，引進(jìn)宇宙學(xué)原理、彎曲時(shí)空等概念，從而開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的時(shí)代。1922年，前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼研究了愛(ài)因斯坦所作的計(jì)算，認(rèn)為靜態(tài)宇宙僅僅是場(chǎng)方程的一個(gè)解，應(yīng)該還有一個(gè)膨脹宇宙解。第29頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一301927年比利時(shí)主教、天文學(xué)家勒梅特提出均勻各向同性膨脹宇宙學(xué)模型。1932年勒梅特提出“原始原子”爆炸形成宇宙的概念。1948年美國(guó)天文學(xué)家伽莫夫發(fā)展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙論的基礎(chǔ)。第30頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一31宇宙的起源本世紀(jì)，有兩種宇宙起源模型比較有影響。一是穩(wěn)態(tài)理論，一是大爆炸理論。若干世紀(jì)以來(lái)，很多科學(xué)家認(rèn)為宇宙除去一些細(xì)微部分外，基本沒(méi)有什么變化。宇宙不需要一個(gè)開(kāi)端或結(jié)束。即使是在發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹之后，這種想法也沒(méi)有被放棄。

第31頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一32穩(wěn)態(tài)理論托馬斯.戈?duì)柕?ThomasGold)，赫爾曼.邦迪(HermanBondi)及弗雷德.霍伊爾(FredHoyle)于40年代后期提出，物質(zhì)正以恰當(dāng)?shù)乃俣炔粩鄤?chuàng)生著，這一創(chuàng)生速度剛好與因膨脹而使物質(zhì)變稀的效果相平衡，從而使宇宙中的物質(zhì)密度維持不變。這種狀態(tài)從無(wú)限久遠(yuǎn)的過(guò)去一直存在至今，并將永遠(yuǎn)地繼續(xù)下去。宇宙在任何時(shí)候，平均來(lái)說(shuō)始終保持相同的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)理論所要求的創(chuàng)生速率很小，每100億年中，在一立方米的體積內(nèi)，大約創(chuàng)生1個(gè)原子。穩(wěn)態(tài)理論的優(yōu)點(diǎn)之一是它的明確性。它非?？隙ǖ仡A(yù)言宇宙應(yīng)該是什么樣子的。也正因如此，它很容易遭受觀(guān)測(cè)事實(shí)的質(zhì)疑或反駁。當(dāng)宇宙背景輻射被發(fā)現(xiàn)后，這一理論基本上已被否定。第32頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一33大爆炸宇宙論第33頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一34大爆炸理論的提出宇宙的產(chǎn)生為什么會(huì)想到大爆炸？二十世紀(jì)匈牙利科學(xué)家勒梅特設(shè)想：物質(zhì)結(jié)構(gòu)和次序的認(rèn)識(shí)：物質(zhì)的形成由簡(jiǎn)到繁。熵增原理：最簡(jiǎn)單就是一個(gè)原子-----原始的原子的演變到現(xiàn)在的宇宙想到大爆炸理論的人是愛(ài)因斯坦第34頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一35廣義相對(duì)論理論基礎(chǔ)宇宙紅移的觀(guān)測(cè)事實(shí)宇宙大爆炸理論觀(guān)念的形成第35頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一36大爆炸理論驗(yàn)證20年代后期，愛(ài)德溫·哈勃(EdwinHubble)發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，說(shuō)明宇宙正在膨脹。60年代中期，阿爾諾·彭齊亞斯(ArnoPenzias)和羅伯特·威爾遜(RobertWilson)發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)給大爆炸理論以有力的支持。第36頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一37伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀(guān)念理論1950年前后，伽莫夫（美籍俄國(guó)）第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀(guān)念。伽莫夫認(rèn)為，宇宙開(kāi)始于高溫、高密度的原始物質(zhì)。最初溫度超過(guò)幾十億度，很快降至十億度，那時(shí)的宇宙中充滿(mǎn)的是輻射和基本粒子，隨后溫度持續(xù)下降，宇宙開(kāi)始膨脹。當(dāng)膨脹持續(xù)了幾百萬(wàn)年時(shí)，溫度冷卻至四千度，物質(zhì)逐漸凝聚成星云，再演化成今天的各種天體。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸，事實(shí)上應(yīng)該理解為整個(gè)空間同時(shí)的急劇膨脹。第37頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一38理論提出后中間有經(jīng)過(guò)很多人的修正補(bǔ)充并且完善。該理論最核心的一點(diǎn)是：如果理論成立，那么宇宙將一邊膨脹，一邊降溫，那么降到現(xiàn)在宇宙邊緣的溫度應(yīng)該降到5度（絕對(duì)溫標(biāo)）左右。理論提出，等待驗(yàn)證。但是比較困難。第38頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一39“宇宙微波背景輻射”二十世紀(jì)六十年代初，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的接收通訊天線(xiàn)系統(tǒng)。1964年，他們用它測(cè)量銀暈氣體射電強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲，他們認(rèn)為，這些來(lái)自宇宙的波長(zhǎng)為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5K的熱輻射。1965年他們又將其修正為3K，并將這一發(fā)現(xiàn)公布，為此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第39頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一40早期的宇宙背景輻射觀(guān)測(cè)

彭齊亞斯（左）和威爾遜（右）第40頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一41黑體輻射譜微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜。從0.054厘米直到數(shù)十厘米波段的測(cè)量表明，背景輻射是溫度近于2.7K的黑體輻射，習(xí)慣稱(chēng)為3K背景輻射。第41頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一42黑體譜現(xiàn)象表明，微波背景輻射是極大時(shí)空范圍內(nèi)的事件。因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)輻射與物質(zhì)之間的相互作用，才能形成黑體譜。由于現(xiàn)今宇宙空間的物質(zhì)密度極低，輻射與物質(zhì)的相互作用極小，所以，我們今天觀(guān)測(cè)到的黑體譜必定起源于很久以前。第42頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一43各向同性的背景輻射微波背景輻射的另一特征是具有極高的各向同性。這具有兩方面的含義：①小尺度上的各向同性：在小到幾十弧分的范圍內(nèi)，輻射強(qiáng)度的起伏小于0.2-0.3%；②大尺度上的各向同性：沿天球各個(gè)不同方向，輻射強(qiáng)度的漲落小于0.3%。各向同性說(shuō)明，在各個(gè)不同方向上，各個(gè)相距非常遙遠(yuǎn)的天區(qū)之間，應(yīng)當(dāng)存在過(guò)相互聯(lián)系。第43頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一443K背景輻射與理論相符微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是二十世紀(jì)天文學(xué)的重大成就，目前的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對(duì)大爆炸宇宙學(xué)的強(qiáng)有力支持。3K背景輻射與四十年代伽莫夫、海爾曼和阿爾菲根據(jù)當(dāng)時(shí)已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料預(yù)言宇宙間充滿(mǎn)具有黑體譜的殘余輻射理論相符。第44頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一45宇宙紅移的觀(guān)測(cè)再次證明了大爆炸理論二十世紀(jì)30年代，哈勃工作在美國(guó)的威爾遜天文臺(tái)測(cè)量其它星系相對(duì)于銀河系的運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)各個(gè)星系都在遠(yuǎn)離銀河系。從而得出了哈勃定律。VestoSlipher第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了星系紅移現(xiàn)象EdwinHubble確立了紅移與距離之間的關(guān)系：哈勃定律第45頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一46紅移現(xiàn)象

通常認(rèn)為這種紅移是由宇宙膨脹的多普勒效應(yīng)引起。

光是電磁波。當(dāng)光源遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)者時(shí)，接受到的光波頻率比其固有頻率低，即向紅端偏移，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“紅移”。當(dāng)光源接近觀(guān)測(cè)者時(shí)，接受頻率增高，相當(dāng)于向藍(lán)端偏移，稱(chēng)為“藍(lán)移”。第46頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一47哈勃定律哈勃發(fā)現(xiàn)，來(lái)自星系的光譜呈現(xiàn)某種系統(tǒng)性的紅移。即星系正在遠(yuǎn)離我們。將星系中特定原子的光譜與地球上實(shí)驗(yàn)室內(nèi)同種原子的光譜進(jìn)行比較，可以確定光源正在以多大的速度退行。哈勃發(fā)現(xiàn)，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系退行速度越高，而且兩者之間存在線(xiàn)性關(guān)系，即V=H×D（其中H是哈勃常數(shù)），這個(gè)關(guān)系稱(chēng)為哈勃定律。哈勃定律的偉大意義，不僅在于它證實(shí)了宇宙的膨脹，而且還提供了一種估計(jì)宇宙年齡的手段。第47頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大學(xué)物理

哈勃定律的意義

哈勃定律反映了宇宙的膨脹

星系的距離D＝V/H0 假設(shè)：

如果宇宙的膨脹是均勻的

可以確定： 宇宙的年齡t＝D/V＝1/H0

星系的退行表明在過(guò)去它們必定離得很近，宇宙膨脹的起點(diǎn)是什么？第48頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大學(xué)物理

哈勃常數(shù)的測(cè)定：WMAP和SDSS的2003年結(jié)果：

H0

＝717km/(s?Mpc)，相應(yīng)的宇宙年齡為1/H0=138(14)億年；馬歇爾太空飛行中心（MSFC）2006年:

77km/(s?Mpc)，誤差大約是15%。2009.5.7，NASA發(fā)布最新測(cè)量結(jié)果：

74.2±3.6km/(s*Mpc)，不確定度5%以?xún)?nèi)。

第49頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一方法：星系＋造父變星法測(cè)距離

宇宙學(xué)紅移＋多普勒效應(yīng)測(cè)速度。小知識(shí)：造父變星（Cepheidvariablestar）是一類(lèi)高光度周期性脈動(dòng)變星，也就是其亮度隨時(shí)間呈周期性變化。因典型星仙王座δ（中文名造父一）而得名。由于根據(jù)造父變星周光關(guān)系可以確定星團(tuán)、星系的距離，因此造父變星被譽(yù)為“量天尺”。50第50頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一51膨脹中宇宙的性質(zhì)使人困惑從地球的角度來(lái)看，好象遙遠(yuǎn)的星系都正飛快地遠(yuǎn)離我們而去。但是，這并不意味著地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨脹圖像都是相同的?？梢哉f(shuō)每一點(diǎn)都是中心，又沒(méi)有一點(diǎn)是中心。我們最好把它想象成星系間的空間在伸長(zhǎng)或膨脹，而不是星系在空間中運(yùn)動(dòng)。這一點(diǎn)與我們?nèi)粘Ｉ钪幸?jiàn)到的源于一點(diǎn)的爆炸不同。第51頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一52空間的伸長(zhǎng)空間可以伸長(zhǎng)這一事實(shí)看上去似乎離奇古怪，不過(guò)這卻是1915年愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)表以來(lái)科學(xué)家們?cè)缇褪熘母拍?。廣義相對(duì)論認(rèn)為，引力實(shí)際上是空間（嚴(yán)格地說(shuō)是時(shí)空）彎曲或變形的一種表現(xiàn)。從某種意義上來(lái)說(shuō)空間是有彈性的，可以按某種方式彎曲或伸長(zhǎng)，具體情況取決于物質(zhì)的排列。這個(gè)思想已為觀(guān)測(cè)所充分證實(shí)。第52頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一53膨脹空間的基本概念可通過(guò)一項(xiàng)簡(jiǎn)單的模擬來(lái)加以理解。想象在一條松緊帶上縫有一排鈕扣。假定從松緊帶的兩端把它拉長(zhǎng)，結(jié)果所有的鈕扣都彼此遠(yuǎn)離。不論我們選擇從哪個(gè)鈕扣來(lái)看，它鄰側(cè)的鈕扣似乎都在遠(yuǎn)離，而且這種膨脹是處處相同的，不存在特殊的中心。只要把這條帶鈕扣的松緊帶無(wú)限加長(zhǎng)，或環(huán)成一個(gè)圓圈，這個(gè)中心便不再存在了。第53頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一54從任意一個(gè)鈕扣來(lái)看，離它最近的鈕扣以某種速度退行，再下一個(gè)鈕扣則以?xún)杀稊?shù)度退行，依此類(lèi)推。在你看來(lái)，鈕扣離得越遠(yuǎn)，它退行得越快。因此這種膨脹意味著退行速度與距離成正比-這是一個(gè)極為重要的關(guān)系。借助這個(gè)圖像，我們現(xiàn)在就可想象出光波是如何在膨脹空間中或星系間傳播的。當(dāng)空間伸長(zhǎng)時(shí)，光波波長(zhǎng)也跟著變長(zhǎng)，這就解釋了宇宙學(xué)紅移現(xiàn)象。哈勃發(fā)現(xiàn)，紅移量與距離成正比，同這個(gè)簡(jiǎn)單的圖像模擬結(jié)果完全一致。第54頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一55另外一個(gè)證據(jù)：元素氦豐度分布宇宙中He的分布與預(yù)期的不吻合。如果是氫的聚變熱核反應(yīng)得到氦，那么氦的總量不超過(guò)幾%的數(shù)量級(jí)。但是測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)氦的含量約占四分之一，其余70%的氫和少量的其它元素。唯一的解釋?zhuān)涸诖蟊ㄟ^(guò)程中產(chǎn)生大量能量，迫使的大量的氫聚變成氦，造成氦過(guò)量。第55頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一56大爆炸理論認(rèn)為，宇宙起源于一個(gè)單獨(dú)的無(wú)維度的點(diǎn)，即一個(gè)在空間和時(shí)間上都無(wú)尺度但卻包含了宇宙全部物質(zhì)的奇點(diǎn)。至少是在100~150億年以前，宇宙及空間本身由這個(gè)點(diǎn)爆炸形成。第56頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一57四、宇宙的演化第57頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一58宇宙最初演化的三分鐘年齡=0.01秒，溫度大約1011K------一團(tuán)混沌年齡=1.1秒，溫度大約1010K------電子中子和質(zhì)子形成年齡=3分鐘，溫度大約109K------元素氫氦產(chǎn)生年齡=3分45秒，宇宙基本形成第58頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一59引力收縮（gravitationalcontraction）按照一般的看法，太陽(yáng)系、恒星、星系等都是由原始星云在自身引力作用下逐漸凝縮而成的。在原始?xì)怏w彌漫物質(zhì)中存在著密度的隨機(jī)漲落。那些密度比周?chē)叩膮^(qū)域，如果有足夠大的尺度，在自身引力作用下的收縮趨勢(shì)便會(huì)超過(guò)分子熱運(yùn)動(dòng)（即壓力）的彌散趨勢(shì)而開(kāi)始收縮，使密度進(jìn)一步增大，終于形成一個(gè)密度遠(yuǎn)高于周?chē)鷼怏w的區(qū)域。這種情況稱(chēng)為引力收縮。第59頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一60一般認(rèn)為，在原始星云中，往往是先收縮成大云塊，然后，由于大云塊在收縮過(guò)程中密度增大，在內(nèi)部觸發(fā)第二次收縮，使大云塊本身碎裂成為若干小云塊。后者即為恒星的前身──星胚。星胚再逐漸演化成為恒星。第60頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一61四、宇宙可能的結(jié)局第61頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一62三種宇宙膨脹狀態(tài)宇宙膨脹過(guò)程是引力與膨脹初速度之爭(zhēng)，誰(shuí)勝誰(shuí)負(fù)取決于宇宙物質(zhì)密度。如果宇宙物質(zhì)密度小于某一臨界密度（根據(jù)現(xiàn)有的對(duì)膨脹速率的觀(guān)測(cè)，臨界密度約為5×10-30克/厘米3），將沒(méi)有足夠的引力阻止膨脹，宇宙膨脹永無(wú)止境，這一情形下，我們稱(chēng)宇宙的膨脹是開(kāi)放的（開(kāi)宇宙）；如果宇宙物質(zhì)密度大于臨界密度，巨大的引力會(huì)使得膨脹最終停止并接下來(lái)收縮，在這一情形下稱(chēng)宇宙的膨脹是封閉的（閉宇宙）。

第62頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一63這看起來(lái)就象我們按照牛頓理論發(fā)射飛行器一樣，如果給的初速度足夠大，飛行器將擺脫地球的引力成為星際飛船，而如果初速度不夠，飛行器會(huì)最終掉下來(lái)。在討論宇宙的膨脹時(shí)有一個(gè)重要的差異。按照廣義相對(duì)論，封閉式膨脹的宇宙在質(zhì)量上和尺度上必定是有限的，而開(kāi)放式膨脹的宇宙在質(zhì)量上和尺度上必定是無(wú)限的。因此，討論宇宙可能的演化結(jié)局與討論宇宙的有限或無(wú)限是完全等價(jià)的！宇宙可能的演化結(jié)局第63頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一64宇宙到底是有限的或無(wú)限的？這是個(gè)詩(shī)人愛(ài)遐想，哲學(xué)家愛(ài)沉思的問(wèn)題。有些人認(rèn)為宇宙的無(wú)限性是先驗(yàn)的真理，