宇宙学概论要点.pptx

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1、会计学1宇宙学概论要点宇宙学概论要点21 1、宇宙学的发展简史、宇宙学的发展简史2 2、静态宇宙和静态宇宙和奥勃斯佯谬奥勃斯佯谬3 3、宇宙的距离尺度、宇宙的距离尺度4 4、哈勃定律、哈勃定律5 5、宇宙中的等级、宇宙中的等级第1页/共81页1 1、宇宙学的发展简史、宇宙学的发展简史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。第2页/共81页（1.11.1）古代宇宙学）古代宇宙学

2、）古代宇宙学）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：浑天说浑天说主张有限宇宙 “天圆如张盖，地方如棋局。天圆如张盖，地方如棋局。”周髀周髀 “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，要是有界问题：有限必定有界，要是有界问题：有限必定有界，要是有界问题：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

3、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，无限不一定无界有限不一定有界，无限不一定无界4第3页/共81页中国古代的宇宙观中国古代的宇宙观盖天说盖天说主张：“天圆如张盖，地方如棋局”的天圆地方说。浑天说浑天说主张：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浑仪可以演示日、月、星辰的视运动。昼夜说昼夜说，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

4、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。”第4页/共81页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第5页/共81页浑仪以浑天说为理论基础约约在在公公元元前前四四世世纪纪至至公公元元前前一一世世纪纪之之间间7第6页/共81页古希腊的天文学和托勒密体系古希腊的天文学和托勒密体系n n一般将古希腊天文学分为四大学派：爱奥尼亚学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、

5、毕达哥拉斯学派、柏拉图学派和亚历山大学派。派。n n爱奥尼亚学派爱奥尼亚学派爱奥尼亚学派爱奥尼亚学派，其代表人物是哲学家兼几何学家，其代表人物是哲学家兼几何学家的泰勒斯（约公元前的泰勒斯（约公元前640640546546年）。其继承人阿年）。其继承人阿那克曼德（约公元前那克曼德（约公元前611611547547年）认为天空是围年）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。后又回到无限，整个宇宙是一个球形的。8第7页/共81页n n毕达哥拉斯学派毕达哥拉斯学派毕达哥拉斯学派毕达哥拉斯学派（公元前（公元前58

6、2582500500），创始人是著名，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。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。运动围绕地球转动。n n柏拉图学派柏拉图学派柏拉图学派柏拉图学派是由雅典哲学家柏拉图（公元前是由雅典哲学家柏拉图（公元前427427347347）创立，主要学说是）创立，主要学说是“同心球同心球”宇宙模型。宇宙是宇宙模型。宇宙是以地球为中心的一个个同心

7、球，这些球壳从内向外依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、土次分布着月球、太阳、水星、金星、火星、木星、土星和恒星。星和恒星。古希腊的天文学和托勒密体系古希腊的天文学和托勒密体系9第8页/共81页n n亚历山大学派亚历山大学派亚历山大学派亚历山大学派，地心体系的学说得到充分的发展，形成了统治，地心体系的学说得到充分的发展，形成了统治西方达西方达15001500年之久的地心说。年之久的地心说。n n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

8、成了自己的地心学均轮的概念，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。恒星都嵌在恒星天上。n n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

9、充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。分的解释。古希腊的天文学和托勒密体系古希腊的天文学和托勒密体系10第9页/共81页亚里斯多德的球对称宇宙亚里斯多德的球对称宇宙n n公元前公元前350350年，亚里斯多德提出一种哲学上的宇宙观，试图年，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。对当时观测到的现象加以简化和解释。n n他把对称性看得非常重要，并相信球体是世间最完美的形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。状。因此，宇宙必然是球形的。n n为描述天空中看得见的天体和它们的运动，他提出一种复为描述天

10、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，包含不下杂的洋葱皮结构，包含不下5555层透明水晶嵌套的球面，这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。些球面都以地球为中心。并假设地球也是球体。n n一个旋转的球面总是在空间中占据相同的地方，但多面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旋转时就会制造出“真空真空”。于是，这种亚里斯多德式的。于是，这种亚里斯多德式的“证明证明”便得出了大地是球形的结论。便得出了大地是球形的结论。n n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。地球中心说与中世纪时以人类为中心的世界观正好相

11、呼应。11第10页/共81页托勒密的宇宙托勒密的宇宙n n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。速度）。亚里斯多德和他的追随者需要解释这些现象。n n约公元约公元130130年，托勒密首先发现解决这个挑战性问题的一个方年，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法。这个方法是古代最接近“万有理论万有理论”的东西，并且延续的东西，并且延续了一千多年的时间。了一千多年的时间。n n托勒密面临的挑战在于：需要把行星的复杂运动，包括所有托勒密面临的挑战在于：需要把行

12、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。观念结合起来。n n托勒密在他的著作托勒密在他的著作至大论至大论中这样回答：从行星或太阳绕中这样回答：从行星或太阳绕地球的圆形轨道（或叫地球的圆形轨道（或叫“均轮均轮”）可反推出一个点的运动，）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（又叫而这个点又是该行星的另一个小型圆周运动（又叫“本轮本轮”）的圆心，行星就沿着本轮运动。）的圆心，行星就沿着本轮运动。12第11页/共81页地心说是亚里士多德首创地心说是亚里士多德首创认为宇宙是一个有限

13、的球体，分认为宇宙是一个有限的球体，分为天地两层为天地两层 地球位于宇宙中心地球位于宇宙中心 日月围绕地球运行日月围绕地球运行 物体总是落向地面物体总是落向地面地球之外有地球之外有9个等距天层，此外空个等距天层，此外空无一物无一物各个天层自己不会动各个天层自己不会动 上帝推动了恒星天层上帝推动了恒星天层 恒星天层带动了所有天层的运恒星天层带动了所有天层的运动动 托勒密的地心体系托勒密的地心体系13第12页/共81页由里到外的排列次序：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、月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天土星天、恒星天和原动力

14、天 14第13页/共81页托勒密（公元托勒密（公元2世纪）本轮均轮世纪）本轮均轮随着对于行星运动观测资随着对于行星运动观测资料的增多，本轮增加到了料的增多，本轮增加到了八十多个八十多个 15第14页/共81页（1.21.2）近代宇宙学）近代宇宙学）近代宇宙学）近代宇宙学哥白尼哥白尼：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；开普勒开普勒：发现行星运动三大定律；牛顿牛顿：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；哈雷哈雷：1718年发现恒星的自行，打破

15、恒星天固定不动概念；康德康德：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第15页/共81页15世纪后世纪后:科学技术和航海事业科学技术和航海事业的发展的发展 人们发现地心体系与实际观测并人们发现地心体系与实际观测并不相符不相符哥白尼（哥白尼（16世纪）：世纪）：30多年观测研究多年观测研究死前出版死前出版天天体运行论体运行论轨道仍是圆形，保留实体天层的轨道仍是圆形，保留实体天层的概念概念未观测到恒星视差，实证上不比未观测到恒星视差，实证上不比地心说优越地心说优越普鲁士天文表普鲁士天文表预报预报1563年土年土星木星交会的计算差至一天星木星交会的计算差至一天哥白尼的日心体

16、系哥白尼的日心体系17第16页/共81页18第17页/共81页第谷的地心体系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18页/共81页第谷超新星遗迹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第19页/共81页开普勒在他早期所著的开普勒在他早期所著的开普勒在他早期所著的开普勒在他早期所著的神秘的宇宙神秘的宇宙神秘的宇宙神秘的宇宙（15971597年）年）年）年）一书里设计一个有趣的、由许多有规则的几何形一书里设计一个有趣的、

17、由许多有规则的几何形一书里设计一个有趣的、由许多有规则的几何形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体构成的宇宙模型。开普勒试图解释为什么行星体构成的宇宙模型。开普勒试图解释为什么行星体构成的宇宙模型。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的数目恰好是六颗，并用数学描述所观测到的各的数目恰好是六颗，并用数学描述所观测到的各的数目恰好是六颗，并用数学描述所观测到的各个行星轨道大小之间的关系。他发现六个行星的个行星轨道大小之间的关系。他发现六个行星的个行星轨道大小之间的关系。他发现六个行星的个行星轨道大小之间的关系。他发现六

18、个行星的轨道恰好同五种有规则的正多面体相联系。这些轨道恰好同五种有规则的正多面体相联系。这些轨道恰好同五种有规则的正多面体相联系。这些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，每个都按照某种不同的几何形体，一个套一个，每个都按照某种不同的几何形体，一个套一个，每个都按照某种不同的几何形体，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。神圣的和深奥的原则确定一个轨道的大小。神圣的和深奥的原则确定一个轨道的大小。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，但若开普勒宇宙模型的数学关系纵然如此美妙，但若开普勒宇宙模型的数学

19、关系纵然如此美妙，但若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、制定行星运干年后开普勒分析第谷的观测数据、制定行星运干年后开普勒分析第谷的观测数据、制定行星运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。行表时，它们却毫无用处。开普勒就摒弃了它。行表时，它们却毫无用处。开普勒就摒弃了它。行表时，它们却毫无用处。开普勒就摒弃了它。开普勒开普勒21第20页/共81页22不论是哥白尼体系、托勒密体系还是第谷体系，没有一个不论是哥白尼体系、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。能与第谷的精确观测相符合。开普勒要解

20、决的问题包括两方面：第一，用什么方法测定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）运动的行星（包括地球）运动的“真实真实”轨道，如同观测者能从轨道，如同观测者能从“天外天外”看行星绕太阳运行一样；第二，分析行星运动遵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。循什么样的数学定律。开普勒开普勒(17世纪世纪,第谷的观测资料第谷的观测资料)总结出了著名的行星运总结出了著名的行星运动三大定律动三大定律第21页/共81页望远镜：重要的天文观测仪器伽利略的优势：光学原理23第22页/共81页伽利略的重要贡献伽利略的重要贡献(1610(1610年年1 1月月7 7

21、日日)用自制的望远镜发现了木星的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，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标志着哥白尼学说开始走向胜利胜利借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、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，以及银河是由象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成无数恒星组成等等等等1610.3 1610.3 星辰使者星辰使者开辟了天文学新时代开辟了天文学新时代 24第23页/共81页牛顿运动三定律牛顿运动三定

22、律n n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。n n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。n n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。25第24页/共81页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

23、法则，应该对所有观测者一样。第25页/共81页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。第26页/共81页28托马斯托马斯赖特赖特(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

24、理进行了外推，就适用于更大的宇宙。第27页/共81页29伊曼努尔伊曼努尔康德康德（Immanuel Kant）（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”。第28页/共81页亚里士多德亚里士多德 前前384前前322张衡张衡78139年年郭守敬元朝

25、郭守敬元朝12311316托勒密托勒密90年年168年年哥白尼哥白尼14731543年年伽利略伽利略15641642年年第谷第谷15101601开普勒开普勒15711630哈雷哈雷16561742牛顿牛顿1642172730第29页/共81页（1.3）近现代宇宙学）近现代宇宙学n n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。n n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。3

26、1第30页/共81页32拉普拉斯星云假说拉普拉斯星云假说拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,17491827)，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。第31页/共81页33开尔文的简单宇宙模型开尔文的简

27、单宇宙模型开尔文男爵(18241907)，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

28、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。第32页/共81页34华莱士宇宙中的生命华莱士宇宙中的生命阿尔弗雷德罗素华莱士（Alfred Russel Wallace，18231913），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

29、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。学理论研究来说，是必须被适当对待的。第33页/共81页35衰变的宇宙衰变的宇宙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

30、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。第34页/共81页36史瓦西非欧几何宇宙史瓦西非欧几何宇宙卡尔史瓦西（Karl Schwarzschild，18731916）德国天文学家、物理学家。1900年，从弯曲几何的理论中，他提出

31、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。第35页/共81页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

32、：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；19201920年代以前：沙普利：大银河系年代以前：沙普利：大银河系年代以前：沙普利：大银河系年代以前：沙普利：大银河系，太阳不在银河系中心；沙普利沙普利沙普利沙普利-柯蒂斯大争论柯蒂斯大争论柯蒂斯大争论柯蒂斯大争论：星云是河外的还是河内天体。19221922：哈勃：测定：哈勃：测定：哈勃：测定：哈勃：测定 M31 M31 的距离，证明星云是河外天体的距离，证明星云是河外天体的距离，证明星云是河外天体的距离，证明星云是河外天体，开创河外星系

33、天文学。河外星系的发现将宇宙的尺度大大的扩展。37第36页/共81页（1.41.4）现代宇宙学）现代宇宙学）现代宇宙学）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年弗里德曼弗里德曼：用爱因斯坦方程导出了膨胀宇宙解；1948年伽莫夫伽莫夫：“大爆炸”宇宙学模型，并提出原初核合成理论和背景温度；1965年彭齐亚斯彭齐亚斯和威尔逊威尔逊：发现宇宙微

34、波背景辐射；1981年古斯古斯：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第37页/共81页爱因斯坦静而实的宇爱因斯坦静而实的宇宙宙n n19151915年年1111月，爱因斯坦建立了广义相对论。月，爱因斯坦建立了广义相对论。19171917年年2 2月，他月，他发表了把新理论用于整个宇宙的成果，发表了把新理论用于整个宇宙的成果，建立了现代宇宙学建立了现代宇宙学建立了现代宇宙学建立了现代宇宙学的第一个宇宙模型的第一个宇宙模型的第一个宇宙模型的第一个宇宙模型。引力场方程组的每一个解都表示一个引力场方程组的每一个解都表示一个可能的宇宙。可能的

35、宇宙。n n根据引力场方程，他得不到任何静止的宇宙模型，要么膨根据引力场方程，他得不到任何静止的宇宙模型，要么膨胀，要么收缩。但对于胀，要么收缩。但对于19171917年的爱因斯坦来说，空间可以年的爱因斯坦来说，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。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。因斯坦的静态宇宙。n n爱因斯坦的宇宙是一个有限无界的、自

36、无穷过去到无穷将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。来都存在的弯曲空间。这是他的非凡方程组的第一个产物，这是他的非凡方程组的第一个产物，这是他的非凡方程组的第一个产物，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。但方程组给出的信息却是：宇宙并不想静止。但方程组给出的信息却是：宇宙并不想静止。但方程组给出的信息却是：宇宙并不想静止。39第38页/共81页德希特动而空的宇宙德希特动而空的宇宙n n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（德希特（187218721934

37、1934）。）。n n他保留了爱因斯坦的排斥力，但又设定宇宙的物质密度为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。低，因此产生的引力与排斥力相比完全可以忽略。n n德希特宇宙的空间是欧几里得的，因而是无限的。宇宙空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。间在场方程中排斥力的作用下加速膨胀。n n德希特的宇宙对我们现在的宇宙学研究非常重要。它有一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

38、：些特点：宇宙体积越来越大，没有开始，也没有结束；逆宇宙体积越来越大，没有开始，也没有结束；逆宇宙体积越来越大，没有开始，也没有结束；逆宇宙体积越来越大，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，也不会有大小为时间回溯，体积越来越小，但不会为零，也不会有大小为时间回溯，体积越来越小，但不会为零，也不会有大小为时间回溯，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。零而物质密度为无穷大的明显开端；膨胀速率恒定。零而物质密度为无穷大的明显开端；膨胀速率恒定。零而物质密度为无穷大的明显开端；膨胀速率恒定。40第39页/共81页弗里德曼动而实的

39、宇弗里德曼动而实的宇宙宙n n亚历山大亚历山大亚历山大亚历山大 弗里德曼弗里德曼弗里德曼弗里德曼（1888188819251925），俄国），俄国-苏联数学家、苏联数学家、气象学家、宇宙学家。俄国另一位著名宇宙学家气象学家、宇宙学家。俄国另一位著名宇宙学家乔治乔治乔治乔治 伽莫伽莫伽莫伽莫夫夫夫夫是弗里德曼的学生。是弗里德曼的学生。n n19201920年开始，他详细地学习了爱因斯坦的广义相对论，并年开始，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。关于宇宙各处各方向都

40、一样的假设。n n用数学方式提出宇宙模型的第一人，用数学方式提出宇宙模型的第一人，19221922年发现了广义相年发现了广义相对论引力场方程的一个重要的解，即弗里德曼对论引力场方程的一个重要的解，即弗里德曼-勒梅特勒梅特-罗罗伯逊伯逊-沃尔克度规。沃尔克度规。n n19241924年他在发表的论文阐述了膨胀宇宙的思想，即曲率分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，称为别为正、负、零时的三种情况，称为弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型。n n“他的任务是暗示爱因斯坦方程组可能存在这样的解，并他的任务是暗示爱因斯坦方程组可能存在这样

41、的解，并且物理学家们可像他们所期待的研究这些解。且物理学家们可像他们所期待的研究这些解。”41第40页/共81页n n首先，他发现了一种有限的首先，他发现了一种有限的“闭合闭合”宇宙。正曲率空间，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，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。在一个无穷的序列中振荡。n n场方程组的另一类解，有着场方程组的另一类解，有着“开放开放”的空间，负曲率，宇的空间，负曲率，宇宙体积无限膨胀。宙体积无限膨胀。n n弗里德

42、曼第一个发现爱因斯坦方程组允许膨胀或收缩的宇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）。宙包含普通物质（如行星和恒星）。n n他未受天文学观测启发产生这个想法，也未拘泥于宇宙的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。他描述了开始或结束所包含的物理学意义。他描述了一种从虚无中一种从虚无中一种从虚无中一种从虚无中产生（又从虚无中消失）的宇宙产生（又从虚无中消失）的宇宙产生（又从虚无中消失）的宇宙产生（又从虚无中消失）的宇宙。n n但在当时，他的重大发现并没有被人注意（爱因斯坦认为但在当时，他的重大发现并没有被人注意（爱因

43、斯坦认为他的论文有一些关键性计算错误）。他的论文有一些关键性计算错误）。42第41页/共81页勒梅特的宇宙勒梅特的宇宙n n勒梅特（勒梅特（Lemaitre,GeorgesLemaitre,Georges，189418941966)1966)）比利时天文学家）比利时天文学家和宇宙学家。和宇宙学家。1923-19241923-1924年间在剑桥大学师从爱丁顿（当时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院学习，在那里他了解了美国天文学家E.P.E.P.哈勃的发现和哈勃的发现

44、和H.H.沙普利有关宇宙膨胀的研究。他提出现代大爆炸理论。沙普利有关宇宙膨胀的研究。他提出现代大爆炸理论。n n19271927年，发表一篇重要论文，第一次把爱因斯坦方程组的年，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。而产生红移的计算结合起来。n n他认为宇宙没有中心也没有边界，可以有限也可以无限。他认为宇宙没有中心也没有边界，可以有限也可以无限。n n他证明，爱因斯坦的宇宙不稳定。如果宇宙开始于一个静他证明，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

45、中的任何扰动或运动就会使得宇宙进入止的状态，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。膨胀或收缩的状态。43第42页/共81页n n19271927年论文中的宇宙模型：年论文中的宇宙模型：n n1.1.宇宙有个有限的过去，并且从一个炙热的开端开始膨胀，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。向德希特的指数膨胀宇宙。n n2.2.宇宙有正的空间曲率、

46、正的宇宙学常数。宇宙有正的空间曲率、正的宇宙学常数。n n勒梅特的宇宙是关于现实宇宙的最精确的描述。勒梅特的宇宙是关于现实宇宙的最精确的描述。44减速膨胀加速膨胀第43页/共81页45各种可能的宇宙模型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）。第44页/共81页托尔曼振荡宇宙托尔曼振荡宇宙n n理查德理查德 托尔曼（托尔曼（1881-19481881-1948），加州理工学院物理化学和数），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

47、独特的兴趣。学物理专业的教授，对热力学有独特的兴趣。n n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过去到未来永远在振荡。那问题是，所有的循环都一样吗？n n19321932年，托尔曼开始考虑这个问题。他想，如果在爱因斯年，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

48、解中，应用热力学第二定律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？会怎么样？n n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。加。46第45页/共81页n n回溯这种宇宙，在很久以前，这种宇宙必然非常小，以至回溯这种宇宙，

49、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。零的时候，场方程也不成立。n n然而，如果有新的量子引力机制使得宇宙在很小但不为零然而，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。的尺寸下发生反弹，不断增长的循环振荡宇宙是有可能的。n n19951995年，东布罗夫斯基和约翰年，东布罗夫斯基和约翰DD巴罗发现，如果场方程存巴罗发现，如果场方程存在排斥性的宇宙学常数，无论数值多小，最终会导致振荡在排斥性的宇宙学常数，无论数值多小，最

50、终会导致振荡结束，宇宙膨胀开始加速。结束，宇宙膨胀开始加速。47托尔曼的振荡宇宙托尔曼的振荡宇宙第46页/共81页狄拉克的宇宙引力变狄拉克的宇宙引力变化化n n保罗保罗 狄拉克（狄拉克（Paul Dirac Paul Dirac，1902190219841984），被称为），被称为2020世纪英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，因狄拉克方程获程获19331933年诺贝尔奖，该方程从理论上预言正电子的存在。年诺贝尔奖，该方程从理论上预言正电子的存在。n n他认为，如果在物理学中碰到巨大的无量纲量，它们不太可他认为，如果在物理学中碰