第六讲 宇宙学

第六讲宇宙学概要古代宇宙观现代宇宙学：观测基础及理论宇宙的年龄及未来宇宙中的成分古代宇宙观“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”——《文子·自然》“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”——《尸子》“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”——《庄子·齐物论》“宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。”——维基百科古人的观点盖天说：天似穹庐，笼盖四野浑天说：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。……”（汉，张衡）宣夜说：“夫天，元气也，皓然而已，无他物焉。”“夫地有形而天无全。譬如灰烟，烟在上，灰在下也。”（三国，杨泉）地心说：托勒玫日心说：哥白尼（波兰，1514）布鲁诺提出“恒星都是遥远的太阳”，“宇宙无限”，“太阳并非是宇宙中心”。（《论无限宇宙和世界》，1584）古人的观点古代宇宙观：宇宙是永恒的、稳定的。问题：物质－引力－宇宙坍缩可能的解决途径：１宇宙在空间和质量上无限大；２宇宙在膨胀；３宇宙有起点和终点。２、３点违反宇宙永恒与稳定的性质。因此宇宙无限大。现代宇宙学现代宇宙学发展的重要事件：1915年，Einstein建立广义相对论，使得基于物理学定律讨论宇宙时空成为可能。1922年，Friedmann得到Einstein场方程的宇宙膨胀（或塌缩）解。1929年，Hubble通过测量星系的红移发现宇宙是膨胀的。现代宇宙学发展的重要事件（续）1946年，Gamow领导的研究小组从理论上分析了早期宇宙的热密状态，提出早期元素核合成理论，并预言宇宙中充满了具有黑体谱的微波背景辐射。1965年，Penzias和Wilson发现微波背景辐射，证实了Gamow等人的预言，使越来越多的学者相信宇宙开始于热密状态，并从此开始膨胀。1998年，Ia型超新星爆发的观测研究发现宇宙正在加速膨胀。现代宇宙学的三大基石哈勃膨胀微波背景辐射轻元素的合成及其理论哈勃膨胀1929年，哈勃观测了24个邻近的星系，将其光谱与实验室的光谱对比，发现所有的谱线都有红移。如果是多普勒效应，则星系远离我们，并且可以算出星系的运动速度。哈勃发现0Hd——哈勃定律其中，是星系的距离，是哈勃常数。d0H哈勃的发现结束了传统的静止宇宙观，将一个膨胀的宇宙展现在人们面前。哈勃定律揭示的宇宙膨胀是一种全空间的均匀膨胀，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀。退行：星系间彼此远离的运动。从任何一个星系出发，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。微波背景辐射Gamow是现代热大爆炸宇宙学的奠基人。他从理论上提出：宇宙起源于一次大爆炸。通过计算原初大爆炸的那个“火球”由于膨胀冷却而在今天宇宙中遗留下的背景光子温度，他预言宇宙中有大爆炸残存的微波背景辐射。1964年，Penzias和Wilson发现微波背景辐射，证实了Gamow等人的预言，他们也荣获1978年诺贝尔物理学奖。人们对微波背景辐射做了仔细地和高精度的测量，发现其频谱是高度符合普朗克的黑体辐射定律的，相应的温度是，并且是高度各向同性的。(2.7360.016)K宇宙学原理(cosmologicalprinciple)：宇宙在空间上（大尺度范围）是均匀和各向同性的。即宇宙空间任何一点没有特殊性。观测证据：宇宙物质在大尺度上（大于100Mpc）趋于均匀；宇宙微波背景辐射偏离均匀的程度仅为10-3。微波背景辐射的观测也证实了宇宙学原理，即宇宙均匀各向同性的假说。但是现实的宇宙是有结构的，必须给出解释。主流的基本思想是引力不稳定性。轻元素的合成及其理论宇宙中的重元素含量很少，主要是在恒星演化过程中产生。占宇宙主要成分的轻元素（以H、He为主）却很难用恒星核合成过程来理解。不论什么天体，包括太阳，He元素的丰度都在24%左右，远远超出了恒星内部热核反应所能提供的氦丰度。该丰度值应与宇宙创生时的状态有关。1964年，Hoyle和Tayler根据大爆炸宇宙学的核合成理论，计算得到氦丰度为23-25%。随后，对其他轻元素计算的丰度也与实际测量吻合。现代宇宙学理论宇宙大爆炸模型（1）爆炸后“大统一”时代，所有的物质和能量本质上是可交换的和守恒的。（2）爆炸后30万年核的物质和辐射物质组成的不透明的汤开始逐渐变得透明，光从物质中分离。（3）宇宙不断膨胀，恒星、星系、星系团逐渐形成阶段宇宙演化4310s宇宙大爆炸模型的主要证据星系红移：宇宙正在膨胀。微波背景辐射：模型认为大爆炸30万年后，宇宙温度降低到4000K，开始以宇宙微波背景的形式向宇宙渗透。到现在冷却到了2.73K，与观测吻合。轻元素的丰度：模型认为，在爆炸早期，温度很高，产生氦的效率也很高。可以说明观测结果。宇宙的年龄及未来宇宙的未来宇宙中的成分