宇宙學概論2要點

第二章認識宇宙的歷程1認識宇宙的歷程21、宇宙學的發(fā)展簡史2、靜態(tài)宇宙和奧勃斯佯謬3、宇宙的距離尺度4、哈勃定律5、宇宙中的等級1、宇宙學的發(fā)展簡史認識宇宙的歷程3人們談論宇宙的歷史已有幾千年。但那是他們認識的宇宙，不要與我們現(xiàn)在認識的宇宙混為一談。生于何時、身在地球何處，會影響你對宇宙的認識。在地球不同地方，看到的星空是不同的，這是因為地球的自轉軸是傾斜的。這就是為什么關于天空的神話和宇宙的本質(zhì)，不同地區(qū)有不同的說法。（1.1）古代宇宙學

古希臘:宇宙的最高層是恒星天，全部物質(zhì)都包含在恒星天之內(nèi)。(從亞里士多德到托勒密)，特別是亞里士多德的第一推動：

“任何被推動者皆被某一事物推動?！蔽覈糯簻喬煺f主張有限宇宙

“天圓如張蓋，地方如棋局。”

《周髀》

“渾天如雞子，天體如彈丸，地如雞子中黃”（張衡，公元0世紀）

宣夜說主張宇宙無限

“天了無質(zhì)”，“高遠無極”

“日月眾星，自然浮生虛空之中”。宇宙有限的觀念似乎更符合古人的經(jīng)驗

問題：有限必定有界，要是有界，那邊界以外是什么呢？亞里士多德——恒星天之外是“神”和“靈魂”的世界。托勒密地心說——晶瑩天、最高天和凈火天三個天層張衡——“過此而往者，未之或知也”

——邊界以外是個非物理的存在。有限不一定有界，無限不一定無界4認識宇宙的歷程中國古代的宇宙觀蓋天說主張：“天圓如張蓋，地方如棋局”的天圓地方說。渾天說主張：天如球形，地球位于其中心。渾天說與蓋天說并存了很長時間。后來，渾天說在解釋天體運動方面漸漸占了優(yōu)勢。根據(jù)渾天說制造的渾儀可以演示日、月、星辰的視運動。晝夜說，是中國古代的頗具哲理的宇宙學說。晝夜說認為天是沒有形質(zhì)的，不存在固體的“天穹”，而只是無邊無際的氣體。日月星辰漂浮在無限的氣體之中，游來游去。這是一種樸素的無限宇宙論的觀點。5認識宇宙的歷程中國古代有三種比較系統(tǒng)的宇宙學說，《晉書·天文志》中寫道：“古言天者有三家，一曰蓋天，二曰晝夜，三曰渾天。”我國古代關于宇宙的兩大學說：蓋天說（左）和渾天說（右）。后人創(chuàng)造的形象圖案生動地展示了其內(nèi)涵蓋天說渾天說6認識宇宙的歷程渾儀－以渾天說為理論基礎約在公元前四世紀至公元前一世紀之間7認識宇宙的歷程古希臘的天文學和托勒密體系一般將古希臘天文學分為四大學派：愛奧尼亞學派、畢達哥拉斯學派、柏拉圖學派和亞歷山大學派。愛奧尼亞學派，其代表人物是哲學家兼幾何學家的泰勒斯（約公元前640－546年）。其繼承人阿那克曼德（約公元前611－547年）認為天空是圍繞著北極星旋轉的。萬物都從無限中產(chǎn)生，消滅后又回到無限，整個宇宙是一個球形的。8認識宇宙的歷程畢達哥拉斯學派（公元前582－500）

，創(chuàng)始人是著名的幾何學家畢達哥拉斯。據(jù)說他也曾是泰勒斯的門徒。該學派提出了很多重要的觀點。主張地球是球形，地球周圍是空氣和云，在往外便是日月星辰以勻速圓周運動圍繞地球轉動。柏拉圖學派是由雅典哲學家柏拉圖（公元前427－347）創(chuàng)立，主要學說是“同心球”宇宙模型。宇宙是以地球為中心的一個個同心球，這些球殼從內(nèi)向外依次分布著月球、太陽、水星、金星、火星、木星、土星和恒星。古希臘的天文學和托勒密體系9認識宇宙的歷程亞歷山大學派，地心體系的學說得到充分的發(fā)展，形成了統(tǒng)治西方達1500年之久的地心說。托勒密注意到同心球理論的缺陷，他吸收了前人提出的本輪和均輪的概念，包括依巴谷的偏心圓的概念形成了自己的地心學說。托勒密認為：第一，日月行星雖然也都以圓軌道繞地球運動，但地球并不位于球心，而是偏離中心。這些偏心圓稱為均輪。第二，五大行星本身都繞著自己的本輪圓運動，本輪圓的中心再繞均輪運動。第三，最外一層第八層是恒星天，所有的恒星都嵌在恒星天上。在當時的天文觀測精度下，托勒密的地心宇宙體系能夠給出充分的解釋。古希臘的天文學和托勒密體系10認識宇宙的歷程亞里斯多德的球對稱宇宙公元前350年，亞里斯多德提出一種哲學上的宇宙觀，試圖對當時觀測到的現(xiàn)象加以簡化和解釋。他把對稱性看得非常重要，并相信球體是世間最完美的形狀。因此，宇宙必然是球形的。為描述天空中看得見的天體和它們的運動，他提出一種復雜的洋蔥皮結構，包含不下55層透明水晶嵌套的球面，這些球面都以地球為中心。并假設地球也是球體。一個旋轉的球面總是在空間中占據(jù)相同的地方，但多面體旋轉時就會制造出“真空”。于是，這種亞里斯多德式的“證明”便得出了大地是球形的結論。地球中心說與中世紀時以人類為中心的世界觀正好相呼應。認識宇宙的歷程11托勒密的宇宙我們會看到其他行星表現(xiàn)出反常的逆向運動（因為不同的角速度）。亞里斯多德和他的追隨者需要解釋這些現(xiàn)象。約公元130年，托勒密首先發(fā)現(xiàn)解決這個挑戰(zhàn)性問題的一個方法。這個方法是古代最接近“萬有理論”的東西，并且延續(xù)了一千多年的時間。托勒密面臨的挑戰(zhàn)在于：需要把行星的復雜運動，包括所有的逆向運動，同亞里斯多德認為的地球是宇宙的中心的嚴格觀念結合起來。托勒密在他的著作《至大論》中這樣回答：從行星或太陽繞地球的圓形軌道（或叫“均輪”）可反推出一個點的運動，而這個點又是該行星的另一個小型圓周運動（又叫“本輪”）的圓心，行星就沿著本輪運動。認識宇宙的歷程12地心說是亞里士多德首創(chuàng)認為宇宙是一個有限的球體，分為天地兩層地球位于宇宙中心日月圍繞地球運行物體總是落向地面地球之外有9個等距天層，此外空無一物各個天層自己不會動上帝推動了恒星天層恒星天層帶動了所有天層的運動托勒密的地心體系13認識宇宙的歷程由里到外的排列次序：月球天、水星天、金星天、太陽天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原動力天

14認識宇宙的歷程托勒密（公元2世紀）本輪均輪隨著對于行星運動觀測資料的增多，本輪增加到了八十多個

15認識宇宙的歷程（1.2）近代宇宙學哥白尼：1543年發(fā)表《天體運行論》，提出日心說，宇宙中心從地球搬到太陽；伽利略：17世紀初第一個用望遠鏡觀測天空，發(fā)現(xiàn)銀河系由大量恒星組成；開普勒：發(fā)現(xiàn)行星運動三大定律；牛頓：萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，確立了日心說的主導地位；牛頓與萊布尼茨關于星體有限無限分布的思辨爭論；哈雷：1718年發(fā)現(xiàn)恒星的自行，打破恒星天固定不動概念；康德：18世紀，空間二律背反，邏輯上不自洽，有限無限的討論毫無意義；16認識宇宙的歷程15世紀后:科學技術和航海事業(yè)的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)地心體系與實際觀測并不相符哥白尼（16世紀）：

30多年觀測研究→死前出版《天體運行論》軌道仍是圓形，保留實體天層的概念未觀測到恒星視差，實證上不比地心說優(yōu)越《普魯士天文表》預報1563年土星木星交會的計算差至一天哥白尼的日心體系17認識宇宙的歷程18認識宇宙的歷程第谷的地心體系廢除實體天球概念引進運行軌道除恒星視差外，和日心說解釋觀測數(shù)據(jù)上同樣有效19認識宇宙的歷程第谷的宇宙理論是托勒密體系和哥白尼體系的混合，他認為行星繞太陽旋轉，太陽又率群星圍地球運行。第谷超新星遺跡距離1.2萬光年星云至今仍以9000公里/秒速度向外膨脹20認識宇宙的歷程開普勒在他早期所著的《神秘的宇宙》（1597年）一書里設計一個有趣的、由許多有規(guī)則的幾何形體構成的宇宙模型。開普勒試圖解釋為什么行星的數(shù)目恰好是六顆，并用數(shù)學描述所觀測到的各個行星軌道大小之間的關系。他發(fā)現(xiàn)六個行星的軌道恰好同五種有規(guī)則的正多面體相聯(lián)系。這些不同的幾何形體，一個套一個，每個都按照某種神圣的和深奧的原則確定一個軌道的大小。開普勒宇宙模型的數(shù)學關系縱然如此美妙，但若干年后開普勒分析第谷的觀測數(shù)據(jù)、制定行星運行表時，它們卻毫無用處。開普勒就摒棄了它。開普勒21認識宇宙的歷程22認識宇宙的歷程不論是哥白尼體系、托勒密體系還是第谷體系，沒有一個能與第谷的精確觀測相符合。開普勒要解決的問題包括兩方面：第一，用什么方法測定行星（包括地球）運動的“真實”軌道，如同觀測者能從“天外”看行星繞太陽運行一樣；第二，分析行星運動遵循什么樣的數(shù)學定律。開普勒(17世紀,第谷的觀測資料)總結出了著名的行星運動三大定律望遠鏡：重要的天文觀測儀器伽利略的優(yōu)勢：光學原理23認識宇宙的歷程伽利略的重要貢獻(1610年1月7日)用自制的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，為哥白尼學說找到了確鑿的證據(jù)，標志著哥白尼學說開始走向勝利借助于望遠鏡，伽利略還先后發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、月球的周日和周月天平動，以及銀河是由無數(shù)恒星組成等等1610.3《星辰使者》開辟了天文學新時代24認識宇宙的歷程牛頓運動三定律第一定律，即慣性定律：物體不受任何外力或受到的力平衡時，總保持勻速直線運動或靜止狀態(tài)。第二定律，是力的瞬時作用規(guī)律：物體動量的變化率等于它所受到的外力。第三定律：每一作用力都有對應的大小相等、方向相反的反作用力。認識宇宙的歷程25認識宇宙的歷程26牛頓三大定律隱藏著許多值得注意的深刻見解。當牛頓談到運動或靜止的物體時，我們會問：“相對誰靜止？”事實上，他說的所有運動，都相對空間中一個虛構的固定舞臺而言，舞臺的位置由遙遠的恒星劃定。他認為恒星是不變的、靜止的，這就是后來所謂的“絕對”空間。牛頓定律要求宇宙中存在一類特殊的觀測者，對他們來說運動定律比別的觀測者更加簡單。然而，真正的自然法則，應該對所有觀測者一樣。認識宇宙的歷程27物理學家和天文學家借助牛頓力學，就可以試著解釋他們所看到的所有天體運動。關鍵的是，可以思考牛頓運動定律會如何預言宇宙的變化。認識宇宙的歷程28托馬斯·賴特(Wright,Thomas)(1711-1786)英國，一位自學成才的天文學家他第一次對銀河進行了細致描繪。他提出兩個設想：第一，恒星可能聚集成一個扁平、環(huán)形的盤狀結構，圍繞銀河的中心。第二，恒星可能聚集成一個球面，銀河只是這個球面上的一塊薄片。進而，他認為宇宙中不應該只存在一個這樣的巨大星團。他設想這樣的星團應該無窮無盡。賴特的設想和他建立的宇宙模型將原本著眼于太陽系的哥白尼原理進行了外推，就適用于更大的宇宙。認識宇宙的歷程29伊曼努爾·康德（ImmanuelKant）（1724-1804），德國哲學家、德國古典哲學創(chuàng)始人。1751年，27歲的康德讀到賴特的理論。于1755年寫了一本關于宇宙的著作，即《宇宙發(fā)展史概論》，他發(fā)展了賴特的銀河圖景。并提出，太陽系是由自轉的氣體和塵埃形成的?？档碌膱D景中最突出特點就是宇宙在演化?？档碌挠钪鏌o邊無際，所以沒有真正意義上的中心。他認為宇宙可以永遠演化下去，“創(chuàng)生永遠不會完成或終結，它確實有個開端，但永遠不會停止”。亞里士多德前384~前322張衡78~139年郭守敬元朝1231~1316托勒密90年~168年哥白尼1473~1543年伽利略1564～1642年第谷1510~1601開普勒1571~1630哈雷1656~1742牛頓1642～172730認識宇宙的歷程（1.3）近現(xiàn)代宇宙學眾多的古代宇宙觀教給我們一些簡單的道理：僅靠觀察宇宙就想理解它并不容易。我們被局限在一個特殊行星的表面上，同其他行星一起繞著一顆中年恒星。因此，我們在地球表面所處的地點和時間以及可能抱有的對于我們應在大千世界中處于什么地位的觀念，都強有力地決定了我們從夜空中能看到什么。我們的宇宙觀預先確定了我們的宇宙模型。認識宇宙的歷程31認識宇宙的歷程32拉普拉斯－星云假說拉普拉斯(Pierre-SimonLaplace,1749－1827)，法國杰出的天文學家、數(shù)學家和物理學家。1796年他的著作《宇宙體系論》問世，他把康德的想法發(fā)展成一個更精確的理論，即對后來有重大影響的關于行星起源的星云假說?？档碌男窃普f是從哲學角度提出的，而拉普拉斯則從數(shù)學、力學角度充實了星云說，因此，人們常常把他們兩人的星云說稱為“康德-拉普拉斯星云說”。“星云假說”在當時的天文學家中很流形，他們認為夜空中每一塊發(fā)光斑點都是正在形成的行星系統(tǒng)。拉普拉斯的理論成為當時的宇宙學標準模型。認識宇宙的歷程33開爾文的簡單宇宙模型開爾文男爵(1824－1907)，原名威廉·湯姆遜。是當時英國科學界的領軍人物，皇家科學學會主席。他的研究范圍相當廣泛，他在數(shù)學物理、熱力學、電磁學、彈性力學、以太理論和地球科學等方面都有重大的貢獻。他提出的宇宙模型從牛頓引力理論發(fā)展而來，可以預測宇宙中巨型云狀物質(zhì)的命運。他證明，一團球狀物質(zhì)最終會由于自身引力而向中心坍縮，唯一能避免落入中心的方法就是繞著它旋轉（這正是康德提出的設想）。開爾文的模型包含約十億顆太陽大小的恒星，這些恒星產(chǎn)生的引力導致恒星的公轉速度正好與我們在附近的太空中所觀測到的符合。在其模型中，物質(zhì)將向著中心掉落，并與已經(jīng)在那里的恒星融合，從而釋放出熱量，維持著漫長時間的能量輸出。他認為引力收縮是天體的唯一能源，并估計太陽可以發(fā)光發(fā)熱多久，由此錯誤地得出地球年齡只有數(shù)億年的結論。認識宇宙的歷程34華萊士－宇宙中的生命阿爾弗雷德·羅素·華萊士（AlfredRusselWallace，1823－1913），英國博物學家、探險家、地理學家、人類學家與生物學家。華萊士因同時獨立的和達爾文創(chuàng)立“自然選擇”而進化的理論而著名。1903年，在《人類在宇宙的位置》一書中，他廣泛研究了地球成為宜居之地的原因以及從宇宙中的狀態(tài)可以得出的哲學結論。他詳細研究了開爾文的宇宙模型，得出宇宙中一些地方比其他地方更有利于生命的出現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)流入中心，并將引力勢能轉化為恒星熱能的過程是不連貫的，先是很長一段時間的流入，加熱了恒星，輸出了熱量，然后會冷卻一段時期，也就是我們正處的時期。他的宇宙學研究方法表明，生命演化所需的條件對于所有宇宙學理論研究來說，是必須被適當對待的。認識宇宙的歷程35衰變的宇宙19世紀時，一種看待宇宙的新方法開始出現(xiàn)?？茖W家開始將整個宇宙看作一臺巨大的機器，并考慮宇宙的過去和未來，熱力學定律能告訴我們什么。1850年，克勞修斯證明，一個孤立系統(tǒng)的無序的能量（即“熵”）不會減小，即熱力學第二定律，又稱“熵增定律”。如果這個無序度增長的“第二定律”適用于整個宇宙會怎么樣呢？這意味著“世界的熵趨向于一個極大值”。這就排除了循環(huán)宇宙論。這個問題引發(fā)了“宇宙熱寂說”，從有序向無序的過程是不可逆的，這意味著世間萬物都將淹沒在熱輻射的海洋中。那時，不再有恒星和行星，所有的地方、所有的東西的溫度和能量都一樣。在這個均勻的溫度中，不再有任何改變和發(fā)展，“生命”的現(xiàn)象也滅絕。追溯過去，宇宙具有一個最大有序度的開端？－即現(xiàn)有的宇宙年齡不可能無窮大，宇宙必然有開端。認識宇宙的歷程36史瓦西－非歐幾何宇宙卡爾·史瓦西（KarlSchwarzschild，1873—1916）德國天文學家、物理學家。1900年，從彎曲幾何的理論中，他提出了一個宇宙的新圖景。1900年7月，在海德堡召開的德國天文學會的會議上，他提出，宇宙的幾何性質(zhì)并不像歐幾里得幾何那樣平坦的，而可能是彎曲的非歐幾何。他意識到，如果宇宙有負的曲率，那么恒星的視差角就會有一個極小值，從而可推導出宇宙的曲率半徑必然大于60光年。如果宇宙有正曲率，意味著宇宙是有限而無界的。史瓦西的想法在當時并沒有引起注意。注：視差角就是從兩個不同的地點看同一個物體，視線的夾角。18世紀中期：英國賴特，德國康德，法國朗白爾：恒星可能組成一個有限范圍的偉大體系。太陽在這個體系的中心。對于當時已知的幾個星云天體提出“島宇宙”假設：遠離銀河系以外孤島式的恒星系統(tǒng)；1785年：威廉·赫歇爾：銀河系概念，太陽在銀河系中心附近；1838年：白塞爾：第一個用三角視差方法測出天鵝61的視差

0.31“（現(xiàn)代0.34”）,遠在太陽系之外；1920年代以前：沙普利：大銀河系，太陽不在銀河系中心；沙普利-柯蒂斯大爭論：星云是河外的還是河內(nèi)天體。1922：哈勃：測定M31的距離，證明星云是河外天體，開創(chuàng)河外星系天文學。河外星系的發(fā)現(xiàn)將宇宙的尺度大大的擴展。37認識宇宙的歷程（1.4）現(xiàn)代宇宙學

根據(jù)理論模型可以計算，可以預言，可與觀測比較的科學。它建立在廣義相對論和宇宙學原理基礎之上，并運用了幾乎所有的現(xiàn)代物理知識。

1917年愛因斯坦：提出引力場方程：提出靜止宇宙解，引進宇宙學常數(shù)，開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學；1929年哈勃發(fā)現(xiàn)哈勃定律：宇宙在膨脹，開創(chuàng)觀測宇宙學；1917年弗里德曼：用愛因斯坦方程導出了膨脹宇宙解；

1948年伽莫夫：“大爆炸”宇宙學模型，并提出原初核合成理論和背景溫度；1965年彭齊亞斯和威爾遜：發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射；1981年古斯：提出宇宙暴漲理論；1998年：遙遠的超新星觀測發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹

（2011年諾貝爾物理學獎）。38認識宇宙的歷程愛因斯坦－靜而實的宇宙1915年11月，愛因斯坦建立了廣義相對論。1917年2月，他發(fā)表了把新理論用于整個宇宙的成果，建立了現(xiàn)代宇宙學的第一個宇宙模型。引力場方程組的每一個解都表示一個可能的宇宙。根據(jù)引力場方程，他得不到任何靜止的宇宙模型，要么膨脹，要么收縮。但對于1917年的愛因斯坦來說，空間可以彎曲，但空間作為恒星運動的場所必須是靜止的、固定的。要得到靜止宇宙的唯一方法，往他的方程組引入一個可能存在的項。這樣宇宙既不會膨脹，也不會收縮，這就是愛因斯坦的靜態(tài)宇宙。愛因斯坦的宇宙是一個有限無界的、自無窮過去到無窮將來都存在的彎曲空間。這是他的非凡方程組的第一個產(chǎn)物，但方程組給出的信息卻是：宇宙并不想靜止。認識宇宙的歷程39德希特－動而空的宇宙緊隨其后研究愛因斯坦方程組的是著名荷蘭天文學家威廉·德希特（1872－1934）。他保留了愛因斯坦的排斥力，但又設定宇宙的物質(zhì)密度為零。當然，真實宇宙不是空的。德希特假設物質(zhì)密度非常低，因此產(chǎn)生的引力與排斥力相比完全可以忽略。德希特宇宙的空間是歐幾里得的，因而是無限的。宇宙空間在場方程中排斥力的作用下加速膨脹。德希特的宇宙對我們現(xiàn)在的宇宙學研究非常重要。它有一些特點：宇宙體積越來越大，沒有開始，也沒有結束；逆時間回溯，體積越來越小，但不會為零，也不會有大小為零而物質(zhì)密度為無窮大的明顯開端；膨脹速率恒定。認識宇宙的歷程40弗里德曼－動而實的宇宙亞歷山大·弗里德曼（1888－1925），俄國-蘇聯(lián)數(shù)學家、氣象學家、宇宙學家。俄國另一位著名宇宙學家喬治·伽莫夫是弗里德曼的學生。1920年開始，他詳細地學習了愛因斯坦的廣義相對論，并著手尋找比愛因斯坦和德希特更一般的解，同時保留他們關于宇宙各處各方向都一樣的假設。用數(shù)學方式提出宇宙模型的第一人，1922年發(fā)現(xiàn)了廣義相對論引力場方程的一個重要的解，即弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(guī)。1924年他在發(fā)表的論文闡述了膨脹宇宙的思想，即曲率分別為正、負、零時的三種情況，稱為弗里德曼宇宙模型?！八娜蝿帐前凳緪垡蛩固狗匠探M可能存在這樣的解，并且物理學家們可像他們所期待的研究這些解?！闭J識宇宙的歷程41首先，他發(fā)現(xiàn)了一種有限的“閉合”宇宙。正曲率空間，從有限的過去開始膨脹，到一個極大值后又開始收縮，直到有限未來的眾多－－這種宇宙會周期性地膨脹和收縮，在一個無窮的序列中振蕩。場方程組的另一類解，有著“開放”的空間，負曲率，宇宙體積無限膨脹。弗里德曼第一個發(fā)現(xiàn)愛因斯坦方程組允許膨脹或收縮的宇宙包含普通物質(zhì)（如行星和恒星）。他未受天文學觀測啟發(fā)產(chǎn)生這個想法，也未拘泥于宇宙的開始或結束所包含的物理學意義。他描述了一種從虛無中產(chǎn)生（又從虛無中消失）的宇宙。但在當時，他的重大發(fā)現(xiàn)并沒有被人注意（愛因斯坦認為他的論文有一些關鍵性計算錯誤）。認識宇宙的歷程42勒梅特的宇宙勒梅特（Lemaitre,Georges，1894－1966)）比利時天文學家和宇宙學家。1923-1924年間在劍橋大學師從愛丁頓（當時世界上最有造詣的天體物理學家），后到美國麻省理工學院學習，在那里他了解了美國天文學家E.P.哈勃的發(fā)現(xiàn)和H.沙普利有關宇宙膨脹的研究。他提出現(xiàn)代大爆炸理論。1927年，發(fā)表一篇重要論文，第一次把愛因斯坦方程組的膨脹宇宙解及其物理學解釋，同遙遠星光由于多普勒效應而產(chǎn)生紅移的計算結合起來。他認為宇宙沒有中心也沒有邊界，可以有限也可以無限。他證明，愛因斯坦的宇宙不穩(wěn)定。如果宇宙開始于一個靜止的狀態(tài)，那么其中的任何擾動或運動就會使得宇宙進入膨脹或收縮的狀態(tài)。認識宇宙的歷程431927年論文中的宇宙模型：1.宇宙有個有限的過去，并且從一個炙熱的開端開始膨脹，先是減速膨脹，待宇宙學常數(shù)的排斥力占據(jù)主導，超過引力之后，逐漸變成加速膨脹，最后一直加速膨脹下去，走向德希特的指數(shù)膨脹宇宙。2.宇宙有正的空間曲率、正的宇宙學常數(shù)。勒梅特的宇宙是關于現(xiàn)實宇宙的最精確的描述。認識宇宙的歷程44減速膨脹加速膨脹認識宇宙的歷程45各種可能的宇宙模型按照宇宙模型的曲率和宇宙學常數(shù)得出的分類勒梅特的精辟分析讓宇宙學家們得以直接研究各向同性、均勻膨脹宇宙的集錦。只有兩個變量：空間曲率（正、負或零），宇宙學常數(shù)（排斥、吸引或零）。托爾曼－振蕩宇宙理查德·托爾曼（1881-1948），加州理工學院物理化學和數(shù)學物理專業(yè)的教授，對熱力學有獨特的興趣。弗里德曼的開創(chuàng)性研究第一次提出了體積膨脹到最大后又收縮到零的宇宙。這暗示一種可能性：存在一系列這樣首尾相接的循環(huán)。從宇宙學的角度講，一個閉合的宇宙，從過去到未來永遠在振蕩。那問題是，所有的循環(huán)都一樣嗎？1932年，托爾曼開始考慮這個問題。他想，如果在愛因斯坦方程組的無限循環(huán)振蕩宇宙解中，應用熱力學第二定律會怎么樣？托爾曼證明振蕩宇宙的每個周期不可能和前一個周期完全相同。恒星和其他發(fā)光體發(fā)出輻射，每個周期空間中光子的數(shù)量都在增加，即熵較前一個周期會增加。因此，宇宙在每個周期里都會比前一個膨脹得更大一些，且壽命在增加。認識宇宙的歷程46回溯這種宇宙，在很久以前，這種宇宙必然非常小，以至于量子效應主導引力行為，場方程失效。每次宇宙收縮到零的時候，場方程也不成立。然而，如果有新的量子引力機制使得宇宙在很小但不為零的尺寸下發(fā)生反彈，不斷增長的循環(huán)振蕩宇宙是有可能的。1995年，東布羅夫斯基和約翰·D巴羅發(fā)現(xiàn)，如果場方程存在排斥性的宇宙學常數(shù)，無論數(shù)值多小，最終會導致振蕩結束，宇宙膨脹開始加速。認識宇宙的歷程47托爾曼的振蕩宇宙狄拉克的宇宙－引力變化保羅·狄拉克（PaulDirac，1902－1984），被稱為20世紀英國最偉大的物理學家，量子力學的創(chuàng)始者之一，因狄拉克方程獲1933年諾貝爾獎，該方程從理論上預言正電子的存在。他認為，如果在物理學中碰到巨大的無量綱量，它們不太可能是相互獨立、無關的，很有可能存在一個未被揭示的自然數(shù)學法則，會將這些量聯(lián)系在一起－－狄拉克的大數(shù)假設。1938年，他寫了一篇關于宇宙學的論文。他發(fā)現(xiàn)的大數(shù)共有三組，其中包括宇宙年齡、光速、電子質(zhì)量、質(zhì)子質(zhì)量以及牛頓引力常數(shù)。從這些量中他構造了下面三個數(shù)：N1=可觀測宇宙的尺寸和電子半徑的比值=ct/(e2/mec2)≈1040N2=電子和質(zhì)子之間電磁力和引力的比值=e2/Gmemp≈1040N

=可觀測宇宙中質(zhì)子的總數(shù)=c3t/Gmp≈1080根據(jù)假設，N1、N2和N0.5在非常精確的近似下可能相等。認識宇宙的歷程48狄拉克的大數(shù)假設的含義是，一系列自然界的經(jīng)典常數(shù)必然隨宇宙年齡t的增加而變化，他要求N1≈N2

≈N0.5

≈t所以，這三個經(jīng)典自然常數(shù)的組合并不是常數(shù)。于是狄拉克拋棄了牛頓宇宙學常數(shù)G的不變性。他提出，在宇宙的時間尺度上，G與宇宙年齡成反比：G∝1/t狄拉克的結論有三個關鍵要素：首先，他試圖證明，以前人們認為是巧合的事情實際上是一些被忽略的深刻聯(lián)系的結果；其次，他斷定，空間曲率和宇宙學常數(shù)必然為零，否則這些數(shù)值會不斷變大；最后，他犧牲了G的不變性，他假設以前的引力更強。但他的這些假設存活時間并不長。因為引力變化會導致太陽以前輻射更強，那從前的地球會比通常認為的更熱，導致生命無法演化至今。但狄拉克的想法還是啟發(fā)我們，探索宇宙學模型的新可能。認識宇宙的歷程49栗弗席茲－被擾動的宇宙伊夫金·栗弗席茲（1915－1985），朗道最著名的學生，前蘇聯(lián)著名理論物理學家，蘇聯(lián)科學院院土。栗弗席茲一生主要研究固體物理、引力理論和宇宙學，取得了一系列極其重要的研究成果。與朗道合著《理論物理學教程》。當時的科學家們開始對各向異性、非均勻的宇宙產(chǎn)生興趣。研究這種宇宙模型明顯更有現(xiàn)實意義，因為真實的宇宙并不是完全光滑、各向同性的。栗弗席茲的著眼點在數(shù)學方面，而非天文學。他用一種物理學中很普通的方法來研究這個問題：先求得一個簡單的精確解，然后對它進行小幅度的擾動，看看結果會如何變化。1946年，他的一篇論文發(fā)表在蘇聯(lián)的學術期刊上，文中研究了弗里德曼的各向同性、均勻宇宙在微擾下的演化行為。但他只是把它當作純數(shù)學問題來研究，而沒有同“宇宙中為什么會存在星系這樣的不均勻結構”的問題聯(lián)系起來。認識宇宙的歷程50他證明，這種宇宙可以存在三種不規(guī)則性：1.簡單地讓物質(zhì)密度的大小隨地點變化；2.讓物質(zhì)緩慢地轉動；3.向光滑的空間中引入微小的引力波漣漪。如果這三種不規(guī)則性的幅度很小，它們之間就不會相互影響；但如果幅度很大，情況就相反了。栗弗席茲證明，密度分布的微小差異會隨時間的推移而變得越來越明顯（這種過程稱為“引力不穩(wěn)定性”）。如果宇宙開始時接近各向同性、均勻的狀態(tài)，那么隨著宇宙的膨脹，密度的不均勻就會越來越明顯。這是第一次有人通過計算得出，各向同性、均勻的宇宙其實很特殊。經(jīng)過一百多億年的膨脹，宇宙中的不均勻性并不明顯，說明約140億年前，宇宙初始的不均勻性非常小。栗弗席茲的研究是宇宙學研究的一個里程碑。如今，我們在觀測宇宙的微波背景輻射和星系群的結構時，就會看到這三種微擾留下的各種影響。認識宇宙的歷程51薛定諤的宇宙－量子效應埃爾溫·薛定諤（1887－1961），奧地利物理學家。1926年發(fā)現(xiàn)的薛定諤方程，是數(shù)學物理領域中最重要的方程，為量子力學奠定了堅實的基礎。因而與狄拉克共獲1933年諾貝爾物理學獎。薛定諤對廣義相對論預言的宇宙膨脹產(chǎn)生了濃厚的興趣。他在宇宙學研究中的首次試水，就是想知道量子力學能在宇宙學中預言什么。1939年，他決定先研究膨脹宇宙中的波動行為。結果不但深入了解了通常的聲波和光波在膨脹宇宙中的行為，更闡述了量子的波動的傳播機制。他發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹的過程會把其中的量子真空的能量轉化為真實存在的、可測量的粒子。可惜，薛定諤的重要發(fā)現(xiàn)當時無人喝彩。1939年的宇宙學家們還沒有做好迎接量子力學的準備。認識宇宙的歷程52他研究發(fā)現(xiàn)：如果宇宙不膨脹，真空中會有成對的粒子和反粒子不斷產(chǎn)生，然后有湮滅成輻射。在這個過程中能量是守恒的，而這個沸騰的景象描述的就是量子真空。然而，如果真空所在的空間膨脹得非?？?，或是處在一個極度不均勻的引力場的作用下，那么真空中的粒子和反粒子就會被不同的作用力拉開，無法在湮滅成輻射。因此，真實的、探測得到的粒子和反粒子就出現(xiàn)了。當時，薛定諤并不覺得這個過程對膨脹的宇宙有多重要。因為在今天的宇宙中這種效應太微弱，不影響宇宙的演化行為。然而，在宇宙膨脹的最初階段，膨脹速率高得驚人，輻射的能量密度比今天高出近10128倍，粒子對產(chǎn)生的過程不能忽略。宇宙現(xiàn)在的某些特點可能就是這個過程所導致的。認識宇宙的歷程53霍伊爾－穩(wěn)恒態(tài)宇宙弗雷德·霍伊爾（FredHoyle?，1915—2001），英國著名天文學家。1948年，霍伊爾同湯米·戈爾德和赫爾曼·邦迪一起創(chuàng)立了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。1960年代，越來越多的證據(jù)令大爆炸宇宙模型為人們廣泛接受，然而霍伊爾一直堅持自己的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。英文“大爆炸”一詞最初就是1949年霍伊爾在BBC的一次廣播節(jié)目中首先使用的，本意是嘲笑大爆炸模型。在他看來，大爆炸模型最初的“奇點”難以令人接受?；粢翣栔饕浅鲇谡軐W方面的考慮反對大爆炸宇宙模型。他認為，假如宇宙有生有滅，物理學規(guī)律就會失去普遍性。從某種意義上說，科學本身的基礎就不復存在。排除這種荒謬性的唯一方案，就是時空必定是一直存在著。這樣他們?nèi)司吞岢隽酥姆€(wěn)恒態(tài)理論－宇宙從古至今、從頭到尾都是一樣的，稱為完全宇宙學原理。認識宇宙的歷程54該理論假設宇宙在時間和空間上是無限的，并且通過一種尚不可知的機制不斷產(chǎn)生新物質(zhì)：星系在相互遠離，但中間因為不斷有新物質(zhì)產(chǎn)生，形成新的恒星和星系。這樣使宇宙在整體上仍保持著均衡和穩(wěn)定，這就好比一條河，河里的每個水分子都在運動，但河流作為整體卻萬古不變。有人指責該模型中物質(zhì)從無中創(chuàng)生，違反了能量守恒。但霍伊爾同樣有理由指責大爆炸理論引入密度無限大奇點違反了物理學規(guī)律，所以他的模型與大爆炸理論不分伯仲。然而，20世紀60年代初，微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)給大爆炸理論提供了有力的支持，從此穩(wěn)恒態(tài)理論的風光不再?；粢翣栕约阂惨欢确艞壛诉@個理論。20世紀80年代，宇宙學家們?yōu)榱私忉屝窍敌纬珊推渌╇y題而引入暴漲、暗物質(zhì)等玄乎的概念時，他的疑慮又出現(xiàn)了。于是，在做了一些改進后，他再次提出了穩(wěn)恒態(tài)理論，認為在宇宙的演化過程中，不是只存在著一次大爆炸，而是有許多小爆炸誕生。認識宇宙的歷程552、靜態(tài)宇宙和奧勃斯佯謬（2.1）靜態(tài)宇宙：愛因斯坦時代以前主導的觀點基本觀點:宇宙是永恒的,穩(wěn)定的存在問題:物質(zhì)的存在引力塌縮不穩(wěn)定解決辦法: (a)宇宙在空間和質(zhì)量上無限大

(b)宇宙在膨脹

(c)宇宙有起點和終點(b),(c)違反基本觀點,即宇宙是永恒和穩(wěn)定的.

宇宙是無限大的56認識宇宙的歷程（2.2）奧勃斯佯謬(Olbers’Paradox)如果宇宙是無限的,恒星的分布是均勻的,那么任意視線方向上都有一顆恒星.

夜空應該是亮的靜態(tài)宇宙有問題宇宙在膨脹，存在視界57認識宇宙的歷程奧勃斯佯謬的現(xiàn)代解釋1每顆恒星只在有限的時間內(nèi)產(chǎn)生輻射2宇宙在膨脹，星系遠離我們而去，發(fā)出的光子發(fā)生紅移3宇宙的年齡有限，遙遠恒星的光子尚未到達地球4我們只可能觀測到宇宙視界內(nèi)天體的輻射(天體的退行速度達到光速的范圍)58認識宇宙的歷程3、宇宙的距離尺度河內(nèi)天體的距離測定河外天體的距離測定認識宇宙的歷程59天體測距方法60天體的距離單位

1天文單位(AU)=太陽到地球的平均距離

1.5108公里（1.5億公里）

1光年(ly)

0.951013公里光在1年里走過的路程

1秒差距(pc)

3

1013公里

1秒差距3.26光年~20萬天文單位

1千秒差距

=103

秒差距(星系尺度) 1兆秒差距

=106秒差距(宇宙尺度)認識宇宙的歷程三角視差法光譜分析法造父變星100PC以內(nèi)100PC~1000萬光年1000萬光年以上的恒星和近星系哈勃定律遙遠星系距離的測量61認識宇宙的歷程河內(nèi)天體的距離測定用三角視差法測定恒星的距離視差：被觀測天體對兩個觀測位置間距離的張角。ERDM

062認識宇宙的歷程三角視差法分光視差認識宇宙的歷程63對于距離超過110pc的恒星，三角視差已無法測定。分光視差方法的核心是根據(jù)恒星的譜線強度去確定恒星的光度，因而也稱為光度視差。知道了恒星的光度，即絕對星等M，由觀測得到視星等m，便由距離模數(shù)μ得出距離r距離模數(shù)（Distancemodulus）是經(jīng)常用于天文學上表示距離的一種方法。星體的視星等，絕對星等，而以秒差距(Parsec,縮寫為pc)為單位的星體距離是，三者間的關系稱為距離模數(shù)。造父視差