天文學(xué)課件之9

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1、大學(xué)物理第九章宇宙學(xué)牛頓的靜態(tài)宇宙觀愛因斯坦的有限無界宇宙模型伽莫夫的大爆炸宇宙論標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型宇宙早期的暴漲模型暗物質(zhì)與暗能量奇點問題往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。－《淮南子·齊俗訓(xùn)》大學(xué)物理9.1牛頓的靜態(tài)宇宙觀中國古代的宇宙觀蓋天說（周初）：地是平坦的，天如傘一樣覆蓋大地。渾天說（戰(zhàn)國）：天地有蛋形結(jié)構(gòu)，地在中心，天在地周圍。宣夜說（戰(zhàn)國）：天無限而空虛，星辰懸浮空虛之中。7世紀(jì)　牛頓開創(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)。大學(xué)物理牛頓靜態(tài)宇宙觀的精髓：絕對空間是靜止不動的。絕對時間是永遠(yuǎn)流逝的。空間和時間都永無止境，沒有起源，沒

2、有終點。大學(xué)物理奧伯斯佯謬由德國的醫(yī)生兼業(yè)余天文學(xué)家奧伯斯于1823年提出，于1826年修訂。　　確切的表述是，如果宇宙是穩(wěn)恒，無限大，時空平直的，其中均勻分布著同樣的發(fā)光體，由于發(fā)光體的照度與距離的平方成反比，而一定距離上球殼內(nèi)的發(fā)光體數(shù)目和距離的平方成正比，這樣就使得對全部發(fā)光體的照度的積分不收斂，黑夜的天空應(yīng)當(dāng)是無限亮的。大學(xué)物理如何擺脫奧伯斯佯謬?佯謬的前提即是牛頓靜態(tài)宇宙觀，它涉及的相關(guān)命題有四個：1.宇宙是無限的2.宇宙中到處都有大致上均勻分布的恒星，恒星的總數(shù)無限大。3.宇宙是靜止的，沒有變化的。4.宇宙存在的時間是無限長的。至

3、少要推翻其中一個命題，才能擺脫奧伯斯佯謬大學(xué)物理9.2愛因斯坦宇宙模型1917年愛因斯坦根據(jù)廣義相對論建立了一個“靜止、有限、無界”的宇宙模型，引進(jìn)宇宙學(xué)原理、彎曲時空等概念，從而開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的時代。1922年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼探討非靜態(tài)宇宙及宇宙膨脹的可能性。1927年比利時主教、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)。大學(xué)物理1.宇宙學(xué)原理(1)宇宙中的物質(zhì)是均勻分布的迄今沒有發(fā)現(xiàn)尺度超過200Mpc的結(jié)構(gòu)→

4、宇宙是無邊界的約100萬個星系在30度天空范圍和20億光年距離內(nèi)的分布大學(xué)物理(2)宇宙是各向同性的→宇宙沒有中心大學(xué)物理2.Einstein靜態(tài)宇宙模型1915年Einstein建立廣義相對論物質(zhì)?引力?時空彎曲1917年Einstein將廣義相對論引力場方程應(yīng)用于宇宙的結(jié)構(gòu)。在假設(shè)宇宙是無限大的、均勻的前提下，Einstein發(fā)現(xiàn)方程的解是不穩(wěn)定的，表明宇宙在膨脹或者收縮。Einstein認(rèn)為宇宙應(yīng)該是永恒的、穩(wěn)定的。為求引力場方程的均勻的和各向同性的解，Einstein加入一個起斥力作用“宇宙常數(shù)”Λ項，得到一個靜態(tài)宇宙模型（有限無邊，沒

5、有中心）。大學(xué)物理3.Friedman膨脹宇宙模型1922年，俄國數(shù)學(xué)家A.Friedman求得不含“宇宙常數(shù)”項的引力場方程的均勻的和各向同性的通解。在這個模型中宇宙是膨脹的，膨脹宇宙的演化取決于宇宙中的物質(zhì)自引力或密度ρ的大小。宇宙總能量E=T+U=mV2/2–GMm/r=mH2r2/2–(4πr3/3)Gmρ/r=mr2(H2/2–4πGρ/3)→當(dāng)ρ=ρc=3H2/(8πG)≈8×10-30gcm-3時，E=0大學(xué)物理宇宙的未來定義宇宙密度參數(shù)Ω0=ρ/ρcΩ0>1,束縛宇宙Ω0<1,開放宇宙Ω0=1,臨界束縛宇宙Ω0的測定在一個很大的

6、空間內(nèi)測量星系的質(zhì)量Ω0≈0.01.如果宇宙中的物質(zhì)絕大部分由暗物質(zhì)構(gòu)成Ω0≈0.3-0.4大學(xué)物理宇宙的未來Ω0>1,膨脹→收縮Ω0<1,無限膨脹Ω0=1,無限膨脹熱死亡振蕩冷死亡大學(xué)物理宇宙的位形Ω0=1,零曲率，平直宇宙Ω0>1,正曲率，封閉宇宙Ω0<1,負(fù)曲率，開放宇宙大學(xué)物理4.Lemaitre的原始原子理論1927年，比利時教士和天文學(xué)家G.Lematire重新得到Einstein引力場方程的Friedman解。Lematire指出哈勃觀測到的宇宙膨脹現(xiàn)象正是Einstein引力場方程所預(yù)言的。因此，過去的宇宙必定比今天的宇宙占有較

7、小的空間的尺度。并且，宇宙有一個起始之點，稱為“原始原子”。對奧伯斯佯謬的現(xiàn)代解釋由于宇宙膨脹，星系在離我們遠(yuǎn)去，發(fā)出的光子發(fā)生紅移宇宙的年齡不是無限的，遙遠(yuǎn)恒星的光子迄今尚未到達(dá)地球。我們只可能觀測到宇宙視界（天體的退行速度達(dá)到光速處）內(nèi)的天體的輻射。大學(xué)物理5.大爆炸宇宙學(xué)1940sGamov和Alpher首先提出宇宙起源于約150億年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空間的膨脹，物質(zhì)則隨著空間膨脹（宇宙是無中心的）。隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)成物質(zhì)的原初元素相繼形成。GeorgeGamov大學(xué)物理1948年，伽莫夫和他的學(xué)生阿爾法合寫了一

8、篇著名論文，系統(tǒng)地提出了宇宙起源和演化的理論。與我們慣常的想法不同，這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是發(fā)生在一個確定的點，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而