《宇宙学常识》PPT课件
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关于星空和宇宙的一些常识
和当今的一些猜想
物理科学与工程技术学院
为了什么？
一. 意义 二. 星空 三. 宇宙学实验、模型和猜想 四. 展望
一. 意义
.
4
Record of SUPERNOVA on ORACLE 1300 BC
1405－33，郑和七下西洋 1492，哥伦布发现新大陆， 1519－21，麦
.
31
十个里程碑
陆埮院士,中国科学院 紫金山天文台
支配宇宙的力（万有引力）的发现（Kepler1619,Newton1687） 星系与大尺度结构的发现（Shapley1918,Hubble1923） 广义相对论的创建：正确的研究框架(Einstein,1916) 宇宙膨胀的发现（Hubble1929,Friedmann1922） 大爆炸宇宙学的提出与检验（Penzias+Wilson1965, Gamow 1948 ） 暗物质的发现( Zwicky 1933, 众人1984以后认为非重子暗物质为主) 暴胀宇宙学（80‘） 宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出） (~2003) 微波背景辐射各向异性的发现(1992-2003) 精确宇宙学－和谐宇宙学（2000-）
天
椭
银 麦本 玉大 室 后 ?
宇
狼
球
河 哲星 夫熊 女 发
宙
星
星
系 伦系 座座 星 星
边
系
半 星群 星星 系 系
缘
尺
径 云 系系 团 团
？
度
群群
泡沫状结构： 超团分布在超空洞的壁上
超团，超空洞
三. 宇宙学实验和模型
.
29
《辞海》（上海辞书出版社1999）
宇宙：
• 天地万物的总称
• 四方上下曰宇，古往今来曰宙
3维空间的曲率＝k/R2(t) 半径为r的“3维空间圆面积”＝4R2 (t)r 2 宇宙的 “3维空间体积”＝2 2R3(t)
R(t)有点像宇宙半径！
爱因斯坦宇宙
3 c2
P
c2
4G
R 0
静态
线元：d2 s R 2 { d2 /r 1 ( r 2 ) r 2 (d2 s2 id n 2 )}
Open Cluster
NGC 290 lies about 200,000 light-years distant in a neighboring galaxy called the Small Cloud of Magellan (SMC).
Ferdinand Magellan and his crew had plenty of time to study the southern sky during the first circumnavigation of planet Earth (1492).
由Λ＝0的爱因斯坦场方程得
244
8GN
c2
与牛顿引力方程一致： 24GN
.
45
宇宙学原理和Robertson-Walker度规
宇宙学原理：在大于108pc的尺度，宇宙可以看 作是均匀和各向同性的。
Robertson-Walker度规（数学）
d2sR 2(t) 1 dk2r 2 rr2d2r2si2 nd2 d2t
.
57
哈勃常数测定的变迁
1929年，哈勃本人首次给出H0＝500（km s-1 Mpc-1）
1936年，哈勃考虑到星际消光的影响，将哈勃常数改 为H0=526, 误差15%。（由此给出的宇宙哈勃年龄 很短，只有H0-1 = 1.84108 年。）
1956年，Humasion等人给出H0 = 180。 1961年，Sandage等人给出H0 = 98±15。 1970’s年， Sandage等人给出H0 = 50.3±4.3;
1913年（美国） H.N.Russell 光度－谱型
可利用它测量恒星距离（小于3万光年）
L
主序列
原
原恒星的寿命：
恒
星
t ~ V GM 2
阶
2 L 2 RL
段
~ 10 7 a
sun
太阳寿命～ 10 10 年
太阳年龄～ 5109 年
Ts
主序星是恒星的第一阶段：
以氢为燃料，维持力学、热学平衡。
恒星的谢幕：通过抛出物质死亡，在中间留下中子星。
恒星形成
Jeans 密度涨落机制
某区域的气体在自身引力作用下向其质心坍 缩，直至达到力学平衡——形成原恒星。
这是一个很快的过程。 恒星不是逐个地形成的，而是成批地形成的。
原恒星在星云中形成时的手指结构，照片中是老 鹰星云M16中的情景，三个柱状气体云顶端可见一些突 出的手指一样的结构，其顶端就是一个原恒星。
de Vaculear等人给出H0 = 100 ± 10。
目前（2002）值：H0=(71±7)0.951.15 1/H0=(1.38 0.14)1010 年
.
40
何为弯曲空间？
| r | r r (x x )2 (y y )2 (z z )2 d2 sa 2 (d)2 a 2s2 i( n d)2
Y
B
弯曲的曲 面可以有 限但无边
A
X
曲率 R 2
a2
.
41
一般的 d 维弯曲空间 线元长度的平方可现成：
坐标 度规场
d
ds2 g(x)dxdx ,
哲伦环球航行 1602，荷兰东印度公司成立
航海：指南针和观星术
Tycho 1570-1601
Observatory on Hven
5% of its Gross National Product of Denmark
On 11th November 1572 the constellation of Cassiopeia 仙后座.
如果无限，问： 1）Olbers之谜(夜里为什么天黑？) 2）Sieliger之谜( 2 4G 无解)
.
37
Olbers 之谜
亮度与距离平方成反比。 不同距离上贡献的总亮度是一 样的。 无限大空间贡献的将是无限亮。 黑夜应当是明亮的(无限亮)。
.
38
Sieliger 之谜
引力也是与距离平方成反比。
.
46
d2sR 2(t) 1 dk2r 2 rr2d2r2si2 nd2 d2t
• r,θ,Φ是规定在介质上的共动坐标，t是固有时。 • k称为曲率因子，当k=-1,0,+1分别对应三维空 间的负、零和正曲率。 • R(t)是一个空间尺度因子，称为宇宙标度因子 （与前面定义的标量曲率意义不同）。
宋朝（1054）
金牛座 星蟹状星云
仙女座大星云
河外星系---银河 系的邻近星系
与银河系很相似
星系在宇宙中的分布 比较均匀
.
25
星系种种
.
26
星系团-Tyson照片
黄色的天体构 成星系团
暗弱的兰色星 系构成弧状， 是远处星系的 引力透镜像
.
27
单位pc,
1pc=3.26光年
1
10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010
猎户座马头星云中的原恒星形 成(哈伯望远镜)。
原恒星收缩要释放引力势能，其中一部 分转化成动能，从而使中心区温度升高。
当中心温度升到107K左右，核心区将发生 氢转化为氦的热核反应。
逐渐地，热核反应释放的能量足以补偿 星体表面的辐射能，星体的缓慢收缩结束， 终于成为一颗恒星。
赫罗图
1907-1911年(丹麦) E.Hertzsprung 光度－颜色
• 宇宙是物质世界，不依赖于人的意识而客观
？？？？ 存在，并处在不断的运动和发展中，在时间
上没有开始开始没有终了，在空间上没有边 界没有尽头。
.
30
物理的宇宙
宇宙＝时空＋非时空部分 宇宙＝所有存在，包括物质和能量 宇宙＝和人有关的宇宙 宇宙＝空间尺度109~1010pc？
时间尺度<1010年？
11
二. 星空
.
12
秋夜星空
共88个星座 室女座virgo
.
13
Milky Way Galaxy
银河系示意图
几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘 厚度范围内的星体。
.
15
Of the 200 or so globular clusters that survive today, M3 is one of the largest and brightest, easily visible in the Northern hemisphere with binoculars. M3 contains about half a million stars, most of which are old and red. Light takes about 35,000 years to reach us from M3, which spans about 150 light years.
700 b.c.
Βιβλιοθήκη Baidu
宇宙初始形成遵循什么规律？
宇宙形成之前又如何考究？
深遂的宇宙有限还是无限？
如何认识复杂的宇宙？
.
10
温家宝：
一个民族有一些关 注天空的人，他们才有 希望；一个民族只是关 心脚下的事情，那是没 有未来的。
希望同学们经常仰 望天空，学会做人，学 会思考……
.
《羊城晚报》 2007年5月17日
从无限宇宙来看，引力势会 出现无限大或不确定。
设宇宙是各向同性的。
m的引力势等于绿色球的质
量全部集中在圆心在m处产
生的引力势。但对无限宇宙，
绿色球的大小不确定。
.
39
广义相对论
• 物质和能量使空间弯曲
• 空间弯曲等于引力场
• 自由落体沿弯曲空间的短程 线运动（使原时最短），不 用计算引力的作用。
Tycho Brahe
2004年5月22日X-ray image by
Chandra Observatory
Johannes Kepler, 1571-1630
T = k R3/2
.
8
对科学没有任何促进！ 为什么？ 没有科学精神！
北京的第谷观星台 康熙十三年（1674）
宇宙学的科学动机：求知
屈原《天问》
.
32
1. 广义相对论的创建
—— 正确的研究框架
.
33
用108pc的尺子看宇宙
T
可能一切都变得简单：
密度：
温度： T
宇宙学原理：均匀，各向同性
.
34
学术价值定律
简单问题 困难答案
高价值
宇宙学迷人之处！
.
35
牛顿力学不能为宇宙学提供正确的研究框架 （无论有限还是无限）
如果有限，问：
1）中心在哪里？ 2）边界在哪里？边界外是什么？
爱因斯坦引力场方程
描写弯曲的几何量 ～ 物质量（与能量和动量有关的量）
爱因斯坦张量 能量动量密度张量
GR12gR T
爱因斯坦引力场方程
G (x) g8cG 4NT(x)
Λ 宇宙常数
标准模型Λ＝0
.
44
牛顿极限——缓变弱场极限
在缓变弱场极限下 g ||1
由短程线方程得
x(x)
(x)
c2 2
44
利用质点的能量动量密度张量 Tuu
空间有限而无边，时间无限 爱因斯坦模型经不起微扰，不稳定 这是第一个现代宇宙学模型
如果没有Λ项，爱因斯坦方程不允许静止宇宙解。
.
48
宇宙是稳定的吗？
.
49
2.宇宙膨胀的发现
哈勃红移定律
星系红移量 Z (e)/e (H 0/c )D
哈勃常数（1929)
即退行速度 v H0D
H0~50k0m /s/Mpc
k 1 k 0 k 1
宇宙膨胀曲线
k=+1 封闭，有限
k=0 平直，无限
k=–1 开放，无限
.
56
3.大爆炸宇宙学的提出
根据膨胀倒退回去，必有个起始点
膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝 热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段
可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、 各种物理过程的发生以及引起的各种观 测特征
x{x|1,2, ,d}
g (x)
引力场
物理时空：d=4
x4 ict
四阶黎曼曲率张量 R x x
仿射联络
1 2g gx g xgx
二阶里兹（Ricci）张量
R R
总曲率（标量）
R gR
质点的短程线方程
Bd1B d2s0
A
cA
d2x
d2
ddx
ddx0
相当于仅受引力作用的 质点的牛顿第二定律
Einstein场方程：
质量守恒
d(R3) PdR3
物态方程
P P()
.
54
可证，哈勃常数
H0
R 0 R0
H02R k0c22 83GN 0
临界0 c密 8 3 H G 0 N 2度 1 .8 8 ： 1 2 0h 9 0 2g/3 c
00/0c
0 0c
0 0c
0 0c
0 1 0 1 0 1
.
50
v H0D 离我们越远，退行速度越大：宇宙膨胀！
d+s
2d+2s
3d+3s
O
A1
A2
A3
d
2d
3d
哈勃
红移定律
各向同性
.
52
近日由Ia型超新星确定的H0
H0 100h0 km/(s.Mpc) h00.710.07
Friedmann宇宙模型
动态宇宙，R-W度规， Λ＝0
d 2 s R 2 ( t)d { 2 /1 r ( r 2 ) r 2 ( d2 s2 id n 2 )}
和当今的一些猜想
物理科学与工程技术学院
为了什么？
一. 意义 二. 星空 三. 宇宙学实验、模型和猜想 四. 展望
一. 意义
.
4
Record of SUPERNOVA on ORACLE 1300 BC
1405－33，郑和七下西洋 1492，哥伦布发现新大陆， 1519－21，麦
.
31
十个里程碑
陆埮院士,中国科学院 紫金山天文台
支配宇宙的力（万有引力）的发现（Kepler1619,Newton1687） 星系与大尺度结构的发现（Shapley1918,Hubble1923） 广义相对论的创建：正确的研究框架(Einstein,1916) 宇宙膨胀的发现（Hubble1929,Friedmann1922） 大爆炸宇宙学的提出与检验（Penzias+Wilson1965, Gamow 1948 ） 暗物质的发现( Zwicky 1933, 众人1984以后认为非重子暗物质为主) 暴胀宇宙学（80‘） 宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出） (~2003) 微波背景辐射各向异性的发现(1992-2003) 精确宇宙学－和谐宇宙学（2000-）
天
椭
银 麦本 玉大 室 后 ?
宇
狼
球
河 哲星 夫熊 女 发
宙
星
星
系 伦系 座座 星 星
边
系
半 星群 星星 系 系
缘
尺
径 云 系系 团 团
？
度
群群
泡沫状结构： 超团分布在超空洞的壁上
超团，超空洞
三. 宇宙学实验和模型
.
29
《辞海》（上海辞书出版社1999）
宇宙：
• 天地万物的总称
• 四方上下曰宇，古往今来曰宙
3维空间的曲率＝k/R2(t) 半径为r的“3维空间圆面积”＝4R2 (t)r 2 宇宙的 “3维空间体积”＝2 2R3(t)
R(t)有点像宇宙半径！
爱因斯坦宇宙
3 c2
P
c2
4G
R 0
静态
线元：d2 s R 2 { d2 /r 1 ( r 2 ) r 2 (d2 s2 id n 2 )}
Open Cluster
NGC 290 lies about 200,000 light-years distant in a neighboring galaxy called the Small Cloud of Magellan (SMC).
Ferdinand Magellan and his crew had plenty of time to study the southern sky during the first circumnavigation of planet Earth (1492).
由Λ＝0的爱因斯坦场方程得
244
8GN
c2
与牛顿引力方程一致： 24GN
.
45
宇宙学原理和Robertson-Walker度规
宇宙学原理：在大于108pc的尺度，宇宙可以看 作是均匀和各向同性的。
Robertson-Walker度规（数学）
d2sR 2(t) 1 dk2r 2 rr2d2r2si2 nd2 d2t
.
57
哈勃常数测定的变迁
1929年，哈勃本人首次给出H0＝500（km s-1 Mpc-1）
1936年，哈勃考虑到星际消光的影响，将哈勃常数改 为H0=526, 误差15%。（由此给出的宇宙哈勃年龄 很短，只有H0-1 = 1.84108 年。）
1956年，Humasion等人给出H0 = 180。 1961年，Sandage等人给出H0 = 98±15。 1970’s年， Sandage等人给出H0 = 50.3±4.3;
1913年（美国） H.N.Russell 光度－谱型
可利用它测量恒星距离（小于3万光年）
L
主序列
原
原恒星的寿命：
恒
星
t ~ V GM 2
阶
2 L 2 RL
段
~ 10 7 a
sun
太阳寿命～ 10 10 年
太阳年龄～ 5109 年
Ts
主序星是恒星的第一阶段：
以氢为燃料，维持力学、热学平衡。
恒星的谢幕：通过抛出物质死亡，在中间留下中子星。
恒星形成
Jeans 密度涨落机制
某区域的气体在自身引力作用下向其质心坍 缩，直至达到力学平衡——形成原恒星。
这是一个很快的过程。 恒星不是逐个地形成的，而是成批地形成的。
原恒星在星云中形成时的手指结构，照片中是老 鹰星云M16中的情景，三个柱状气体云顶端可见一些突 出的手指一样的结构，其顶端就是一个原恒星。
de Vaculear等人给出H0 = 100 ± 10。
目前（2002）值：H0=(71±7)0.951.15 1/H0=(1.38 0.14)1010 年
.
40
何为弯曲空间？
| r | r r (x x )2 (y y )2 (z z )2 d2 sa 2 (d)2 a 2s2 i( n d)2
Y
B
弯曲的曲 面可以有 限但无边
A
X
曲率 R 2
a2
.
41
一般的 d 维弯曲空间 线元长度的平方可现成：
坐标 度规场
d
ds2 g(x)dxdx ,
哲伦环球航行 1602，荷兰东印度公司成立
航海：指南针和观星术
Tycho 1570-1601
Observatory on Hven
5% of its Gross National Product of Denmark
On 11th November 1572 the constellation of Cassiopeia 仙后座.
如果无限，问： 1）Olbers之谜(夜里为什么天黑？) 2）Sieliger之谜( 2 4G 无解)
.
37
Olbers 之谜
亮度与距离平方成反比。 不同距离上贡献的总亮度是一 样的。 无限大空间贡献的将是无限亮。 黑夜应当是明亮的(无限亮)。
.
38
Sieliger 之谜
引力也是与距离平方成反比。
.
46
d2sR 2(t) 1 dk2r 2 rr2d2r2si2 nd2 d2t
• r,θ,Φ是规定在介质上的共动坐标，t是固有时。 • k称为曲率因子，当k=-1,0,+1分别对应三维空 间的负、零和正曲率。 • R(t)是一个空间尺度因子，称为宇宙标度因子 （与前面定义的标量曲率意义不同）。
宋朝（1054）
金牛座 星蟹状星云
仙女座大星云
河外星系---银河 系的邻近星系
与银河系很相似
星系在宇宙中的分布 比较均匀
.
25
星系种种
.
26
星系团-Tyson照片
黄色的天体构 成星系团
暗弱的兰色星 系构成弧状， 是远处星系的 引力透镜像
.
27
单位pc,
1pc=3.26光年
1
10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010
猎户座马头星云中的原恒星形 成(哈伯望远镜)。
原恒星收缩要释放引力势能，其中一部 分转化成动能，从而使中心区温度升高。
当中心温度升到107K左右，核心区将发生 氢转化为氦的热核反应。
逐渐地，热核反应释放的能量足以补偿 星体表面的辐射能，星体的缓慢收缩结束， 终于成为一颗恒星。
赫罗图
1907-1911年(丹麦) E.Hertzsprung 光度－颜色
• 宇宙是物质世界，不依赖于人的意识而客观
？？？？ 存在，并处在不断的运动和发展中，在时间
上没有开始开始没有终了，在空间上没有边 界没有尽头。
.
30
物理的宇宙
宇宙＝时空＋非时空部分 宇宙＝所有存在，包括物质和能量 宇宙＝和人有关的宇宙 宇宙＝空间尺度109~1010pc？
时间尺度<1010年？
11
二. 星空
.
12
秋夜星空
共88个星座 室女座virgo
.
13
Milky Way Galaxy
银河系示意图
几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘 厚度范围内的星体。
.
15
Of the 200 or so globular clusters that survive today, M3 is one of the largest and brightest, easily visible in the Northern hemisphere with binoculars. M3 contains about half a million stars, most of which are old and red. Light takes about 35,000 years to reach us from M3, which spans about 150 light years.
700 b.c.
Βιβλιοθήκη Baidu
宇宙初始形成遵循什么规律？
宇宙形成之前又如何考究？
深遂的宇宙有限还是无限？
如何认识复杂的宇宙？
.
10
温家宝：
一个民族有一些关 注天空的人，他们才有 希望；一个民族只是关 心脚下的事情，那是没 有未来的。
希望同学们经常仰 望天空，学会做人，学 会思考……
.
《羊城晚报》 2007年5月17日
从无限宇宙来看，引力势会 出现无限大或不确定。
设宇宙是各向同性的。
m的引力势等于绿色球的质
量全部集中在圆心在m处产
生的引力势。但对无限宇宙，
绿色球的大小不确定。
.
39
广义相对论
• 物质和能量使空间弯曲
• 空间弯曲等于引力场
• 自由落体沿弯曲空间的短程 线运动（使原时最短），不 用计算引力的作用。
Tycho Brahe
2004年5月22日X-ray image by
Chandra Observatory
Johannes Kepler, 1571-1630
T = k R3/2
.
8
对科学没有任何促进！ 为什么？ 没有科学精神！
北京的第谷观星台 康熙十三年（1674）
宇宙学的科学动机：求知
屈原《天问》
.
32
1. 广义相对论的创建
—— 正确的研究框架
.
33
用108pc的尺子看宇宙
T
可能一切都变得简单：
密度：
温度： T
宇宙学原理：均匀，各向同性
.
34
学术价值定律
简单问题 困难答案
高价值
宇宙学迷人之处！
.
35
牛顿力学不能为宇宙学提供正确的研究框架 （无论有限还是无限）
如果有限，问：
1）中心在哪里？ 2）边界在哪里？边界外是什么？
爱因斯坦引力场方程
描写弯曲的几何量 ～ 物质量（与能量和动量有关的量）
爱因斯坦张量 能量动量密度张量
GR12gR T
爱因斯坦引力场方程
G (x) g8cG 4NT(x)
Λ 宇宙常数
标准模型Λ＝0
.
44
牛顿极限——缓变弱场极限
在缓变弱场极限下 g ||1
由短程线方程得
x(x)
(x)
c2 2
44
利用质点的能量动量密度张量 Tuu
空间有限而无边，时间无限 爱因斯坦模型经不起微扰，不稳定 这是第一个现代宇宙学模型
如果没有Λ项，爱因斯坦方程不允许静止宇宙解。
.
48
宇宙是稳定的吗？
.
49
2.宇宙膨胀的发现
哈勃红移定律
星系红移量 Z (e)/e (H 0/c )D
哈勃常数（1929)
即退行速度 v H0D
H0~50k0m /s/Mpc
k 1 k 0 k 1
宇宙膨胀曲线
k=+1 封闭，有限
k=0 平直，无限
k=–1 开放，无限
.
56
3.大爆炸宇宙学的提出
根据膨胀倒退回去，必有个起始点
膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝 热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段
可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、 各种物理过程的发生以及引起的各种观 测特征
x{x|1,2, ,d}
g (x)
引力场
物理时空：d=4
x4 ict
四阶黎曼曲率张量 R x x
仿射联络
1 2g gx g xgx
二阶里兹（Ricci）张量
R R
总曲率（标量）
R gR
质点的短程线方程
Bd1B d2s0
A
cA
d2x
d2
ddx
ddx0
相当于仅受引力作用的 质点的牛顿第二定律
Einstein场方程：
质量守恒
d(R3) PdR3
物态方程
P P()
.
54
可证，哈勃常数
H0
R 0 R0
H02R k0c22 83GN 0
临界0 c密 8 3 H G 0 N 2度 1 .8 8 ： 1 2 0h 9 0 2g/3 c
00/0c
0 0c
0 0c
0 0c
0 1 0 1 0 1
.
50
v H0D 离我们越远，退行速度越大：宇宙膨胀！
d+s
2d+2s
3d+3s
O
A1
A2
A3
d
2d
3d
哈勃
红移定律
各向同性
.
52
近日由Ia型超新星确定的H0
H0 100h0 km/(s.Mpc) h00.710.07
Friedmann宇宙模型
动态宇宙，R-W度规， Λ＝0
d 2 s R 2 ( t)d { 2 /1 r ( r 2 ) r 2 ( d2 s2 id n 2 )}