第二讲 宇宙学(论)

若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除 去一些细微部分外，基本没有什么变化。 宇宙不需要一个开端或结束。即使是在 发现宇宙正在膨胀之后，这种想法也没 有被放弃。
31
稳态理论
托马斯.戈尔德(Thomas Gold)，赫尔曼.邦迪(Herman Bondi) 及弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)于40年代后期提出，物质正以 恰当的速度不断创生着，这一创生速度刚好与因膨胀而使物 质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。 这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续 下去。 宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。 稳态理论所要求的创生速率很小，每100亿年中，在一立方米 的体积内，大约创生1个原子。稳态理论的优点之一是它的明 确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的 。也正因如 此 ，它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射 32 被发现后，这一理论基本上已被否定。
0 0
按照牛顿时空模型得到的结论却如 此荒谬，这表明牛顿宇宙模型中总有些 东西并非客观事实。
25
26
爱因斯坦相对论时空观: 有限无边的闭合三维球面
空间和时间在狭义相对论里被想象成一个统一的四维 连续体，即四维时空，时间和空间不仅和运动有关系， 而且相互之间不再是独立的。运动物体收缩，运动时 钟变慢。
大 爆 炸 理 论 验 证
36
伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念理论
1950年前后，伽莫夫（美籍俄国）第一个建立了热大 爆炸的观念。 伽莫夫认为，宇宙开始于高温、高密度的原始物质。 最初温度超过几十亿度，很快降至十亿度，那时的宇 宙中充满的是辐射和基本粒子，随后温度持续下降， 宇宙开始膨胀。当膨胀持续了几百万年时，温度冷却 至四千度，物质逐渐凝聚成星云，再演化成今天的各 种天体。 这个创生宇宙的大爆炸，事实上应该理解为整个空间 同时的急剧膨胀。
22
结论：
在距离地面r到r+△r的地壳中，恒星的数目为 △N。 2
N 4r r
地面接受到的照度
N L 4r L 2 r
所以无论何时地面接受到的累积照度都会无限 亮，
E ~ 4 Ldr 4 L dr
23
奥伯斯佯谬
基本观点：
空间是无限的，在这无限的空间中，充满了无限多的 恒星。
7世纪 牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建立 经典宇宙学。 1917年 爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、 有限、无界”的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时 空等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代。 1922年，前苏联数学家弗里德曼研究了爱因斯坦所 作的计算，认为静态宇宙仅仅是场方程的一个解， 应该还有一个膨胀宇宙解。
11
“地球中心说”
地心说的起源很早，最初是由古希腊哲学家亚里士 多德提出的。认为：宇宙是圆形的，地球是宇宙的 中心，地球外面是水，空气和火，再外面载着月球 其它行星和太阳，恒星的水晶球。问题：无法解释 观测到的行星逆行现象。
公元140年前后，天 文学家克罗狄斯· 托勒 密继承和发展了亚里 士多德的地心说，建 立了宇宙地心说。
7
浑天说
“浑天说”出现在战国时代，它认为，浑天如鸡子。天体 圆如弹丸，地如鸡子黄，孤居于内，天大而地小。地球不 是孤零零地悬在空中的﹐而是浮在水上﹔后来又有人认为 地球浮在气中。 浑天说认为全天恒星都布于一个“天球”上﹐而日月五星 则附丽于“天球”上运行。因而浑天说采用球面坐标系﹐ 如赤道坐标系﹐来量度天体的位臵﹐计量天体的运动。 浑天说不只是一种宇宙学说﹐而 且是一种观测和测量天体视运动 的计算体系，类似现代的球面天 文学。 “浑天说”认为大地是球形的， 天也是球形的，这显然要比“盖 天说”进步。它实际上是中国历 史上的“地球中心说”。
19
二、两种不同时空观
牛顿时空观: 盛放物质的容器。 爱因斯坦时空观:静态、有限、无界的时空。
20
牛顿时空观: 盛放物质的容器。
牛顿的力学方程中没有宇宙中心的位臵，任何
时空点都是平等的，即相对于任何时空点来计算， 物理规律都是一样的。这就是牛顿时空观中的相 对性。 牛顿对时间的认识是“绝对的、纯粹的、数学的 时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任 何外在的情况无关。” 牛顿对空间的认识是“绝对空间，就其本性来说， 与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不 变。”牛顿的空间是一个与物质无关的、存放物 质的容器。
5
盖天说
盖天说最早起源于西周。是中国 最古老的讨论天地结构的体系。
盖天说认为，天是圆形的，像一 把张开的大伞覆盖在地上；地是 方形的，像一个棋盘，日月星辰 则像爬虫一样过往天空，因此这 一学说又被称为“天圆地方说”。
盖天说认为﹐日月星辰的出没﹐并非真的出没﹐而只是离 远了就看不见﹐离得近了﹐就看见它们照耀。比如，太阳 只能照射16.7万里，超过这个距离就什么也看不见了。因此 白天就是太阳走到距离我们16.7万里以内的范围，而晚上则 6 在该范围之外。
盖天说
盖天说宇宙结构理论力图说明太阳运行的轨道﹐ 设计了一个七衡六间图。太阳在天盖上的周日运动一年中
有七条道路，称为“七衡”。最内一道叫"内衡"，夏至日太阳就沿内 衡走一圈；最外一圈叫“外衡”，是冬至日太阳的路径；其它节气里， 太阳沿中间的五道运行。
“盖天说” 无疑是古代人们从直观出发，再加 以想象而提出来的。 问题：天地是如何连接起来？
大爆炸宇宙论
33
大爆炸理论的提出
宇宙的产生为什么会想到大爆炸？ 二十世纪匈牙利科学家勒梅特设想：
物质结构和次序的认识：物质的形成由简 到繁。 熵增原理： 最简单就是一个原子-----原始的原子的演变 到现在的宇宙
想到大爆炸理论的人是爱因斯坦
34
广义相对论理论基础 宇宙红移的观测事实
13
14
“地球中心说”
托勒密的“地球中心说”在天文学的发展中起过 一定的进步作用，它推动了观测天文学的发展； 但是，由于日地关系被完全颠倒了，人的认识越 向前发展，这个学说就越露出了破绽。
15
现代天文学的起源---日心说
在宇宙结构问题上带革 命性的学说，是十六世 纪波兰天文学家哥白尼 提出的“太阳中心说”。 他认为，太阳是宇宙的 中心，地球和水星、金 星、火星、木星、土星 等绕太阳旋转天穹的视 运动只不过是地球自旋 的反映而已。
1 每颗星虽然都有生有灭，但从总体看，可以认为宇宙 的密度ρ保持为常数。
从统计观点出发，可以假定恒星的发光强度L基本不变， 光的传播规律（照度E～r-2）在宇宙中处处相同。 时间是无限的，从总体来说恒星可无限期地存在
24
L r²
也就是说白天和黑夜应该一样亮，地球 ∞ ∞ 不应该有白天黑夜学家勒梅特提出均匀 各向同性膨胀宇宙学模 型。 1932年 勒梅特提出“原 始原子”爆炸形成宇宙 的概念。
1948年 美国天文学家伽 莫夫发展勒梅特思想， 奠定大爆炸宇宙论的基 础。
30
宇宙的起源
本世纪，有两种宇宙起源模型比较 有影响。一是稳态理论，一是大爆 炸理论。
8
宣夜说
在东汉时还有一种解释宇宙本质的“宣夜说”。 宣夜说它主张无限宇宙论。不仅认为宇宙在空间上是无 边无际的，而且还进一步提出宇宙在时间上也是无始无 终的、无限的思想。 宣夜说创造了天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进 一步发展中认为连天体自身、包括遥远的恒星和银河都 是由气体组成。 星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，决 没有坚硬的天球来束缚它们。宣夜说打破了固体天球的 观念，这在古代众多的宇宙学说中是非常难得的。
从整体角度探讨宇宙结构和演化 的天文学分支学科
太阳并不位于宇宙中心 银河系不是宇宙的全部内容？
3
一、中外古代的宇宙观
4
中国古代的宇宙观
中国古代三种有代表性的宇宙观 盖天说（周初）：地是平坦的， 天如伞一样覆盖大地。 浑天说（战国）：天地有蛋形结 构，地在中心，天在地周围。 宣夜说（战国）：天无限而空虚， 星辰悬浮空虚之中。
宇宙大爆炸理论观念 的形成
35
20年代后期，爱德温· 哈勃(Edwin Hubble)发现 了红移现象，说明宇宙正在膨胀。60年代中期， 阿尔诺· 彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特· 威尔逊 (Robert Wilson)发现了“宇宙微波背景辐射”。这 两个发现给大爆炸理论以有力的支持。
12
托勒密的地心说的主要观点是：
第一，地球位于宇宙中心静止不动。 第二，每颗行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨 道上匀速转动。而本轮中心在称为“均轮”的大圆 轨道上绕地球匀速转动，但地球不在均轮圆心，它 与圆心有一定的距离。 第三，水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的联 线上，本轮中心在均轮上一年转一周，火星、木星、 土星到它们各自的本轮中心的直线就是一周。 第四，恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。 日、月、行星除上述运动外，还与“恒星天”一起， 每天绕地球转一圈。
9
国外古代的宇宙观的发展
在外国，对宇宙结构也有各种各样的说法和理论。 古代巴比伦人认为，大地犹如拱起的乌龟，天空 乃是半球形的穹庐。
古埃及人的宇宙观：星星分布在女神身上，而女神 却是伏在地上
10
古代印度人认为，大地驮在象背上，大象站 在龟身上，海龟浮在海洋上。
古希腊对于宇宙结构有不同的学说，有人认 为地球是一个浮在水面的扁盘；有人认为地 球是一个球，居于世界的中央，这大概是 “地球中心说”的雏形；也有人认为，地球 绕轴旋转分昼夜，绕日旋转成周岁，这大概 可算是“太阳中心说”的前驱了。
17
哥白尼的学说第一次把宇宙学放在科学的 基础上。其后，开普勒根据他的老师第谷 的大量观测资料，总结出行星运动的三大 定律；特别是牛顿发现了万有引力定律和 总结出动力学三大定律后，经典的现代宇 宙学形成了。 从二十世纪爱因斯坦的广义相对论到二十 一世纪霍金的黑洞理论学说，现代天文学 对宇宙的起源有了新的理解和定义。