宇宙学

什么是宇宙？

z四方上下曰宇，古往今来曰宙

z宇宙是时间、空间、物质的总称

什么是宇宙学？

z从整体的角度研究宇宙的结构和演化的科学。z它把宇宙这个复杂的对象化为比较简单的模

z型加以比较、分析和研究

z现代宇宙学作为物理理论而不是哲学理论来具体地回答关于宇宙的问题

宇宙学的研究意义

（1）星系和宇宙学的研究处于天文学、物理学以至整个自然科学的前沿,对宇宙学的研究能够促进其他学科的发展。（2）帮助人们树立正确的宇宙观。

（3）推动高新技术及航空航天事业的发展。

（4）满足人们的好奇心。

？

z宇宙万物从何而来？

z宇宙有末日吗？

z宇宙是有限还是无限？

z如果宇宙有开端，那么在开端之前发生了什么？

z道可道，非常道。名可名，非常名。

无名天地之始；有名万物之母。

z故常无欲以观其妙；常有欲以观其徼。此俩者同出而异名，同谓之玄。玄之又玄，众妙之门。

z道生一，一生二，二生三，三生万物。

z天下万物生于有，有生于无。

z----老子，《道德经》

1、20世纪前的宇宙观z 宇宙到底是什么样子

的，是个有趣的古老话

题

z 每个古老的民族都有自

己的宇宙观

古中国：盖天说、浑天

说和宣夜说（宇宙无硬

壳，充满大气说－－气

聚而为万物）

古埃及：宇宙诞生于水

古印度：由龟、蛇、象

驮着大地的宇宙盖天说浑天说古印度

古埃及

天圆如张盖，地方如棋局天圆如弹丸，地如卵中黄

腊

晶球九重天宇宙学

说

z公元前四世纪，古希腊亚里士多德提出大地为球形且处于宇宙的中心（当时的宇宙即金、木、水、火、土、太阳），到托勒枚时期（公元二世纪）这种宇宙观已非常完善（地心说宇宙模型），统治欧洲一千多年；

十六世纪，哥白尼提出日

心说（天体运行论）；

十七世纪，牛顿《自然哲

学之数学原理-宇宙体系》

一书的发表标志着自然科

学新纪元的开始。并建立

了绝对的无限的时空宇宙体系。

18-19世纪，康德和拉普拉斯论证了太阳系起源的星云说，从科学的角度动摇了自然界在时间上没有任何历史的观念。

z牛顿的宇宙模型与宇宙观牛顿最早用经典力学方

法和欧几里德（Euclid)几

何观念建立了绝对的无限

的时空宇宙体系；

第一次在自然科学基础

上用科学的语言描述了一

个无限无边、充满无限多

的均匀物质的静态宇宙模

型；

牛顿经典宇宙学的宇宙图景：

宇宙是无限的，无限多的天体包含着无限大的质量大体均匀地散布在无限大的宇宙空间，宇宙空间是平直的欧几里得空间。

绝对时空观：即时间、空间、物质都是相互孤立无任何瓜葛；没有开始，没有结尾。不存在起源问题

绝对时间：与任何外界事物无关，均匀流失，无始无终。

绝对空间：与物质无关的存放物质的容器，无限延伸。

z它不需要回答一些无法回答的问题如z如果宇宙有限那么界限以外是什么？z时间起点以前是怎样的？

z因此，很自然被人们接受。

2、现代宇宙学的建立和发展

z根据牛顿经典宇宙学的论点，则导致两个佯谬

z（1）引力佯谬：无限大的质量将使宇宙间每一点的引力场强度为无限大；

z（2）光度佯谬（奥伯斯佯谬）：

z夜空为什么是黑的？（傻子提出的问题）

z无限多天体的光度累积将会使天空各方向上都十分明亮，得到黑夜和白天一样亮的结论。

20世纪初，爱因斯坦的相对论问世，震惊环宇狭义相对论: 尺缩钟慢；光速不变

广义相对论：物质在引力场中沿曲线运动，物质质量越大分布越密，弯曲程度越大。就天体而言，时空特性是弯曲的，弯曲程度随天体质量与分布而定；分布越密、质量越大的天体周围空间弯曲越厉害，时间流逝的越慢。

场方程文字描述：时空几何量= 物质的物理量

对牛顿理论中的引力势的推广

对牛顿的绝对时空观彻底的批判与否定

爱因斯坦场方程

R μν-1/2 g μνR + Λg μν= -8πG T μν

μν＝0、1、2、3.

R : 宇宙尺度因子（随时间变化的函数）

g μν:时空坐标的函数（度规），刻划时

空结构的量，反映了引力场的存在

T μν: 宇宙介质的能量动量张量

Λ：宇宙常数项

爱因斯坦的有限无边静止的宇宙模型z四大天文观测事实验证了广义相对论是正确的，光线在太阳附近偏转天狼星伴星引力红移水星近日点进动反常雷达波速达金星来回时间延迟

z1917年爱因斯坦根据广义相对论场方程提出了一个有限无边静态宇宙模型即宇宙是有限无边的封闭球体结构。

z成功解决了两个佯缪

z

数学上著名的毛比斯闭合环形面怎样理解“有限无边”的问题

勒梅特（比利时神甫）的“宇宙蛋”

1927年首次提出宇宙起源

于原始原子，戏称“宇宙蛋”。

超高密、高温的宇宙蛋曾突

然发生天崩地裂的大爆炸，今日诸星系是宇宙蛋破碎的碎片。爱因斯坦与勒梅特

z1929年，哈勃发现星系红移，总结出哈勃定律V=HD 从天文观测证明了宇宙是膨胀的。

z1948年，在前人工作的基础上，伽莫夫等人提出比较完整的宇宙创生新理论--大爆炸宇宙模型。

他指出宇宙演化是一部热膨胀历史，起源于一个超高温、超高密、超高压、体积无限小的原始火球。