大学物理第三部分量子与宇宙学之第18章 宇宙学简介

第18章 宇宙学简介,18-1 宇宙学原理,18-2 奥伯斯佯谬与宇宙的膨胀,18-3 大爆炸宇宙论,第18章 宇宙学简介,宇宙的结构和演化,中国 “盖天说”、“浑天说”、“昼夜说” 古希腊和古罗马 “中心火焰说”、“日心说”、“地心说”,凭空想象主观臆断(哲学思辩),哥白尼提出“日心说” 万有引力定律给宇宙学奠定了动力学基础,第18章 宇宙学简介,奥伯斯佯谬 均匀、各向同性宇宙的动态度规 大尺度空间随时间膨胀 宇宙中天体存在红移，表明宇宙正在膨胀 提出大爆炸宇宙模型,朴素宇宙观点 宇宙在时间上无始无终，空间上无边无际 宇宙空间是三维欧几里德的无限空间,18-1 宇宙学原理,宇宙学原理： 在宇观尺度（大于108光年）下，任何三维空间 都是均匀的、各向同性的。,按照宇宙学原理，在宇宙中心，所有星系都是平权的。,用宇宙原理分析宇宙中物质的速度分布,18-1 宇宙学原理,分别由O,O 观察天体A,A,分别由O,O 观察同一天体P,由宇宙学原理：,观察到的位于 的天体速度应等于 观察到的位于 处的天体速度,观察同一天体P,18-1 宇宙学原理,2、收缩解,f(t)0,天体作均匀收缩的运动，收缩速度正比于相对观察者的距离。,3、静止解,f(t)=0,天体之间都相对静止。,令,哈勃常数,物理意义为t时距离r处宇宙物质之速度与距离之比,18-2 奥伯斯佯谬与宇宙的膨胀,奥伯斯提出一个命题，假设： 1、星体均匀分布在无限的空间上。 2、星体才能在的时间是无限的。 每颗星的平均光度都一样。 3、整个星体体系没有运动。,结论：黑夜与白天一样亮。,奥伯斯佯谬,矛盾,缺陷：未考虑中间的恒星会遮住来自更远恒星的辐射。,解决：从宇宙学原理出发，在牛顿力学的框架内， 证明宇宙必定在膨胀。,18-2 奥伯斯佯谬与宇宙的膨胀,1930年，天文观测证实了“宇宙在膨胀”。,星体相对于我们的速度正比于它的距离，现在时刻的哈勃常数为,t0宇宙大爆炸开始到现在所经历的时间 （宇宙年龄）,18-3 大爆炸宇宙论,一、宇宙演化的历史,大爆炸理论认为：时空和物质都是在大爆炸中产生。,由广义相对论计算得出宇宙的年龄小于200亿年 现在普遍认为宇宙的年龄为150亿年左右,t=0宇宙发生爆炸 t10-44s，量子效应起主要作用，时间、空间概念和 因果律失去意义，四个相互作用的强度不可分辨 t=10-44s才可谈论时间、空间，宇宙处于温度、压强、 时空曲率和物质密度都极大的状态,18-3 大爆炸宇宙论,从t=10-44s开始，宇宙演化的历史分四个时期：,1、强子期（从10-44s至10-4s）,2、轻子期（从10-4s至10s）,3、辐射为主期（从10s至1013s）,整个宇宙结束了混沌局面，沐浴在一片光辉之中。 13总称为星前时期,4、物质为主期（从1013s至现在）,18-3 大爆炸宇宙论,二、未来宇宙的演化,空间曲率K对未来宇宙演化的影响：,1、K=-1 宇宙膨胀速率越来越慢，最终趋于一个正的常数，宇宙将永远膨胀下去。,2、K=0 宇宙将永远膨胀下去，但在尺度因子趋于无穷时膨胀速率趋于零。,3、K=1 宇宙收缩。,目前认为宇宙可能是一个无限膨胀的平直宇宙。,18-