爱因斯坦与现代宇宙学.ppt

爱因斯坦与现代宇宙学 福建师范大学物光学院FUJIANNORMALUNIVERSITYPOET邱怡申 一 宇宙 空时与引力 宇宙的定义 自然界物质的总称宇宙学研究的问题 宇宙的起源 演化和归宿经典宇宙学 以牛顿引力理论为基础 现代宇宙学 以爱因斯坦广义相对论为基础 1 引言 2 宇宙概观 银河系 恒星数1011河外星系 上世纪20年代 哈勃发现 其他物质 不辐射的星体 黑洞 星际气体 辐射 宇宙线 大量中微子 观测宇宙 尺度 ct0t0 宇宙年龄 3 牛顿的宇宙观及其矛盾 在引力的作用下 有限空间的物质不稳定 牛顿的宇宙观 宇宙是无限无边的三维欧氏几何空间 其中均匀地分布着无限多的天体 相互以万有引力联系 牛顿宇宙观的矛盾引力佯谬 解决这一矛盾 宇宙学发展的思路 修改宇宙模型 修改引力定律 二者都修改 2 光度佯谬 牛顿宇宙观与引力理论是不自洽的 0 伽利略变换与绝对空时观 F maF ma k系k 系牛顿定律 4 爱因斯坦的相对论 1 狭义相对论的基本原理 1 在不同的惯性系中物理规律的形式是一样的 物理规律对于洛伦兹变换的对称性 k系k 系牛顿定律 2 在所有的惯性系中测量到的真空光速是一样的 结论之一 任何信号的传递速度 光速 2 广义相对论产生的背景1 惯性系和非惯性系是否平权 这问题不解决就无法摆脱牛顿的 绝对时空 2 牛顿引力理论是超距的 违反狭义相对论 牛顿的 绝对时空 观认为惯性系是从优的参考系 在其中运动定律成立 非惯性系中要加一虚设的惯性力 m惯a 建立广义相对论唯一的实验依据 m惯 m引引力的几何性质 物体的运动与动力学性质m惯无关 广义相对论的基本假设 I 一切参考系中的物理规律具有相同的形式 II 惯性力与引力等效 惯性系非惯性系无引力有引力四维空时的直线曲线 空时弯曲 宇宙物质空时弯曲引力 空 时的非线性变换 基本假设 引力场方程实验检验 水星近日点的进动 光线在太阳附近的偏折 光谱线的引力频 红 移 雷达回波实验 1 问题的提出1916年提出广义相对论后 转向宇宙学 天体是唯一可以体现广义相对论作用的强引力系统 2 弱引力场与强引力场 GMm R mc2M R3强场条件 GR2 C2 13 宇宙的有限无边静态模型 二维球面的几何特征 有限 面积 无边界 5 爱因斯坦的宇宙模型 三维弯曲空间的几何特征 有限 体积 无边界 物质分布周围引力场弯曲导致四维时空弯曲成封闭的区域 爱因斯坦模型解决了牛顿宇宙模型的不自洽问题 加入宇宙项 以满足静态 银河系等小范围中的天体是运动的大范围尺度看 天体的平均速度是零 二 标准宇宙模型 1 宇宙学原理在宇观尺度上 任何时刻宇宙空间是均匀和各向同性的 2 宇宙在膨胀静态宇宙观的瓦解哈勃的发现 现代宇宙学的一个里程碑 星系光谱的红移 多谱勒效应 入 入 v c 0 宇宙学研究的问题 初始态如何 宇宙的演化规律 宇宙的终结 膨胀的宇宙模型以星系为 分子 的 气体 参与两种运动哈勃定律的结论 宇宙在均匀膨胀 这也是宇宙学原理的推论 膨胀速度 本动速度 500km s 哈勃定律 星系退行速度v H0RR 星系距我们的距离H0 哈勃常数 25 误差 观察点 S1 S3 S2 S 1 S 2 S 3 t0时刻 t0 t时刻 d1 d2 d3 d 1 d 2 d 3 爱因斯坦的遗憾 3 大爆炸宇宙学宇宙在膨胀 今天已是无可怀疑的事实 根据今天宇宙膨胀的速度 可以推出 宇宙在一二百亿年前脱胎于高温 高密状态 爆炸过程 不同于炸弹 中每对粒子间的距离俱增 物质密度减小 温度下降 引力能转化为粒子能 从50年代伽莫夫开始 经科学家努力 已能够知道宇宙大致演化过程 大爆炸理论的主要证据 1 氦丰度 与现在测量值一致2 3K宇宙背景辐射的发现及意义 60年代 贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊为改善卫星通信质量 探测太空各种噪声乘源 有效噪声温度 在排除各种噪声源后 还剩余3 5k噪声 与方向 季节等无关 谜团被普林斯顿大学小组解开 3K宇宙背景辐射果真是被红移的辐射 化石 黑体辐射谱的测量1972年 康奈尔大学火箭小组和MIT气球小组在大气层外测得 7 35 0 33cm的辐射谱与2 7 3k的黑体辐射谱一致 1989年11月 COBE卫星实验证实 光子数密度 n aT3 光子数 核子数 109 4 宇宙演化前景的简单描述 均匀各向同性膨胀的宇宙模型 从现在的宇宙参数预言未来 大爆发宇宙学的困难 大爆炸始于空时奇点 5 宇宙学最新近展 1980年到1981年 美国科学家艾伦 格斯等人把基本粒子统一理论已解决的 真空相变 现象应用于宇宙 他们解释说 在刚刚诞生的宇宙中 发生了使宇宙性质完全改变的 相变 相变前的旧宇宙比新生宇宙具有更大的真空能 这种真空能转变为排斥力 使空间急骤膨胀 宇宙是从没有时间 空间 物质和能量的 虚无 状态 通过量子力学所说的 隧道效应 产生的 真空能 宇宙 常数 宇宙的边缘加速膨胀的实验证据 爱因斯坦的 宇宙 常数项迄今仍是个迷 量子宇宙学的发展 有些问题仍待解决 谢谢 三 宇宙的起源与终结 均匀各项同性的膨胀宇宙模型 热寂说的终结 热力学定律1 宇宙的能量是常数2 宇宙的熵趋于一个极大值对热寂说的批判1 玻尔兹曼的 涨落说 2 恩格斯的观