广义相对论课件第八章VIP

1,第八章宇宙学,物质结构、天体演化引力、电磁力、弱力、强力引力物理：研究物质之间引力相互作用规律粒子物理：电磁力、弱力、强力、（引力）超弦理论:4种基本力的统一理论（一些执著于几何是一切的人认为不存在一个成功的量子引力理论）,2,现代宇宙学理论框架确立于20年代,60年代开始迅猛发展。,宇宙学：引力理论、粒子理论、超弦理论、核理论、电磁理论、流体力学等的应用学科交叉：核天文学、粒子宇宙学、弦宇宙学、天体粒子物理学等,3,8.1宇宙学的基本事实,宇宙学原理：宇宙在直径为1到10亿光年的区域是均匀和各向同性的,4,宇宙学原理：把宇宙看成一个充满全空间的各向同性的均匀介质。,恒星、星系以及星系团分布的明显结团性。,当我们把空间的单位体积取得比超星系团还大，计数测量表明，空间各处的星系数密度是接近均匀的。,2.宇宙的膨胀,20年代，哈勃(Hubble)测定了若干星系的距离和退行速度，发现与成正比的经验规律，即,哈勃常数,基本事实,5,远处的星系在系统地向远离我们的方向退行宇宙介质在膨胀,银河系在宇宙中不具有任何特殊的地位（宇宙哥白尼原理）,哈勃常数的物理意义是描述宇宙整体的膨胀快慢。,parsecParallaxsecond,秒差距,1pc的定义,宇宙膨胀的快慢可能是随时间变化的，,今天的哈勃参量的值：,6,7,8.2宇宙动力学,影响宇宙膨胀的作用力只有引力。,均匀各向同性的空间结构,时空度规场的一般形式(RobertsonWalker度规)如下：,闭宇宙,对应于平坦宇宙、闭宇宙、开宇宙,宇宙标度因子,爱因斯坦引力场方程给出：,空间坐标固定的两点间的距离与成正比,尺度因子随时间的变化反映了宇宙的膨胀进程。,8,宇宙早期辐射为主,过渡期,宇宙后期物质为主,物质为主时期,t,R,闭宇宙,平坦宇宙,开宇宙,9,宇宙空间的曲率因子,空间是平坦的，欧氏几何,空间是弯曲的，黎曼几何,负曲率空间的总体积是无限的；,正曲率空间的总体积是有限的。,均匀各向同性介质的能量动量张量的形式：,介质密度,介质压强,均匀随时间变化,10,爱因斯坦场方程：,把和的表达式代入上式,由,时时分量方程：,空空分量方程：,以上两式消去，得的一阶微分方程,由动量能量张量满足,介质的性质（状态方程）,11,(1).非相对论介质即介质粒子的热动能远小于静能,则有实物介质,忽略热动能即忽略压强。,实测表明今天的宇宙密度主要来自物质的静能。,上式可用于处理较近期的宇宙膨胀过程。,(2).相对论性介质即粒子热动能大于静能,辐射为主,由,早期宇宙必曾是以辐射为主的,12,8.3宇宙空间的曲率,理论上宇宙的曲率因子可以为正、负或者零,宇宙的总质量和总体积可能是有限的，也可能是无限的。,实际的宇宙只有一个，,通过动力学方程把它与其它可观测量联系起来。,(a).曲率与宇宙密度,(8.2.6)式变成：,其中,临界密度由哈勃参量决定,13,的符号取决于实际密度和临界密度的相对大小,定义：,使用这判据的困难在于宇宙实际密度的测定。,宇宙中可见物质的平均密度的测定：,但天文测量已表明：宇宙中不发光的暗物质的总量远远地超过发光物质的总量。,(b).曲率与减速参量,宇宙膨胀受引力影响而减速，因而是下降的，,描述膨胀的减速,14,Big-Bang,的解在时间趋于零时：,宇宙尺度0宇宙密度压强膨胀速度,起始点是个大爆炸图象,Lemaitre（1932）命名为“Big-Bang”,15,大爆炸宇宙模型的成就,哈勃定律（红移或退行速度与距离成正比）：已被约三万个星系观测数据所证实宇宙年龄(137亿年）：星系与恒星的观测年龄相融微波背景辐射：1964偶然发现天空背景有3.5K黑体辐射谱1989：2.7260.010K原初轻元素（氘、氦-3、氦-4、锂-7等）丰度（大爆炸之后0.02秒到3分钟期间核合成）：观测与理论值相符,16,大爆炸宇宙模型的困难和问题,奇性困难、视界困难、平坦性困难大尺度结构的形成宇宙常数和暗能量问题、暗物质问题、物质和反物质不对称问题、宇宙相变问题、,暗物质：不发光、不吸收光、与通常物质作用微弱（候选者很多，没有定论）,17,为了解决其中的一些困难1982年Guth提出“暴涨宇宙模型”,暴涨宇宙,大爆炸,标准宇宙学,宇宙的今天,t,R,18,背景辐射问题,宇宙温度降到4000K以前,组成的等离子体与光子相耦合的热平衡态,大量脱离了热平衡的中微子。,光子是电磁场，与带电粒子有很强的作用，会与它们发生频繁的碰撞。当宇宙物质变为中性之后，光子被吸收的几率极微小，或不再受到碰撞，宇宙物质对于光子就变成透明的了,留存的光子气体就是所谓的背景辐射场。,19,1965年，贝尔电话实验室的彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）发现微波背景辐射正是2.7K的黑体辐射.,3.5K来源不明的噪声。,1978年的诺贝尔物理奖。,彭齐亚斯和威尔逊观测到两个特征：,1.各向同性;,3.温度低于10K;,2.频谱满足普朗克分布？,地面观测受大气窗口的限制,“宇宙背景探测者”卫星在1990年给出观测结果。,20,WMAP(微波背景各向异性探测器)2001年发射2003年发布数据,2003,2002,21,宇宙微波本底,22,反峰，暴涨证据,峰，视界301,WMAP功率谱,再离子化(早