宇宙学简介课件

1、天文观测基础与实践 8-9周2013.11课件制作及主讲人: 活水泉宇宙学: 说到宇宙,你想到了什么?0.绪0.1引言最初学习天文的动力: 这是一门大气磅礴的科学什么是宇宙?宇宙有边界吗?如果有,那么它外面是什么?什么是时间?什么是空间?0.绪0.1引言这也是古人研究宇宙的动力之一.然而,这里有些问题至今仍是谜团;有些由于繁杂的理论推导我们暂时不能理解0.绪0.1引言但是,虽然在这次课上,你理解不了宇宙的全部,但只要你以这些知识为基础继续求索,或许有一天,宇宙的奥秘就展现在了你面前.0.绪0.1引言本课计划0.绪0.2计划基本上按照天文学和科学史的时间发展顺序.1-2次课0.绪0.2计划古代

2、内容:人类对宇宙的最初认识 目的:了解宇宙学的起源近代 内容:随着近代思想的解放和自然科学的发展,人类对宇宙更深入的探索与描述 目的:尝试在理解近代科学的基础上了解宇宙学的发展现代 内容:标准宇宙学 目的:科学地初步认识感受宇宙1.1.古代人类对宇宙的认识古代人类对宇宙的认识1.古代人类对宇宙的认识1.古代人类对宇宙的认识1.0本节概述我国西方古代人类对宇宙认识的特点1.古代人类对宇宙的认识1.1我国古代对宇宙的认识盖天说浑天说宣夜说1.古代人类对宇宙的认识1.1我国古代对宇宙的认识1.1.1盖天说天圆如张盖,地方如棋局1.古代人类对宇宙的认识1.1我国古代对宇宙的认识1.1.2浑天说双层球形

3、1.古代人类对宇宙的认识1.1我国古代对宇宙的认识1.1.3宣夜说不存在有形的天日月漂浮其中1.古代人类对宇宙的认识1.2古代西方对宇宙的认识1.2.1古罗马和古希腊时代泰勒斯:水是万物本源毕达哥拉斯:天火说亚里士多德:多层水晶球说1.古代人类对宇宙的认识1.2古代西方对宇宙的认识1.2.1中世纪托勒密:地心说教会哲学体系:地心说1.古代人类对宇宙的认识1.3古代人类对宇宙认识的特点你们的看法?1.古代人类对宇宙的认识1.3古代人类对宇宙认识的特点臆想不科学空想单纯零散不系统宗教维护统治的手段被分至哲学院1.古代人类对宇宙的认识1.3古代人类对宇宙认识的特点臆想 不科学 空想单纯 零散 不系统

4、宗教 维护统治的手段 被分至哲学院充分反映了古代与近代认识宇宙方法的不同:科学的发展2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述 2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.1引言那么,近现代宇宙学与古代有何根本性不同?基于你对宇宙的认识,欢迎发言!2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.1引言臆想 不科学 空想单纯 零散 不系统宗教 维护统治的手段 被分至哲学院科学 以实验为基础 基于自然科学的成果系统 知识体系 理论证明;实验验证理性 理论证明;实验验证 以认知应用为目的2. 近代科学发展基础上人类对宇

5、宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述简言之:人类开始建立以观测数据为基础,以现代物理学为背景知识的现代宇宙学2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述所以,要学习现代宇宙学的发展历程,必定会涉猎些美妙的自然科学知识在本节,介绍自然科学知识基础上,介绍当时的宇宙学发展成果2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述研究内容宇宙学原理研究方法2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述2.0.2.1研究内容和思路星系团?总星系?宇宙年龄?宇宙物质分布?宇宙膨胀?大爆炸?宇宙中的化学元素

6、丰度?2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述2.0.2.1研究内容和思路 通过观测发现大尺度的宇宙特征观测宇宙学 从理论上研究宇宙的结构和演化机制,进而建立宇宙模型理论宇宙学大尺度上天体系统运动形态大尺度上天体系统结构特征大尺度上天体系统演化方式2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述2.0.2.2研究方法以观测数据为基础以现代物理学为背景2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述2.0.2.3宇宙学原理一，在宇宙尺度上（大于1亿光年）,空间任一点和任一点的任一方向,在物理上是不可

7、分辨的,即在密度、能量、压强等方面是完全相同的；但在同一点，在不同时刻，其各种物理量可以不同，即允许宇宙演化2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.2现代宇宙学概述2.0.2.3宇宙学原理二，从宇宙中的任一点进行观察，观察到的物理量和物理规律完全相同，没有一处是特殊的。2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.3本节结构20世纪前自然科学基础此基础上宇宙模型世纪之交自然科学基础此基础上宇宙模型20世纪中期20世纪60年代天文学四大发现对黑洞的探索2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.0绪2.0.3本节结构20世纪前自然科学基础此基础上宇宙模

8、型世纪之交自然科学基础此基础上宇宙模型20世纪中期20世纪60年代天文学四大发现对黑洞的探索此讲法的目的:1.能使大家更加理解自然科学对宇宙学发展的重要性2.对自然科学的理解是对宇宙模型理解的基础,便于大家接受2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1 20世纪前的经典模型世纪前的经典模型2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.1 需要用到的自然科学基础经典物理天体层次欧几里得几何2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.1 需要用到的自然科学基础2.1.1.1经典物理学(板

9、书)位置-位移时间-质量速度-加速度-相对运动力-牛顿三定律:定义绝对空间和力的大小；描述力的特性万有引力2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.1 需要用到的自然科学基础2.1.1.2几何(板书)球体积球表面积2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.1 需要用到的自然科学基础2.1.1.3天体层次2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.1 需要用到的自然科学基础2.1.1.3天体层次2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.1

10、需要用到的自然科学基础2.1.1.3天体层次秒差距（英文Parsec, 缩写pc）是距离单位。它是建立在三角视差的基础上的。从地球公转轨道的平均半径为底边所对应的三角形内角称为视差。1 秒差距等于 3.3 光年，或31万亿千米。也常用千秒差距( kpc )和百万秒差距为单位2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.1牛顿静态宇宙模型代表在牛顿经典力学的框架下,对宇宙整体特性形成的观念,不单指其本人基本认识:一,时间和空间是绝对的,相对独立的;二,时间和空间是无限的绝对空间在其物理理论中的体现之一:牛顿三定律绝对空间与时间均

11、匀流逝,永无止境,与物质存在无关,不存在起源问题2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.1牛顿静态宇宙模型易被接受的原因:理论上:无须回答“宇宙若存在界限，那么其界限之外是什么；时间如果有起点，那么其起点以前是什么”之类的问题实验观测上:1846发现海王星；电动力学的成就2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2对牛顿静态宇宙模型提出质疑19世纪末,种种迹象表明经典理论不能准确描述世界哲学上:机械决定论-人脑？天文学上:宇宙观 “奥伯斯佯谬”2.

12、近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2对牛顿静态宇宙模型提出质疑“奥伯斯佯谬”(非专业解释)假设:宇宙是无限的宇宙中，处处大致均匀分布着相似的恒星，恒星总数是无限的宇宙是静止的,没有变化的宇宙在存在的时间上是无限的2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2对牛顿静态宇宙模型提出质疑由于发光体的照度与距离的平方成反比，而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比,黑夜的天空应当是无限亮的2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪

13、前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2对牛顿静态宇宙模型提出质疑球壳:恒星数目:4RR(dr)N每颗照度：E/RR球壳照度： 4RR(dr)N* E/RR= 4N* E(dr)为一定值空间总照度：一定值*无穷=无穷所以，没有黑天2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2对牛顿静态宇宙模型提出质疑迈克尔孙的绝对空间实验假设：光速相对于绝对空间速度为C（已经通过实验和理论测得和算得）用光速测地球相对于绝对空间的速度相对运动失败：光速一样2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型

14、2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2对牛顿静态宇宙模型提出质疑迈克尔孙的绝对空间实验2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2对牛顿静态宇宙模型提出质疑最终,以量子力学和广义相对论为基础的现代物理学,彻底推翻了经典物理学,牛顿的静态宇宙模型于是被替换掉了.2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.2.2牛顿静态宇宙模型的价值与启示你的看法？2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.1 20世纪前的经典模型2.1.2 牛顿静态宇宙模型2.1.

15、2.2牛顿静态宇宙模型的价值与启示第一个通过物理学和数学方法描述宇宙的理论起到奠基，启蒙和推动作用，促进了世纪之交的物理学革命证实了实验方法的重要性2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础既然牛顿理论存在缺陷那么，更接近事实的描述是什么？2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础现代

16、物理学天文测量化学元素观非欧几何2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.1相对论和量子物理现代物理学的支柱:相对论和量子物理狭义相对论和广义相对论2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.1相对论和量子物理引力场以光速传播狭义相对论基本原理:(惯性系)相对性原理(任何惯性系等价)惯性系中,光速不变原理实验基础:已讲过的迈克尔孙实验2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风

17、雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.1相对论和量子物理2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.1相对论和量子物理 以基本原理为基础的理论推导得出: 当v很小时，可见，牛顿的时空观就是狭义相对论的近似2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.1相对论和量子物理光速不变的实质是全新的时空观:1.时间和空间与物质运动密切相关.2.时间间隔随惯性系而异.时间是相对量.3.空

18、间间隔随惯性系而异.空间是相对量.2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.1相对论和量子物理广义相对论：物质引力与时空1915.11广义相对性原理：60二二. 广义相对性原理广义相对性原理（Principle of General Relativity）mF引引=mg 地球引力场中匀速运动地球引力场中匀速运动的升降梯（惯性系）的升降梯（惯性系）地球地球mF惯惯=mg 不在引力场中而加速度为不在引力场中而加速度为 -g 的升降梯（非惯性系）的升降梯（非惯性系）-g相对地球相对地球等价（局域）等价（

19、局域）1. 等价（等效）原理等价（等效）原理（equivalence principle） 均匀引力场中的惯性系和不受引力场影响而均匀引力场中的惯性系和不受引力场影响而以某恒定加速度运动的非惯性系是等价的。以某恒定加速度运动的非惯性系是等价的。61 一切参考系都是等价的，一切参考系都是等价的， 引力场和加速场的等价说明引力场和加速场的等价说明是否作加速运动是否作加速运动 2. 广义相对性原理：广义相对性原理：三三. 广义相对论的若干结论广义相对论的若干结论 万有引力定律也要加以修改。万有引力定律也要加以修改。 基于广义相对性原理的广义相对论，给出了基于广义相对性原理的广义相对论，给出了 引力使

20、时钟变慢（时间膨胀）；引力使时钟变慢（时间膨胀）； 引力使空间弯曲（靠近引力源长度变长）引力使空间弯曲（靠近引力源长度变长）; 预言了黑洞和引力波的存在；预言了黑洞和引力波的存在；物理定律在任何参考系中都具有相同的形式。物理定律在任何参考系中都具有相同的形式。也只有相对意义。也只有相对意义。引力对时间和空间的影响：引力对时间和空间的影响：2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.1相对论和量子物理广义相对论：简言之，引力与加速度等效可以推出，所有参考系等价，再根据狭义相对论，时空是“扭曲”的没有物

21、质，就没有时空2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.2非欧几何扭曲的时空需要用非欧几何描述欧几里得几何平行，平行公设广义相对论：黎曼几何学球面，双曲面并不是欧几里得几何不对，而是其为现实生活尺度上的近似结论2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.2非欧几何平行公设在球面上：地球：没有平行线平行公设在双曲面上：大于一条2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对

22、宇宙崭新的认识2.2.1 需要用到的自然科学基础2.2.1.3化学元素观物质是由原子组成的不同的原子种类：元素大家初三学化学就会学到2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型2.2.2.1.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型依据：引力场方程（相对论）原理：现实的三维空间是无界空间，无论向哪一方向走都走不到尽头宇宙没有中心，否则就引力坍缩了宇宙是有限的（可以暂时理解为体积有限）2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对

23、宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型2.2.2.1.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型同学们有疑义吗？既然有限怎么可能“无论向哪一方向走都走不到尽头”呢？谁能回答？2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型2.2.2.1.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型二维与三维的类比：地球的二维空间二维小人：平面-球面（讲解）三维的我们？（无法想象4维）简言之，n维时空在n维无界，在(n+1)维有限

24、奥伯斯佯谬被化解2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型2.2.2.1.2爱因斯坦的有限无界宇宙模型的局限与价值事实上，宇宙到底有限还是无限，至今尚无定论爱因斯坦的贡献不在于论述宇宙是否有限，而在于为宇宙学的研究奠定了科学的基础2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.1爱因斯坦的有限无界宇宙模型2.2.2.1.2爱因斯坦的有限

25、无界宇宙模型的局限与价值本来处于稳定状态的原因：空间弯曲，以二维为例严重的缺点：不稳定性可暂时理解为（不准确）：假如受到微小扰动：若变小一点，则距离都减小，引力增大，距离继续变小，一直变小；反则反之宇宙项（斥力）的故事（引入-自责-重新出来）2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.2伽莫夫的大爆炸宇宙模型恒星热核反应理论（以前的课上讲过）该理论无法解释：氦的比例占25-30%一颗刚开始聚变反应的恒星不应该有如此高的氦丰度，因为这所放出的能量远比实际观测测得的恒星产生的能量要

26、高得多2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.2伽莫夫的大爆炸宇宙模型1948年，俄国人伽莫夫和学生提出以下模型：宇宙从大爆炸起迅速膨胀，密度、压力和温度从极高的状态下降。紧接着，原始粒子（几乎都是中子）衰变。基本粒子出现。过了几秒钟，宇宙温度降低，形成原子核。2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.2伽莫夫的大爆炸宇宙模型大约再过百万年后，宇宙进一步冷

27、却，形成原子，充满宇宙中的辐射在空间传播。称为宇宙微波背景辐射，已被观测证实。预言能形成一定数量的氢、氦的核素，丰度同今天所看到的一致。还预言，现在宇宙中应充满中微子，它们是无质量或无电荷的基本粒子。现在科学家们正在努力找寻这种物质。2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.2伽莫夫的大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型与其他宇宙模型相比，能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，如同一次规模巨大的爆发。2.

28、近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.2伽莫夫的大爆炸宇宙模型由于根据哈勃常数算出的宇宙年龄比地球年龄还小，伽莫夫的大爆炸宇宙模型被冷落。然而，时隔20年后，1967年，宇宙微波背景辐射被测出，大爆炸宇宙模型被重新搬上舞台，成为现在公认的模型我们将在后几节中深入讨论2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.3稳恒态宇宙模型1948，英国天文学家邦迪等，在大爆炸

29、模型受阻的情况下提出提出宇宙在空间上均匀各向同性，在时间上稳恒不变；认为宇宙各处不断从虚无中产生物质，以保证宇宙膨胀中物质密度维持不变。克服了宇宙年龄困难和光度徉谬。2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2 20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.3稳恒态宇宙模型因其在理论上违背了通常的守恒律，没有说明物质产生的具体途径和机制；在观测上得不到星系、射电源计数的支持，也无法解释背景辐射和元素丰度等事实不被广泛接受2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.2 世纪之交科学的风雨及其后对宇宙崭新的认识2.2.2

30、20世纪初据理论和观测事实提出的种种宇宙模型2.2.2.4 等级式宇宙模型1907宇宙在天体层次分布上永无止境恒星-星系-星系团-超星系团-过于复杂，无人问津2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3 现代宇宙学诞生初期的 观测研究方法2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.1 从光学望远镜到全波段天文学及其理论基础简介射电天文学通过观测天体的无线电波研究天文现象。观测对象：太阳系,银河系中,银河系外1932-1935,贝尔实验室,央斯基发现来自银河系中心的无线电辐射,射电天文学诞生使用一种

31、崭新手段，为天文学开拓新园地。2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.1 从光学望远镜到全波段天文学及其理论基础简介波段?先了解一下波,波长2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.1 从光学望远镜到全波段天文学及其理论基础简介波段波段?2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.1 从光学望远镜到全波段天文学及其理论基础简介美国甚长基线阵射电望远镜组合美国甚长基线阵射电望远镜组合(一部分一部分)2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描

32、述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法天体力学天体测量光谱分析,天体物理射线研究由于时间关系,不做深入讨论2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法红移(三种)及哈勃关系这是与宇宙学发展联系最为紧密,对于我们初学者最重要的知识First class ending2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法T=1/f2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生

33、初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法多普勒效应 2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法红移2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法红移所以，由经典物理学理论，星体远离观测者，光谱向红色偏移蓝移2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法三种红移多普勒红移：相对运动引力红移：质量吸引宇宙学红移：空间拉伸2. 近代科

34、学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法引力红移，是强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象。由广义相对论可推知，当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的辐射源发射出来的谱线，其波长会变长一些，也就是红移。只有在引力场特别强的情况下，引力造成的红移量才能被检测出来。引力红移现象首先在引力场很强的白矮星上检测出来。2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法多普勒红移2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初

35、期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法红移量简化公式：/=v/c=z理解：2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法红移量严格公式：V=c(z+1)(z+1)-1/(z+1)(z+1)+12. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.3 现代宇宙学诞生初期的观测研究方法2.3.2 丰富多样的天文观测数据分析方法哈勃常数星系的红移动速度Vr=H0r，宇宙年龄：1

36、/H0，不准确理解：距离我们越远，膨胀越快线性质：均匀膨胀可进一步理解为空间膨胀橡皮气球2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现 2.4 20世纪60年代 影响宇宙学发展的 天文学四大发现2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.0概要射电天文学蓬勃发展脉冲星，类星体，微波背景辐射，星际有机分子三项诺贝尔物理学奖意义：确立了大爆炸宇宙模型的地位2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.1脉冲星2.4.1.

37、1发现1967贝尔周期1.337秒频率81.5兆赫图2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2脉冲星2.4.1.2特点与机理中子星被自身引力压得坍缩体积极小，密度极大D=10-15km1000000000吨/立方厘米2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2脉冲星2.4.1.2特点与机理角动量守恒：物体越小，转得越快例子：舞蹈演员/转椅所以，脉冲星转得快2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.

38、2脉冲星2.4.1.2特点与机理磁场增强磁场是什么？同步加速辐射随着其自转，均匀扫过空间中的一个面“灯塔效应”2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2脉冲星2.4.1.2特点与机理2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2脉冲星2.4.1.2特点与机理1.5毫秒只能观测到一小部分“灯塔效应”2003年 系内1400颗2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2脉冲星2.4.1.2特点与机理2.

39、 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2类星体2.4.2.1茫茫探索Quasi-stellar object观测特点：大红移，远距离，高能量，小尺度光谱难以辨认亮度周期变化2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2类星体2.4.2.1茫茫探索2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2类星体2.4.2.1茫茫探索遥远天体？宇宙初期？近距天体？2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 2

40、0世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2类星体2.4.2.1茫茫探索活动星系核2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2类星体2.4.2.2本质活动星系1000个银河系的能量类星体红移原因仍在争论宇宙论性红移非宇宙论性红移2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.2类星体2.4.2.2意义较早期遗迹微波背景辐射 50万岁氦原子丰度 3分46秒重子光子比率 （以后讲）0.000000000000000000000000000000000001秒2.

41、近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.3 3开宇宙微波背景辐射发现的故事1964贝尔实验室工程师1965普林斯顿天体物理理论与观测一拍即合2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.3 3开宇宙微波背景辐射2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.3 3开宇宙微波背景辐射各向同性各向异性大爆炸遗迹黑体辐射理论3开，开氏温标温度与分子平均动能2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪6

42、0年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.4星际有机分子有机分子生命元素分子天文学射电天文学分子光谱2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.4 20世纪60年代影响宇宙学发展的天文学四大发现2.4.4星际有机分子2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞 2.5 求索宇宙时空的本质 探秘黑洞2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞2.5.1数学模型引力引力逃逸光的逃逸 史瓦西半径克尔半径（转动）2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞2.5.2存在？形成？高密度坍缩

43、形成过程2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞2.5.3性质视界引潮力时空特性钟慢效应与时空冻结黑洞无毛与黑洞蒸发时空漩涡2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞2.5.4观测水星进动XGama1965天鹅X-12. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞2.5.5尺寸大小巨型 ，微型 ，中型密度特性恒星级 与 星团级 与 星系级Second class ending2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞2.5.6黑洞奇点，白洞，虫洞 放出物质虫洞 示意图（板书）2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述2.5 求索宇宙时空的本质探秘黑洞2.5.7黑洞的魅力 时空的本质时空？宇宙大黑洞？3.3