宇宙 物理学.ppt

1、宇宙的过去和未来,陈学雷 中国科学院国家天文台,北京天文馆 2009.9.19.,四方上下曰宇，往古来今曰宙 世说新语挑调篇注引尸佼（约390B.C.-330B.C.),宇宙的概念,说文,cosmos (): order, orderly arrangement universe: from Latin universum, Lucretius (99BC-55BC), uni: one, versum: rotate,关于宇宙历史的三种观点,宇宙创生说 “清阳者薄靡而为天，重浊者凝滞而为地。” 宇宙永恒说 冉求问于仲尼曰：“未有天地可知邪？”仲尼曰：“可。古犹今也。” 宇宙循环说,近代对宇宙

2、的认识,伽利略用望远镜发现银河由很多恒星构成 布鲁诺: 无限宇宙 测定恒星距离 光度法 三角视差法,William Herschel 1785 恒星分布模型,William Herschel 使用的望远镜,Messier (1730-1871),恒星之外,对星系的认识,Lord Rosses telescope,M51 “漩涡” 星系,康德猜想一些星云是与银河系类似的“宇宙岛”,梵高“罗纳河畔的星夜”,元素光谱与天体物理,Fraunhofer (1814) 发现太阳光谱中的暗线 Kirchhoff & Bunsen 据此认证了太阳上的元素（1859） Lockyer & Janssen (18

3、68) 提出太阳上存在当时未知的元素氦(helium) Huggins 夫妇观测了大量恒星光谱并确定了其成分和速度,我们在地球上,怎么可能认识宇宙呢？,关于银河系和旋涡星云的大辩论,Shapley,Curtis,太阳在银河系边缘 旋涡星云在银河系内,太阳在银河系中心 旋涡星云是河外星系,小麦哲伦星云中的造父变星,H. S. Leavitt,G. Hale,Hooker 100inch telescope,哈勃与河外星系,Lundmark 观测的M31新星和亮星 Scheiner 观测M33 光谱 Hubble 观测的造父变星,业余爱好者活动： 星系动物园,http:/www.galaxyzoo

4、.org,人在分类方面往往比计算机更准确, 帮助科学家为一百万个星系分类！,牛顿宇宙学与奥尔伯斯佯谬,如果宇宙是无限的、永恒的如果恒星均匀分布且始终存在天空的亮度将是无限大,爱因斯坦广义相对论,运用了非欧几何 时间空间是弯曲的（流形） 物质的能量和动量影响时空弯曲 物质粒子在不受外力下沿时空短程线(geodesic)运动,爱因斯坦的有限静止宇宙模型,几何上假定宇宙是均匀各向同性的正曲率空间 宇宙是有限无边的 假定存在宇宙学常数,产生的时空弯曲恰好与物质产生的弯曲相抵消，实现静止（引力斥力同出于重力） 但是, 如果物质引力不是正好被宇宙学常数抵消呢?,星系光谱的红移,多普勒（1842）：运动造成

5、谱线频率改变 Slipher （1912-1917)发现大部分星系(21/25)光谱红移，且速度远高于恒星 哈勃(1929), 哈勃&Humason(1934),Hubble 1929： 造父变星、最亮星、星系亮度,Hubble & Humason 1934：星系团中的第五亮星系,哈勃定律与宇宙膨胀,膨胀宇宙理论,宇宙空间有三种可能性,Alex Friedmann,Le Maitre,宇宙大爆炸理论和稳恒态宇宙理论,Gamow,勒梅特、伽莫夫：既然宇宙是膨胀的，那么越往前追溯,宇宙的密度越高,同时温度也会更高,假定已知的物理定律是适用的,可以一直到元素发生核反应的时刻，今日可见的宇宙当时只在一

6、个很小的点内。（在这之前物质是如何产生的取决于我们尚不了解的物理过程。） Bondi, Gold, Hoyle: 物质被连续不断地创生出来，因此宇宙虽然膨胀但物质密度一直保持不变。,Hoyle,望远镜：回望过去,由于光速有限, 我们看得越远，就看到越早的宇宙,类星体与射电源计数,类星体的想象图,类星体3C273,Ryle 1955,完美宇宙学原理:“古犹今也?,化学元素的启示,氢和氦占宇宙普通物质的34和14，其它元素只占很少的部分,元素的起源,宇宙早期，温度很高，物质以质子、中子形式存在。此后，质子和中子结合成原子核。在这种反应中形成氢、氦、氘等轻原子核,其它元素: 在恒星中合成后在超新星爆

7、炸中被抛出,或在超新星爆炸时产生,宇宙微波背景辐射 (CMB),Alpher, Herman, Gamow （1948）: 在高温下物质产生辐射因此宇宙早期一定存在大量光子，物质处于等离子体状态。随着宇宙膨胀冷却，等离子体复合成普通气体。时至今日，光子红移成为微波。 Dicke, Peebles, Wilkinson (1964): 寻找宇宙微波背景 Penzias & Wilson 1964 调试Bell Lab 天线,宇宙微波背景辐射的黑体谱,COBE 卫星,大爆炸的历史,宇宙膨胀的动力学解,K=+1 闭合宇宙 K=0 平直宇宙 K=-1 开放宇宙,确定宇宙的命运: 哈勃常数,Hubble

8、 H0= 500 km/s/Mpc Baade: 两个星族 de Vaucouleurs H0=100km/s/Mpc Sandage H0=50km/s/Mpc HST key project: H0=73km/s,物质密度:暗物质,F. Zwicky 1933,COMA cluster,星系团内的星系运动速度与引力有关, 根据速度大小可以判断星系团的质量. 星系团内的质量光度比是太阳的几百倍，说明星系团内存在不发光的暗物质,星系旋转曲线与暗物质,引力透镜效应,引力透镜效应,暗物质是不发光的普通物质吗?,人们用多种方法探测可能存在的重子暗物质，表明其不可能大量存在 对星系团的观测表明暗物质约

9、占宇宙总密度的20，但氘的丰度表明重子物质不可能超过宇宙总密度的5%.,确定宇宙的几何,根据宇宙早期的“声音”，可以确定宇宙几何！,宇宙是平直的！,超新星与暗能量的发现,加速的宇宙,和谐宇宙学模型,宇宙之五个时代,Adams & Laughlin (1999),t=10n 年,原初时代(primordial era) n6,生星时代(stelliferous era) 6n14,简并时代(degenerate era) 14n39,黑洞时代(black hole era) 39n100 黑暗时代(dark era) 100n,宇宙是怎样变成均匀的?,视界问题,平坦问题,暴胀 (inflation),Guth,为了解决平坦问题和视界问题, 需要暴胀1025 倍以上 宇宙的可观测部分是平直的,混沌暴胀,Linde,宇宙中满足一定条件就会发生暴胀 暴胀处的体积迅速远远超过其它地方 可观测的宇宙只是整个宇宙的一小部分,宇宙是怎样变成不均匀的?,海森堡,根据测不准原理,在微观尺度存在量子涨落,终极理论：大爆炸之前?,世界的本原是弦？,粒子是弦上的激发 自动包括了引力 世界其实是10维或26维的,如何探测极早期的宇宙,大爆炸之前是什么: 永恒暴胀? 时空概念失效？ 有生于无