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爱因斯坦与现代宇宙学 福建师范大学 物光学院 FUJIAN NORMAL UNIVERSITY POET 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。 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 ct0 t0: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。 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 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。 5. 爱因斯坦的宇宙模型 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 ~ mc2 M ~ R3 强场条件： GR2/C2 ~ 1 3.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。 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 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。 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。 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、恩格斯的观点 热寂说的要害 1、宇宙在膨胀 2、引力系统是具有负热容的不稳定系统，密度均匀并不是几率最高的态。天体的形成是引力系统的自发过程， 均匀物质凝结成团块（星系）的过程，引力能转化为动能，熵无极大值。 膨胀的宇宙和负热容的引力系统冰释了“热寂” * * Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.引言 Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 原子核 人 地球 太阳 太阳系 银河系 星系团 超