二、大爆 炸与宇宙起源.pptVIP

第十二讲 大爆炸与宇宙起源 宇宙学原理 历史上：爱因斯坦的简化假设：从银河系扩大到河外星系。 宇宙在大尺度（亿万光年）上是各向同性的、均匀的。 宇宙没有中心，也没有边界。 在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。 宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。 一句话：宇宙是一个物质在其中几乎均匀分布的体系，没有特殊的观察者。 无限的宇宙没有黑夜！ Olbers 等级式宇宙模型 1908年，瑞典天文学家沙立叶认为，宇宙似乎具有逐级成团分布的结构，比如恒星属于第一级，星系是第二级，再上是星系团，超星系团等等。 等级式宇宙模型修改了星体均匀分布的前提，实际上置宇宙学原理于不顾，它要求各级天体系统的尺度满足适当的条件，才能避免奥伯斯佯谬，另外它无法解释后来发现的星系红移现象。 爱因斯坦的失误 1916年，爱因斯坦在“根据广义相对论对宇宙学所作的考查”一文中通过求解广义相对论引力场方程，引入了宇宙常数项，建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型。 Rμ? -gμ? R/2-λgμ? =8πGTμ? /c4 静态：从大尺度来考察，宇宙空间中的物质基本上是静止不动的； 有限无界：宇宙空间是三维的，它的大小有限，光线在这个空间中沿着弯曲路径传播，始终不会有它的终点，这个空间是没有边界的4维圆柱。弯曲空间由于星系计数变小而避免Olbers之谜。 一种可能的闭合宇宙模型 平直空间与弯曲空间 圆极限 图中所有的天使、所有的魔鬼在非欧度量下都是全等的！ 非欧几何的庞加莱模型 “宇宙常数项是没有必要的” 1922年苏联科学家弗里德曼重新求解了爱因斯坦的引力方程，认为爱因斯坦引入的“宇宙常数项”完全没有必要，并建立了“弗里德曼宇宙模型”，认为宇宙的演化与宇宙物质的平均密度和临界密度有关。 广义相对论 又是一个挑战！ 我们生活于其中的宇宙会不断的膨胀，或者到了一定的时候还会收缩，由此意味着宇宙有个开端，或者还有末日！这实在是太奇妙了。 爱因斯坦认识到弗里德曼工作的重要意义，认为自己在引力方程中引入“宇宙项”的做法是最愚蠢的。 但是，这种“膨胀的宇宙”如何能得到证明呢？ 2.历史转折：哈勃发现星系红移 大概从1910年起，天文学家们在研究河外星系的光谱时，发现有系统的红移现象。到1917年，事情变得很清楚，除了少数几个离地球近的星系，所有其他星系都显示出红移现象。星系越远，红移越显著。1929年美国天文学家哈勃提出了著名的“哈勃定律”，宣布星系的退行速度与距离大致成线性关系V=H0D，H0称为哈勃常数，现在确定其值为50公里/（秒·百万秒差距）。 多谱勒效应(Doppler Efects) 多谱勒效应 速度和波长的关系；日常经验：飞驰而来的火车，音调升高，当背你而去时，音调降低。音调：波长（波峰之间的距离）和频率（每秒钟的波动数目） 多谱勒效应对应于光波也是正确的 哈勃是继哥白尼以后最伟大的天文学家……他发现了星系，指出它们具有宇宙大规模尺度的特征。后来又发现了宇宙的膨胀，这些都是非常伟大的里程碑，也确定了他在历史上的位置。 尽管多普勒红移是哈勃定律确立的理论根据，但是按照广义相对论重新理解哈勃定律，就会发现红移的主要源头是空间膨胀的宇宙学红移。 河外星系 从1925年起，哈勃为“旋涡星云的退行速度和它们的距离的关系”问题，在100英寸反射镜上投入了大量的观测时间，在他生命最后数年用200英寸反射镜观测。 在那些年里，关于这些天体的想法的进展反映在对它们的叫法上：“旋涡星云”变成了“河外星云”，最后是现代叫法“河外星系”。 哈勃定律 到1929年，他已获得24个星系的视向速度和独立的距离测定，他发表了一幅速度作为距离函数的图，显示每一百万秒差距（即1Mpc）退行速度增加每秒50公里。哈勃第一次估算给出的这个量，后来叫做哈勃常数，这是宇宙学基本常数之一。而“星系退行速度正比于它的距离”被叫做哈勃定律，或红移定律。 宇宙学红移 Hubble’s Law 两 种 速 度 星系在空间中的运动速度：受狭义相对论的限制。 空间本身的膨胀速度：不受狭义相对论的限制。 速度与红移的关系 哈勃定律的几何解释 星系之间的膨胀用哈勃定律描述，它的几何解释是：一个参照系就是一个类时矢量场，矢量场有三个指标：膨胀，剪切，扭转。哈勃常数代表的是宇宙标准参考系的膨胀。 宇宙的各向同性观察者对应的类时矢量场的扭转为零，扭转为零的矢量场是超曲面正交的，这个超曲面就是我们宇宙的空间部分，但这个矢量场不是凯林场，所以宇宙不是静态的。 4维时空有10个凯林场，具有最大对称性的只有3种：德西特时空，反德西特时空，闵氏时空。 Doppler红移 Doppler红移只能描写在空间（惯性坐标系）中本动。 Doppler红移受狭义相对论的限制。 Doppler