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Lecture 5 Cosmology 宇宙何时开始、 如何开始、为何开始？ 它将如何变化？ 它的最终命运又将如何？ Outline 宇宙学研究历史概述A brief history of cosmology ； 宇宙的结构 The Structure of the Universe 宇宙的一般图景 General Picture of the Universe ； 牛顿的宇宙模型及其困难 Newtonian Universe and its Problems 爱因斯坦的宇宙模型 Einsteins Universe 膨胀的宇宙模型 Expanding Newtonian Universe 宇宙的大尺度结构 Large Scale Structure of the Universe 宇宙的膨胀和演化 Expansion and Evolvement of the Universe ； 宇宙观测实验 Observational Experiments、宇宙微波背景辐射 Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR)； 黑洞 Black Hole； 宇宙学重大前沿课题 Frontiers Problems and Recent Progress 观测宇宙学的一些新进展； 超弦理论与宇宙学的挑战 暗能量理论研究现状概述 反物质的寻找和理论研究现状 1. A brief history of cosmology Basic concepts spatial extent finite (with edges) finite (unbounded) infinite our location Earth at centre Sun at centre solar system near centre solar system far from centre no centre Early ideas: astronomy Clearly understood concepts in Greek and Hellenistic astronomy shape and size of the Earth (Eratosthenes厄拉多塞 , BC 276-197) size and distance of the Moon (Aristarchos阿里斯塔克, BC 310-230) Sun is much larger than Earth (Aristarchos) exact value was wrong by a large factor: method sound in principle, impossible in practice! Ideas raised but not generally accepted Earth rotates on its axis (Heraclides赫拉克利德 , BC 387-312) Sun-centred solar system (Aristarchos) State in ~1900 We know speed of light distance to nearby stars the Earth is at least several million years old Our toolkit includes Newtonian mechanics Newtonian gravity Maxwell’s electromagnetism 现代宇宙学的开端 1916年，广义相对论正确地预言日全食时能看到掠过太阳边缘的星光发生1.75角秒的偏折，完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星近日点每百年前移43角秒的现象． 1917年，爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究，揭开了科学宇宙学的序幕． 1922年，弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，而不会保持静止． 1929年哈勃发现了哈勃定律，为弗里德曼的宇宙学模型提供了观测依据 按目前测定的哈勃常数H，可估计出我们宇宙的开端——“大爆炸”发生在距今137亿年．宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙龄”上限． 借助卢瑟福开创的利用放射性同位素含量测定其年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石、“阿波罗号”的宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石等样本，发现它们的年龄均不超过47亿年． 恒星的年龄可以从恒星演化理论来估计，得到银河系中最古老的恒星的年龄为100亿年～150亿年． 用不同方法得到的天体年龄均与“宇宙龄”不矛盾 根据大爆炸理论算出，氦同氢的质量比应约为1∶3． 观测表明，恒星、或星际物质中，氦与氢的比例大体与此相符