第二讲宇宙学(论)..ppt

* 宇宙的起源 本世纪，有两种宇宙起源模型比较有影响。一是稳态理论，一是大爆炸理论。 若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化。宇宙不需要一个开端或结束。即使是在发现宇宙正在膨胀之后，这种想法也没有被放弃。 * 稳态理论 托马斯.戈尔德(Thomas Gold)，赫尔曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)于40年代后期提出，物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。 这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。 宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。 稳态理论所要求的创生速率很小，每100亿年中，在一立方米的体积内，大约创生1个原子。稳态理论的优点之一是它的明确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的 。也正因如此 ，它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射被发现后，这一理论基本上已被否定。 * 大爆炸宇宙论 * 大爆炸理论的提出 宇宙的产生为什么会想到大爆炸？ 二十世纪匈牙利科学家勒梅特设想： 物质结构和次序的认识：物质的形成由简到繁。 熵增原理： 最简单就是一个原子-----原始的原子的演变到现在的宇宙 想到大爆炸理论的人是爱因斯坦 * 广义相对论理论基础 宇宙红移的观测事实 宇宙大爆炸理论观念的形成 * 大爆炸理论验证 20年代后期，爱德温·哈勃(Edwin Hubble)发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。 * 伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念???理论 1950年前后，伽莫夫（美籍俄国）第一个建立了热大爆炸的观念。 伽莫夫认为，宇宙开始于高温、高密度的原始物质。最初温度超过几十亿度，很快降至十亿度，那时的宇宙中充满的是辐射和基本粒子，随后温度持续下降，宇宙开始膨胀。当膨胀持续了几百万年时，温度冷却至四千度，物质逐渐凝聚成星云，再演化成今天的各种天体。 这个创生宇宙的大爆炸，事实上应该理解为整个空间同时的急剧膨胀。 * ???理论提出后中间有经过很多人的修正补充并且完善。 该理论最核心的一点是：如果理论成立，那么宇宙将一边膨胀，一边降温，那么降到现在宇宙边缘的温度应该降到5度（绝对温标）左右。 理论提出，等待验证。但是比较困难。 * “宇宙微波背景辐射” 二十世纪六十年代初，美国贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收通讯天线系统。 1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声，他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K的热辐射。 1965年他们又将其修正为3K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。 * 早期的宇宙背景辐射观测 彭齐亚斯（左） 和威尔逊（右） * 黑体辐射谱 微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱。从 0.054厘米直到数十厘米波段的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。 * 黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。 由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。 * 各向同性的背景辐射 微波背景辐射的另一特征是具有极高的各向同性。这具有两方面的含义： ①小尺度上的各向同性：在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2-0.3%； ②大尺度上的各向同性：沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。 各向同性说明，在各个不同方向上，各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互联系。 * 3K背景辐射与理论相符 微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的重大成就，目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。 3K背景辐射与四十年代伽莫夫、海尔曼和阿尔菲根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射理论相符。 * 宇宙红移的观测再次证明了大爆炸理论 二十世纪30年代，哈勃工作在美国的威尔逊天文台测量其它星系相对于银河系的运动时，发现各个星系都在远离银河系。从而得出了哈勃定律。 Vesto Slipher 第一个发现了星系红移现象 Edwin Hubble 确立了红移与距离之间的关系：哈勃定律 * 红移现象通常认为这种红移是由宇宙膨胀的多普勒效应引起。 光是电磁波。 当光源远离观测者时，接受到的光波频率比其固有频率低，即向红端偏移