二、大爆炸与宇宙起源

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1、第11讲大爆炸与宇宙起源引子：亘古不衰的问题蓝天白云，碧空广袤浩瀚；群星璀璨，河汉深不可测；宇宙为何是这个样子？它从何处而来？又向何处而去？宇宙会有开端吗？时间会有终结吗？一个著名的传说相传罗素在作过一次关于宇宙的演讲后，听众中的一位老夫人站起来，老夫人说：“你说的这些全是废话，这个世界是驮在乌龟背上的一块平板！”罗素问道：“那么这只乌龟站在什么地方呢？”老夫人说：“年轻人，你很聪明！不过，这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟塔啊！”一、简短的历史回顾中国：盘古开天辟地印度：“象-龟”模型希腊：地球在水上浮动基督教

2、：上帝的创生上帝在创造宇宙之前做什么？有人问奥古斯丁：上帝在创造宇宙之前做什么？奥古斯丁的回答：—“他正在为问这个问题的人准备地狱！”笛卡尔的“漩涡学说”宇宙空间充满了物质微粒—“以太”，以太的漩涡运动促使物质向中心聚集，从而形成太阳，其余物质慢慢形成了地球和其他行星，残余的物质则形成了透明的天空。康德-拉普拉斯的“星云假说”1755年德国哲学家康德出版他的著作《自然通史和天体论》，在该书中他提出了太阳系演化的星云假说。后来，为拉普拉斯修正和完善。至今，这个假说仍被视为对哲学和自然科学有巨大影响和推动作用的学说

3、。(ImmanuelKant，1724-1804)太阳系一开始可能是一团巨大的旋转星云随着星云中无数粒子的相互吸引，行星和卫星从中凝聚出来该假说可以说明所有行星和卫星都围绕着太阳从同一方向从西向东在同一平面内旋转的事实。困扰人们的问题？走出太阳系，放眼宇宙，首先遇到的问题是：恒星距离我们有多远？银河系的结构是怎样的？银河系之外是怎样的世界？整个宇宙是有限的？还是无限的？宇宙是无限的吗？两个悖论如果宇宙是无限大的，其中就有无数个恒星，按照牛顿万有引力定律，宇宙空间中任何给定两点的引力就可能很大或无限大，因此，任意

4、一点的引力势就无法确定。—西利格之谜如果宇宙是无限的，并且恒星的数量也是无限的，而且是均匀分布的，那么黑夜则不复存在，因为你向任何一个方向望去，总能看到一个恒星。—奥伯斯之谜无限的宇宙没有黑夜！Olbers宇宙是有限的吗？如果宇宙是有限的，那么宇宙的边界和中心在何处？边界以外又是什么？卢克莱修的“飞矛”：如果宇宙是有限的，倘若一个人一直走到它的边上，猛掷一根飞矛，那么试问：它将飞向何处？爱因斯坦的困惑：宇宙究竟是无限伸展的？还是有限封闭的？海涅：一个白痴才希望有个答案。爱因斯坦的失误1917年，爱因斯坦在“根据

5、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。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，即这个空间没有边界。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！“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”，

6、认为宇宙的演化与宇宙物质的平均密度和临界密度有关。弗里德曼的膨胀曲线开平闭开放的宇宙永远膨胀，闭宇宙膨胀后会再次收缩开：双曲型开放宇宙，宇宙曲率为负平：欧几里得型平直的开放宇宙，曲率为零；闭：没有边界、体积有限的闭合宇宙，宇宙空间曲率为正。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？二、历史转折

7、：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(redshift)。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(DopplerEffects)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

8、。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。EdwinHubble,1889-1953“诺贝尔奖”的遗憾20世纪40年代和50年代初，由于哈勃在天文学方面的巨大贡献和影响，有人倡议授予