大学物理第三部分量子与宇宙学之第18章 宇宙学简介

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1、第18章宇宙学简介18-1宇宙学原理18-2奥伯斯佯谬与宇宙的膨胀18-3大爆炸宇宙论第18章宇宙学简介宇宙的结构和演化中国——“盖天说”、“浑天说”、“昼夜说”古希腊和古罗马——“中心火焰说”、“日心说”、“地心说”凭空想象主观臆断(哲学思辩)哥白尼提出“日心说”万有引力定律给宇宙学奠定了动力学基础第18章宇宙学简介奥伯斯佯谬均匀、各向同性宇宙的动态度规大尺度空间随时间膨胀宇宙中天体存在红移，表明宇宙正在膨胀提出大爆炸宇宙模型朴素宇宙观点宇宙在时间上无始无终，空间上无边无际宇宙空间是三维欧几里德的无

2、限空间18-1宇宙学原理宇宙学原理：在宇观尺度（大于108光年）下，任何三维空间都是均匀的、各向同性的。按照宇宙学原理，在宇宙中心，所有星系都是平权的。用宇宙原理分析宇宙中物质的速度分布分别由O,O'观察天体A,A'分别由O,O‘观察同一天体P18-1宇宙学原理分别由O,O'观察天体A,A'分别由O,O‘观察同一天体P由宇宙学原理：观察到的位于的天体速度应等于观察到的位于处的天体速度观察同一天体P18-1宇宙学原理2、收缩解f(t)<0,天体作均匀收缩的运动，收缩速度正比于相对观察者的距离。3、静止解

3、f(t)=0,天体之间都相对静止。令哈勃常数物理意义为t时距离r处宇宙物质之速度与距离之比18-2奥伯斯佯谬与宇宙的膨胀奥伯斯提出一个命题，假设：1、星体均匀分布在无限的空间上。2、星体才能在的时间是无限的。每颗星的平均光度都一样。3、整个星体体系没有运动。结论：黑夜与白天一样亮。奥伯斯佯谬矛盾缺陷：未考虑中间的恒星会遮住来自更远恒星的辐射。解决：从宇宙学原理出发，在牛顿力学的框架内，证明宇宙必定在膨胀。18-2奥伯斯佯谬与宇宙的膨胀1930年，天文观测证实了“宇宙在膨胀”。星体相对于我们的速度正比于

4、它的距离，现在时刻的哈勃常数为t0——宇宙大爆炸开始到现在所经历的时间（宇宙年龄）18-3大爆炸宇宙论一、宇宙演化的历史大爆炸理论认为：时空和物质都是在大爆炸中产生。由广义相对论计算得出宇宙的年龄小于200亿年现在普遍认为宇宙的年龄为150亿年左右t=0宇宙发生爆炸t<10-44s，量子效应起主要作用，时间、空间概念和因果律失去意义，四个相互作用的强度不可分辨t=10-44s才可谈论时间、空间，宇宙处于温度、压强、时空曲率和物质密度都极大的状态18-3大爆炸宇宙论从t=10-44s开始，宇宙演化的历史

5、分四个时期：1、强子期（从10-44s至10-4s）2、轻子期（从10-4s至10s）3、辐射为主期（从10s至1013s）整个宇宙结束了混沌局面，沐浴在一片光辉之中。1~3总称为星前时期4、物质为主期（从1013s至现在）18-3大爆炸宇宙论二、未来宇宙的演化空间曲率K对未来宇宙演化的影响：1、K=-1宇宙膨胀速率越来越慢，最终趋于一个正的常数，宇宙将永远膨胀下去。2、K=0宇宙将永远膨胀下去，但在尺度因子趋于无穷时膨胀速率趋于零。3、K=1宇宙收缩。目前认为宇宙可能是一个无限膨胀的平直宇宙。18-

6、3大爆炸宇宙论三、大爆炸的证据1、哈勃定律星系的视向速度V与星系离我们的距离d成正比2、微波背景辐射3、氦丰度四、爆涨模型