1、第七章,现代天文学与宇宙学概论,本节教学目的和要求,1. 了解现代物理学对天文学发展的影响,重点把握现代物理研究方法在天文观测上的应用； 2. 了解20世纪射电观测手段的诞生对天文观测进步的重大意义以及60年代四大天文发现； 3. 把握宇宙学产生与发展的历史线索,重点掌握大爆炸宇宙理论的基本观点及其深远影响。,第一节、天文学的丰硕成果,1. 天体物理学的发展2. 观测手段的进步3. 宇宙学的发展4. 黑洞与宇宙,一、天体物理学的发展,分光术应用于天文学产生了天体分光学,1. 1666年，牛顿用三棱镜将白光分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光。 2. 1802年，英国的沃拉斯顿在棱镜上加了
2、一个夹缝，首先发现了太阳光谱中的吸收线。 3. 1859年，德国物理学家基尔霍夫提出了基尔霍夫定律： 每一种化学元素都有自己的光谱；每一种元素都可以吸收它能发射的谱线。,测光术在天文学上的应用,1. 1857年，英国人普格森建立了光度与星等的基本关系式，从此开始了科学的测光工作。 2. 1859年，德国天文学家泽内尔制作了第一架近代光度计，并于1861年公布了用这架仪器测量到的226颗亮星的第一个近代光度星表。,照相术在天文学上的应用,1. 1840年，美国的德雷伯最先把照相术应用于天文观测，拍摄了月亮的照片。 2. 1880年开始，美国哈佛大学天文台用物端棱镜拍摄了225，000多颗恒星的光
3、谱照片，并按光谱把这些星分类，成为著名的哈佛光谱分类。 3. 当前，天体物理学和理论物理学迅速发展，以及它们之间日益广泛而深入地互相结合、渗透的新趋势，使天体物理学出现许多分支，为人们更深刻认识天体运行规律提供了新的理论武器。,二、观测手段的进步,1. 由于天文学研究对象的特殊性，它的现代发展离不开观测手段的改进，这里主要指射电望远镜的发展和应用。 2. 1937年，美国的雷伯制造了第一台射电望远镜，抛物面直径达9米。 3. 1942年，英国海伊用军用的超高频雷达首先发现了太阳射电。 4. 六十年代天文学上的4大发现类星体、3 K微波背景辐射、射电脉冲星和星际有机分子，都是靠射电探测工具获得的
4、。,0,类星体,微波背景辐射,来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射。20世纪60年代初，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。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3.5 K。1965年， 他们又订正为3 K，并将 这一发现公诸于世，为 此获1978年诺贝尔物理学 奖金。,微波背景辐射的发现被认为是20世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相比拟。当前，流行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
5、的强有力的支持。早在40年代，伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料，发展了热大爆炸学说，并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，其温度约为几K或几十K。3 K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。,射电脉冲星,星际有机分子,当今主要的光学望远镜，Keck、VLT、HST,当今主要的射电望远镜， Effelsberg、Arecibo 、VLA,当今主要的X射线望远镜， XMM，Chandra,中国现有和准备 建造的望远镜。,2.16m 兴隆,25m 上海佘山 新疆天山,宇宙论的基本问题,1. 宇宙从哪里来？又向何处去？ 2. 宇宙中的天体是如何运行的？ 3. 对于这样的问
6、题，在人类历史上出现过多种多样的答案。 4. 譬如基督教的回答是这样的：上帝创造了宇宙以及其中的万物；天体的运行也是上帝安排好的。,三、宇宙学的发展,古希腊人的答案,1. 古希腊人用几何学来解释日月行星是如何运行的，这些知识被公元二世纪的托勒密（Claudius Ptolemy）汇总在至大论一书中，构成我们今天所知的地心宇宙体系。 2. 地心说是第一个精密的宇宙模型，用来解释太阳、月亮和当时已知的五大行星如何绕着地球这个宇宙的中心运行。 3. 后来该学说与亚里斯多德的哲学结合被纳入圣经的框架，成为基督教的钦定宇宙模型。,日心宇宙模型,1. 文艺复兴晚期，波兰教士哥白尼（Nicolas Cope
7、rnicus）从简单性和完美性的信念出发，提出了一个日心宇宙模型， 2. 认为地球带着月亮，和其他行星一起，是绕着太阳这个宇宙的中心转动的。 3. 1543年哥白尼去世前一刻将这种学说以天体运行论的书名公开发表。,伽利略的贡献,1. 1609年意大利人伽利略（Galileo Galilei）把望远镜指向天空，看到了一系列前所未见的天象。 2. 特别是他看到木星有四颗卫星围绕它运转，这一观测否定了地心说的地球是宇宙唯一绕转中心的说法。 3. 伽利略热情地宣传日心说，写下了关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话的名篇（1632年出版），从而引起一些教会学者的疑虑和嫉恨。 4. 罗马教会的宗教法庭做出
8、裁决：天体运行论只能作为一个数学模型在学校讲授；伽利略的著作禁止出版，其本人终身监禁。,开普勒的贡献,1. 另一位哥白尼学说的信奉者德国人开普勒（Johann Kepler）找到了有关行星运行的更简单的一致性。 2. 在1609年其发表的新天文学中，开普勒指出所有的行星包括地球沿各自的椭圆轨道绕太阳转动，太阳位于这些椭圆轨道的一个焦点上。 3. 用一条圆锥曲线就描述了所有行星的运行，开普勒把宇宙和谐的思想发挥到了极至。,天体运动的原因,1. 到此为止人们只是在回答宇宙如何运转的问题。 2. 开普勒进而开始寻找让天体运动起来的动力学原因。 3. 笛卡尔（Ren Descartes）在这方面也进行
9、了并不很成功的尝试。 4. 直到牛顿（Isaac Newton），以伽利略、开普勒等前贤的工作为基础，终于找到万有引力定律。,自然哲学的数学原理,1. 在1687年出版的自然哲学的数学原理中，牛顿系统地阐明了现在称为牛顿运动三定律的运动学原理； 2. 并用万有引力定律在数学上严格地证明了开普勒提出的行星运动三定律。 3. 上到天体的运行，下到潮水的涨落，都服从于一条简单的定律。 4. 人类智力达到了前所未有的自信。,绝对时空,1. 牛顿为服从他的运动规律的运动物体创造了一个可以自由驰骋的时空一个无始无终的宇宙。 2. 在那里时间均匀流逝，没有起始没有终结。空间均匀而平坦地伸展直达无限。 3.
10、这样的时间和空间为描述一切物体的运动提供了绝对的时间和空间坐标。,不稳定的宇宙？,1. 牛顿的万有引力定律表明所有物体都相互吸引，宇宙间恒星、星系之间的吸引力应该使得它们要互相靠拢，因而宇宙会变得不稳定。 2. 当时虽然有人对牛顿宇宙的不稳定性和无限性提出了的疑问，但牛顿理论的成功让这些疑问变得微不足道。 3. 而牛顿提供了他的上帝，这个宇宙的管理者。,奥伯斯佯谬,1. 1826年德国天文学家奥伯斯（Heinrich W. M. Olbers）提出了这样一个想法： 2. 假如宇宙真的无限，并且包含无限多的、均匀分布在空间中的恒星的话，这些星光积累起来，会使得星空的每一个角落的亮度都应该跟太阳表
11、面的亮度一样眩目。 3. 事实上，我们看到的并不是这样的，黑夜和白天还是很分明。这被称作奥伯斯佯谬，又叫光度佯谬。,诺曼-西里格佯谬,1. 1894年诺曼（C. Neumann）和西里格（H. von Seeliger）又提出： 2. 假如宇宙无限大，物质均匀分布，密度处处不等于零的话，那么作用于每一个天体的万有引力将累积到无限大。 3. 但是这种现象也没有被观测到。这被称作诺曼-西里格佯谬，又叫引力佯谬。,无限宇宙的困境,1. 在牛顿的无限宇宙框架里，前述两个佯谬难以避免。 2. 另外，牛顿的经典力学只解释了宇宙中万物的运行规律，不回答宇宙是如何来的。 3. 牛顿保留了上帝的位置，把“第一推
12、动”和管理宇宙的任务交由上帝完成。,无限层次宇宙模型,1. 1908年瑞典天文学家沙里尔提出无限层次的宇宙模型，试图克服无限宇宙的佯谬。 2. N1个恒星G0聚集成星系G1，N2个G1聚集成星系G2，如此类推。 3. 由于该理论设想每一个层次的物质密度逐渐减少。在宇宙尺度上，物质密度将趋近于零。,广义相对论,直到二十世纪初期，爱因斯坦（Albert Einstein）提出广义相对论之后，关于时间和空间的起始和终结问题，关于宇宙的创生问题，才真正变成了一个科学问题，或者说物理学问题，甚至数学问题。,广义相对论引力场方程、宇宙项,1. 爱因斯坦自己率先利用广义相对论引力场方程进行宇宙学研究。 2.
13、 爱因斯坦发现按照他的引力场方程，算出来的宇宙是不稳定的，宇宙不是在膨胀便是在收缩。 3. 因此爱因斯坦在方程中凭空加上了额外的一个宇宙项，这个所谓的宇宙项具有斥力的效应，这样就可以用宇宙项的排斥来抵消物质的吸引。 4. 换言之，由宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇宙中质量和能量产生的正时空曲率。,爱因斯坦的静态宇宙模型,1. 爱因斯坦得到一个静态的宇宙模型： 2. 宇宙空间是封闭的，但又是无边的、无止境的。就是说宇宙是有限无界的。 3. 假如一个光子向任何一个方向辐射出去，那么它会一直在封闭的空间中传播，任何地方也不会碰到空间的边缘，最后还会回到出发地。 4. 爱因斯坦的宇宙半径大约35亿光年
14、。,星系红移,1. 爱因斯坦在发展他的广义相对论的同时，另有一群实测天文学家，他们没有受到过太高深的数学训练，也不接触爱因斯坦的理论。但是他们用当时世界上最先进的望远镜孜孜不倦地观测天空。 2. 大概从1910年起，天文学家们在研究河外星系的光谱时，发现星系有系统的红移现象。到1917年，他们搞清楚了，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。,哈勃定律,1. 1929年美国天文学家哈勃（Edwin Hubble）提出了著名的“哈勃定律”： 2. 星系退行的速度（V）与它们离地球的距离（R）大致成正比，即V=HR，H称为哈勃常数， 3. 现在确定其值为50
15、公里/（秒百万秒差）。 4. 哈勃常数的倒数可以看做是宇宙年龄，不难算得宇宙年龄大概在200亿年左右。,“大爆炸理论”,1. 哈勃红移的发现证明爱因斯坦的静态宇宙模型是错误的。爱因斯坦自己也把宇宙项称作“一生中最大的错误”。 2. 后来纷纷出笼的宇宙模型都把哈勃红移考虑在内。其中以美籍俄裔物理学家伽莫夫（George Gamow）等人提出的后来被称作“大爆炸理论”的最为著名。,该理论认为宇宙起源于高温 高密的“原始火球”的大爆炸。 在爆炸开始几分钟里元素从辐射 和核粒子的原初混合物中形成。 2. 该理论还预言了大爆炸的一个结果，在今天的整个宇宙中有一种剩余辐射，它各向同性，温度为绝对零度以上5
16、度（5K）。,迪克的理论,1. 美国普林斯顿大学的迪克（Robert H. Dicke）根据伽莫夫的理论进行研究，在1964年他也预言了高于绝对零度以上几度的背景辐射。 2. 迪克的小组还开始建立一台仪器来探测这种辐射以检验这一理论。,宇宙微波背景辐射,1. 1965年贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson），正在校正为测试卫星通讯而设计的反射天线。 2. 他们以极大的耐心追踪和消去干扰源。但是他们发现，有一种未加解释的辐射来自天空的各个方向，对应的温度大约是3K。 3. 他们向迪克咨询引起这种辐射的可能原因，不料获悉他正在积极寻找他
17、们已经找到的东西。 4. 宇宙微波背景辐射的发现对大爆炸理论是一个有力的支持。,“稳恒态宇宙”,1. 1948年，三位剑桥天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）、邦迪（Hermann Bondi）和戈尔德（Thomas Gold）提出了一个“大爆炸理论”相竞争的理论， 2. 认为宇宙在大尺度上，包括任何时候和任何地方，都是一样的。 3. 在这个“稳恒态”宇宙中没有开始，没有结束。星系在各个方向上简单地飞离，就象烤蛋糕时蛋糕上的葡萄干随着蛋糕膨胀而远离。,“物质创生”,1. 为了填补星系退行后留下的虚空并保持宇宙总的外观，他们假定物质在星系际空间创生，物质的创生率（每立方公里每年产生一个粒子）恰
18、好用来形成新的星系。 2. 霍伊尔在一次广播节目中把与他的“稳恒态理论”竞争的理论戏称为“大爆炸（the Big Bang）理论”，因而成为这一术语的发明者。 3. 3K微波背景辐射的发现基本上宣告了稳恒太宇宙理论的死亡。,什么是黑洞 1795年，著名的数学家拉普拉斯曾指出：有一个发光体，它的密度与地球密度一样，其直径比太阳的直径大250倍，可是由于被吸引的缘故，无法使其光线达到地球。,四、黑洞与宇宙,黑洞：黑洞是时空中这样的一个区域，任何物质一旦进入该区域，便永远不能出来。,黑洞是一种看不见的异常天体；60年代以后，成为天文上最具诱惑力的搜索对象。与一切可见天体相比，黑洞正是最强的引力场源，
19、能使邻近处时空弯曲得相当厉害，以致把任何东西都裹卷其内，甚至光线也不能幸免。,右图形象地表示了这一点：一旋转黑洞的时空结构宛若一个大漏斗，把万物全部吞下。,以克尔黑洞为例：克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是一个旋转椭圆面，外视界是一个球面，包含在静界和外视界之间的空间称为能层。物体进入能层尚还可以从中再返回到黑洞外部的空间，一旦物体进入了外视 界，便永远不能再逃出来了。,克尔黑洞静界和视界,钱德拉塞卡,1. 早在1928年一位印度研究生钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）去到剑桥师从著名的天文学家爱丁顿（A S Eddington）， 2. 在去英国的旅途上，
20、钱德拉塞卡计算出一颗质量大约为太阳质量一倍半的冷恒星，将不能抵抗自身的重力而坍缩。 3. 这个质量现在称为钱德拉塞卡极限。质量大于钱德拉塞卡极限的恒星，将坍缩成一种密度极大的状态，甚至一个点。 4. 爱丁顿对此极为反感，说自然的行事不会如此荒谬。爱因斯坦也写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。,奥本海默,1. 1939年奥本海默（Robert Oppenheimer）从广义相对论出发，论证了质量大于钱德拉塞卡极限的恒星会坍缩成一个看不见的天体，但是由于二战的干扰，引力坍缩问题几乎被人遗忘。 2. 直到二十世纪六十年代，实测技术的提高激起人们对宇宙大尺度问题的兴趣，黑洞和大爆炸理论成为热门的
21、话题。霍金成为这方面研究的先驱者之一。,霍金,1. 从1965年到1970年间，霍金跟彭罗斯 进行了密切的合作，证明了广义相对论的 奇性不可避免。 2. 也就是说，按照广义相对论，宇宙必然 起源于一个大爆炸奇点；同时，在黑洞中 必然存在无限大密度和无限大时空曲率的奇点。 3. 这样，时间起始于大爆炸奇点，终止于大挤压奇点（整个宇宙的坍缩）或者黑洞中的奇点（局部区域的坍缩）。 4. 这是霍金在经典广义相对论 框架里取得的一个重要成果。,黑洞不黑,1. 1970年11月霍金悟到黑洞事件视界的面积永远不会减少。 2. 美国普林斯顿大学的一位学生贝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein）把霍金
22、发现的黑洞面积不减跟热力学第二定律联系起来，指出黑洞的事件视界面积就是黑洞熵的量度。 3. 1973年9月两位前苏联黑洞专家说服了霍金：按照量子力学的测不准原理，旋转的黑洞应该产生和辐射粒子。 4. 霍金接着通过计算发现黑洞以刚好防止热力学第二定律被违反的准确速率发射粒子和辐射能量。,霍金辐射,1. 按照经典广义相对论，黑洞的面积不减；但考虑了量子效应之后，黑洞会蒸发，面积会减少，甚至会伴随着大量的辐射而消失。 2. 霍金在这里首次把二十世纪初发展起来的两个物理理论，即广义相对论和量子力学结合起来用在同一个对象的研究中，并看到了量子效应能去掉经典广义相对论预言的奇点的第一个迹象。 3. 由于黑
23、洞存在辐射，大大增加了黑洞被观测到的可能性。,量子引力宇宙论,1. 经典广义相对论的奇性不可避免，所以标准大爆炸模型中时空存在着零点，给了上帝一个容身之地。 2. 1981年左右霍金提出考虑到量子力学的测不准原理，一些基本量度，譬如长度和时间，具有测不准性。 3. 测不准的程度由普朗克常数确定，从该常数可以定出最小的长度量子，即普朗克长度，为10E33厘米，这远远小于原子核的尺度。测量任何长度不可能比这个更精确，而且比普朗克长度更短的长度是没有意义的。,不存在数学上的时空点,1. 同样，作为时间量子的最小间隔，即普朗克时间，为10E43秒。 2. 没有比这更短的时间存在。 3. 这就是说，我们
24、不可能把黑洞缩减为数学上的一个点，同样也不能追溯到大爆炸的真正开始时刻。,量子力学排除了奇点,1. 直径比普朗克长度更小的体积是没有意义的，所以零体积点和无限密度点的概念也没有意义了。 2. 在宇宙诞生之时，尽管物质密度高得惊人，但不会是无限大。 3. 宇宙诞生之初的无限性和奇点被消除，就有可能找到一组方程来描述宇宙的起源和结局。,完全自给自足、自我包容的宇宙,1. 到目前为止，还没有一套完整而协调的理论将量子力学和引力理论结合在一起， 2. 努力的方向：应用量子引力理论，给出一个完全自给自足、自我包容的宇宙，在这个宇宙里将完全排除上帝的作用。,人择原理,宇宙之所以是这种样子，是因为否则的话，
25、我们就不会在这里观测它。,超弦理论,1. 超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦的假设而建立起来的理论，认为自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式。 2. 研究发现，在十维空间中有5种自洽的超弦理论，它们分别是两个IIA和IIB，一个规范为Apin(32)/Z2的杂化弦理论，一个规范群为E8E8的杂化弦理论和一个规范为SO（32）的I型弦理论。,M理论,1. 1995年人们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像：即存在一个唯一的理论M理论。 2. 超弦理论成功地解释了黑洞的熵和辐射，第一次从微观理论出发，利用统计物理和量子力学的基本原理，严格了导出
26、了宏观物体黑洞的熵和辐射公式。 3. 将5种超弦理论和十一维超引力统一到M理论的尝试是有成效的，但M理论在提出时并没有一个严格的数学表述，因此寻找M理论的数学表述和仔细研究M理论的性质就成了这一时期理论物理研究热点。,思考题,1. 现代物理研究方法在天文观测上有哪些应用？ 2. 20世纪射电观测手段的诞生对天文观测进步有何重大意义？ 3. 20世纪60年代有哪四大天文发现？它们对现有的天文学理论有什么影响？ 4. 简述宇宙学发展的历史线索和大爆炸宇宙理论的基本观点及其深远影响.,本节主要参考书,1. 英霍金时间简史（湖南科学技术出版社） 2. 宣焕灿天文学名著选译（知识出版社） 3. 吴国盛著科学的历程第十六章（北京大学出版社） 4. 李建珊科技文化的起源与发展第八章（南开大学出版社）,
