标准宇宙学模型.ppt
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1、标准宇宙学模型1现在学习的是第1页,共39页 普通天文学普通天文学一、中国古代宇宙观盖天说盖天说浑天说浑天说宣夜说宣夜说现在学习的是第2页,共39页盖盖天天说说现在学习的是第3页,共39页浑浑天天说说现在学习的是第4页,共39页二、欧洲宇宙学的发展托勒密托勒密“地心说地心说”哥白尼哥白尼“日心说日心说”布鲁诺布鲁诺伽利略伽利略开普勒开普勒牛顿牛顿康德康德赫歇尔赫歇尔现在学习的是第5页,共39页三、现代宇宙学1.牛顿的静态宇宙模型牛顿的静态宇宙模型1)时间和空间是绝对的,相互独立的;时间和空间是绝对的,相互独立的;2)时间和空间都是无限的。时间和空间都是无限的。缺陷?物质缺陷?物质引力引力宇宙坍
2、缩宇宙坍缩可能的解决途径:可能的解决途径:1)宇宙在空间和质量上是无限大的,宇宙在空间和质量上是无限大的,2)宇宙在膨胀,宇宙在膨胀,3)宇宙有起点和终点。宇宙有起点和终点。2)、3)点违反宇宙永恒与稳定的性质,于是牛顿认为宇宙应该是无限的点违反宇宙永恒与稳定的性质,于是牛顿认为宇宙应该是无限的。现在学习的是第6页,共39页“奥伯斯佯谬奥伯斯佯谬”的提出的提出黑夜为什么是黑的?黑夜为什么是黑的?如果宇宙是无限的,且恒星的分布是均如果宇宙是无限的,且恒星的分布是均匀的匀的在任意视线方向都有一颗恒星在任意视线方向都有一颗恒星夜夜晚的天空应该像白天一样明亮积累的星光晚的天空应该像白天一样明亮积累的星
3、光使得黑夜应该亮如白昼!使得黑夜应该亮如白昼!现在学习的是第7页,共39页2.爱因斯坦的有限无界宇宙模型(静态宇宙模型)爱因斯坦的有限无界宇宙模型(静态宇宙模型)1917年年Einstein将广义相对论引力场方程应用于宇宙的将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构,发现方程的解是不稳定的,表明宇宙在膨胀或者收缩。结构,发现方程的解是不稳定的,表明宇宙在膨胀或者收缩。Einstein认为宇宙应该是永恒的、稳定的,为求引力认为宇宙应该是永恒的、稳定的,为求引力场方程的均匀的和各向同性的解,场方程的均匀的和各向同性的解,Einstein加入一个起加入一个起斥力作用斥力作用“宇宙学常数宇宙学常数”,得到
4、一个静态宇宙模型。得到一个静态宇宙模型。1)现实三维空间没有尽头,不可能有边界;)现实三维空间没有尽头,不可能有边界;2)宇宙无中心。)宇宙无中心。3)宇宙的几何性质不随时间改变,但是不稳定的,可以收缩也)宇宙的几何性质不随时间改变,但是不稳定的,可以收缩也可以膨胀。可以膨胀。现在学习的是第8页,共39页现在学习的是第9页,共39页四、大爆炸宇宙模型-标准宇宙模型现在学习的是第10页,共39页1.大爆炸宇宙模型(弗里德曼模型)的理论基础:大爆炸宇宙模型(弗里德曼模型)的理论基础:宇宙学原理;广义相对论。宇宙学原理;广义相对论。宇宙学原理:宇宙学原理:1)在宇宙尺度()在宇宙尺度(1亿光年以上)
5、上,空间任何一点和任一点的亿光年以上)上,空间任何一点和任一点的任一方向,在物理学上是不可分辨的,即宇宙中的物质是均匀任一方向,在物理学上是不可分辨的,即宇宙中的物质是均匀分布的。但同一点,在不同时刻,其各个物理量可以不同,即分布的。但同一点,在不同时刻,其各个物理量可以不同,即存在宇宙演化。存在宇宙演化。约约100100万个星系在万个星系在3030度天空范围和度天空范围和2020亿光年距离内的分布亿光年距离内的分布现在学习的是第11页,共39页2)从宇宙中任何一点进行观测,观察到的物理量和物)从宇宙中任何一点进行观测,观察到的物理量和物理规律是完全相同的,没有任何一处是特殊的理规律是完全相同
6、的,没有任何一处是特殊的,即:宇即:宇宙没有中心。宙没有中心。现在学习的是第12页,共39页 1922年年弗弗利利德德曼曼(A.Friedmann,1888 1925)假假设设宇宇宙宙在在膨膨胀胀,从从而而求求出出了了不不带带宇宇宙宙项项的的爱爱因因斯斯坦坦引引力力场场方方程程的的通通解解,得得到到了了一一个个膨膨胀胀的的、有有限限无无界界的的宇宇宙宙模模型型,这这就就是是弗弗利利德德曼曼宇宇宙宙模模型型。在在这这个个模模型型中中,星星系系之之间间的的分分离离速度与它们之间的距离成正比。速度与它们之间的距离成正比。1929年哈勃定律的发现完全证实了这些预见。弗利德曼年哈勃定律的发现完全证实了这
7、些预见。弗利德曼宇宙模型也称为宇宙模型也称为弗利德曼弗利德曼 勒梅特利宇宙模型勒梅特利宇宙模型,是现代宇,是现代宇宙学的基础。宙学的基础。1927年年勒梅特利勒梅特利(G.Lemaitre)指出,指出,当时已经发现当时已经发现的星系光谱线红移,意味着星系在远离银河系而退行,的星系光谱线红移,意味着星系在远离银河系而退行,这可能就是宇宙膨胀的表现。这可能就是宇宙膨胀的表现。现在学习的是第13页,共39页 宇宙膨胀是如何发生的呢?根据宇宙现在的状况会宇宙膨胀是如何发生的呢?根据宇宙现在的状况会作出作出这样的推断这样的推断:早期的宇宙是处于超高温度、超高密度状态:早期的宇宙是处于超高温度、超高密度状
8、态之中的,经绝热膨胀而不断降温,随着膨胀和降温,相继发之中的,经绝热膨胀而不断降温,随着膨胀和降温,相继发生了一系列物理过程,宇宙就在这些过程中不断演化,今天生了一系列物理过程,宇宙就在这些过程中不断演化,今天的宇宙就是这样演化而来的。这就是的宇宙就是这样演化而来的。这就是大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学的基本的基本观点。观点。爱因斯坦引力场方程爱因斯坦引力场方程 其中其中Rik为曲率张量、为曲率张量、gik为度规张量、为度规张量、Tik为能量动量为能量动量张量。张量。现在学习的是第14页,共39页 考考虑虑到到宇宇宙宙是是均均匀匀的的和和各各向向同同性性的的(宇宇宙宙学学原原理理),爱爱因因斯斯坦坦
9、引引力力场场方方程程可可以以得得到到简简化化。同同时时考考虑虑到到宇宇宙宙在在膨膨胀胀,表表示示宇宇宙宙尺尺度度的的量量R应应是是时时间间t的的函函数数,最最后后得得到到下下面面两两个独立的方程:个独立的方程:这就是宇宙动力学基本方程这就是宇宙动力学基本方程,也称,也称弗利德曼方程弗利德曼方程。式中式中R(t)就是我们上面所说的表示宇宙尺度的量,称为就是我们上面所说的表示宇宙尺度的量,称为罗罗伯逊伯逊(Robertson)沃克沃克(Walket)标度因子标度因子。以上两个方程包含三个未知量,以上两个方程包含三个未知量,R(t)、p和和,还需一个,还需一个方程才能求解。方程才能求解。这个方程就是
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