2天文掠影讲述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/5/7,#,王宏志教授,Sketch of astronomy,天 文 掠 影,专题,二：宇宙模型概观,主要内容：,从神话传说与日心说确立,太阳系起源的探索,宇宙形成与演化的探索,宇宙未来会怎样？,3,一、从神话传说到日心说,中国：盘古开天地,印度：象龟模型,希腊：浮在海上的地盾,基督教、伊斯兰教、犹太教：上帝创世,1.,古老文明与创世神话传说,盖天说,：天圆如张盖，地方如棋局,浑天说,：天是蛋壳，地是蛋黄，天地为双层结构,宣夜说,：根本不存在有形质的天。日月星辰自由漂浮在太空之中。天色苍苍是因为它,“高远无极”,浑天说的代表作,张衡浑仪注,中说：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄”。,从神话传说到日心说,2.,古代中国宇宙模型,5,水是宇宙万物本源,-,泰勒斯,宇宙最外层是永不熄灭的天火说,-,毕达哥拉斯,世界有五大元素组成,-,亚里士多德,3.,古代希腊和罗马关于宇宙本原的探讨,从神话传说到日心说,Aristotls,B.C.,年,亚里士多德的,五大元素,土：又冷又干燥，对应现代固体概念；,水：又冷又潮湿，对应现代液体概念；,火：又热又干燥，对应现代热量概念；,空气：又热又潮湿，对应现代气体概念；,以太：构成天球和天体（恒星和行星）的神圣物质。,亚里士多德的多层水晶球说,11,托勒密的地球中心体系,（解释：行星的逆行现象）,ClaudiusPtolemaeus,，,90168,从神话传说到日心说,中世纪关于宇宙的典型模型,（但丁,神曲,，约公元,1300,）,1510,年，哥白尼写,浅说,，指出：太阳是宇宙的中心体，地球和行星都围绕着太阳运动，只有月亮才真正围绕地球旋转,1543,年，哥白尼著,天体运行论,，建立在大量的观测数据的基础上。故而被称为现代科学的开创者,Nicolaus Copernicus，,1473,1543,4.,日心说的确立,从神话传说到日心说,1583-1585,，布鲁诺著,论无限宇宙和世界,，除了捍卫日心说之外，还提出宇宙无限的思想，认为宇宙是统一的、物质的、无限的和永恒的，不存在任何中心；在太阳系以后还有无以数计的天体世界。,Giordano Bruno，,1548,1600,从神话传说到日心说,1632,年，伽利略,关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话,，在第四卷中讨论的潮汐学说，为哥白尼日心体系提供证据,Galileo Galilei,（,1564-1642,）,1644年，笛卡儿（法国）在他的哲学原理一书中阐述，宇宙空间充满了物质微粒,“,以太”，以太在涡流式的运动中形成的大小不同的旋涡，每个漩涡运动促使物质向中心聚集，从而形成了太阳、行星和卫星。,二、太阳系起源的探索,1.,第一个太阳系起源的假说：笛卡儿的“漩涡学说”,Ren,Descartes,，,1956-1650,太阳系起源的探索,1745,年，布封（法国）在一般和特殊的自然史中提出：一个巨量的物体，假定是彗星，曾与太阳碰撞，使太阳的物质分裂为碎块而飞散到太空中，形成了地球和行星。,事实上由于彗星的质量一般都很小，不可能从太阳上撞出足以形成地球和行星的大量物质的。,2.,太阳系起源第二个假说：布封的碰撞说,Georges-Louis Leclerc,Comte de Buffon，,1707 1788,太阳系起源的探索,1755,年，康德（德国）,在,自然通史和天体论,一书中提出,“,星云假说,”,1796,年，拉普拉斯（法国）在他的宇宙体系论一书中，独立地提出了另一种太阳系起源的星云假说,由于二人基本论点一致，所以被合称为,“,康德拉普拉斯星云假说,”,。整个十九世纪，这种学说在天文学中一直占有统治的地位,至今，该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.,康德拉普拉斯星云假说,Immanuel Kant,，,1724-1804,Pierre-Simon,marquis de Laplace,，,1745-1827,太阳系起源的探索,190,5,年，美国地质学家张伯伦和天文学家摩耳顿提出,“,星子,假说,”，,认为曾经有一颗恒星运动到离太阳很近的距离，使太阳的正面和背面产生了巨大的潮汐，从而抛出大量物质，逐渐凝聚成了许多固体团块或质点，称为星子，进一步聚合成为行星和卫星,该学说在,1930s,的失去了受宠的地位，,1940s,因其与木星的角动量之间不吻合而被抛弃,但是前苏联天体力学家,Safronov,将其关于碰撞使行星增长的观点，在,1970s,该观点发展成了一个被当今科学界广泛接受的星子碰撞吸积理论,Thomas Chrowder Chamberlin,，,1843 1928,4.,张伯伦,-,摩耳顿星子假说,Forest Ray Moulton,，,1872 -1952,太阳系行星和卫星表面的撞击坑分布，证明在太阳系形成早期有众多的星子存在。,太阳系起源的探索,5.,现代星云说,主要贡献者：,1945,年德国的魏扎克、,1955,年英国的霍伊尔、,19621976,年瑞典的阿尔文、,19771978,年我国著名天文学家戴文赛等。,吸取了康德,-,拉普拉斯学说中的精髓和合理部分,-,太阳系由同一团星云在自然规律作用下逐渐形成,充分运用了现代科学的理论及空间探测新资料，包括恒星早期演化理论中的一些合理部分,逐渐进入定量计算及模拟实验的阶段,Carl Friedrich Freiherr von Weizscker,，,19122007,Sir Fred Hoyle,，,1915 2001,Hannes Olof Gsta Alfvn,，,1908 1995,戴文赛,，,19,91, 19,7,9,太阳系起源的探索,爱因斯坦的困惑：宇宙究竟是无限伸展的？还是有限封闭的？,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？,三、宇宙形成与演化的探索,1.,爱因斯坦的困惑：宇宙有边界么？,Albert Einstein,，,1879,1955,Heinrich Wilhelm Olbers,，,17581840,如果宇宙是无限的，并且恒星的数量也是无限的，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,宇宙形成与演化的探索,2.,无限的宇宙没有黑夜,！,1917,年，爱因斯坦在,根据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。,3.,宇宙常数项与爱因斯坦的懊悔,后来爱因斯坦表示，自己在引力方程中引入,“,宇宙常数项,”,的做法是最愚蠢的。,宇宙形成与演化的探索,4. “,宇宙常数项是没有必要的”,1922,年苏联数学家、气象学家、宇宙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”，认为宇宙的演化与宇宙物质的平均密度和临界密度有关。, ,，18881925,宇宙形成与演化的探索,弗里德曼的膨胀曲线（基于宇宙在空间上是均一且各向同性假设）,开放的宇宙永远膨胀，闭合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。,宇宙形成与演化的探索,20,世纪初，天文学家斯里弗尔在观测银河系外的仙女座大星云时，取得,15,个星系的光谱资料，经过研究，发现其中,13,个正在以每秒数十万米的高速退行，即：离地球越来越远（,红移现象,-,多普勒效应,）,1929,年，哈勃根据观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们地球的距离成正比，即离得愈远退行愈快（,哈勃定律,-,哈勃常数,）,5.,观测证实：宇宙正在膨胀！在有规律的膨胀！,Vesto Melvin Slipher,，,1875-1969,Edwin Powell Hubble,，,1889 1953,哈勃,他确定了我们所处的银河系以外还存在河外星系,指出河外星系具有宇宙大规模尺度的特征；,并证明了宇宙处于不断的膨胀之中,这些都是非常伟大的里程碑,。,宇宙形成与演化的探索,6.,原始原子爆炸宇宙模型,星系红移（,redshift,）逆向思维：在过去的某一时刻，宇宙中所有物质应该是彼此紧密地聚集在一点的！,1932,年比利时的主教、天文学与宇宙学家，提出原始原子爆炸的宇宙模型。他认为现在观测到的宇宙是由一个极端压缩状态的巨大原始原子通过一系列相继的裂变过程而形成的,这一过程经历了三个膨胀阶段：快速膨胀期、慢速膨胀期、加速膨胀期,该模型描述了一个膨胀着的、物质分布 均匀的、各向同性的宇宙,宇宙形成与演化的探索,7.,“大爆炸”宇宙学说诞生,1948,年美籍苏联物理学家,伽莫夫,提出“大爆炸”宇宙学说。这种理论认为，今天所看到的宇宙的膨胀现象，如果随着时间追溯上去，将开始于一次强烈的爆炸，爆炸时的宇宙是极其致密的，而且处于一种超高温状态,爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到,40000K,以下时才开始形成；现在测得最老的星系的年龄都只有,100,多亿年，符合这个理论的推断,GeorgeGamow,，,1904,1968,伽莫夫预言,：现今宇宙背景中应当留有当初大爆炸残留下来的热辐射。伽莫夫的学生阿尔弗和核物理学家赫尔曼经过推算指出：早期宇宙遗留下来的背景辐射至今已经很微弱了，其谱分布大体对应于绝对温度为,5K,的黑体辐射。,The Origin of Chemical Elements,(Physical Review, April 1, 1948),宇宙形成与演化的探索,河外天体的谱线红移,宇宙年龄的推算,氦元素的丰度（,25%,）,8.,“大爆炸”宇宙学说逐步被验证,伽莫夫预言被证实：,1964,年,5,月，,贝尔实验室彭齐亚斯和威尔逊发现了,波长厘米微波噪声,（相当于的黑体辐射），,这个噪声的特点：,各向同性、无偏振、不随季节变化！,宇宙形成与演化的探索,24,9.,加速膨胀的宇宙,宇宙形成与演化的探索,宇宙大爆炸时间表,温度（,K,）,能量（,eV,）,时间（秒）,时代,物理过程,10,32,10,28,10,-44,Planck,时代,10,28,10,24,10,-36,大统一时代,10,-35,-33,暴胀阶段,暴胀过程,10,13,10,9,10,-6,强子时代,10,11,10,7,10,-2,轻子时代,10,10,10,6,1,中微子脱耦,中微子脱耦,510,9,510,5,5,电子对湮灭,电子对湮灭,10,9,10,5,3,分,核合成时代,轻核素生成,310,3,0.3,38,万年,复合时代,微波背景辐射,4,亿年,第一代恒星生成,再电离,星系,大尺度结构形成,2.7,310,-4,137,亿年,现代,宇宙形成与演化的探索,霍金建立了 “奇点理论”，认为宇宙的膨胀是从奇点开始的,彭罗斯和霍金利用广义相对论证明了黑洞中心的“奇点”只有质量，没有体积，密度无穷大；奇点附近的时空特性使所有的自然定律都失去了意义,霍金的,“,无边界理论”指出：宇宙的历史可以想象为在地球上从北极到南极的旅行。在这个宇宙中没有时间的边缘。宇宙没有开始，也没有终结，它只有“存在”,10.,“奇点”问题,Inflation hasnt won the race, but so far its the only horse. Andrei Linde,我们知道的所有东西，包括我们自己，都起源于最初的大爆炸。并且在某种程度上而言，我们仍然处在大爆炸中（,Brain May,；,Patrick Moore; Chris Lintott,）,宇宙形成与演化的探索,四、宇宙未来会怎样？,霍金预言宇宙的两种结局,会永远的膨胀下去：,宇宙大撕裂。宇宙常数在越来越小的尺度上起支配作用。星系团、单个星系崩溃，恒星或者只是残存的残迹向四面八方散逸，宇宙膨胀速度越来越快，组成恒星的物质本身也将被扯成碎末，宇宙成了一片原子的海洋。仍在膨胀的宇宙继续原子加速，宇宙变成了一个由辐射和基本粒子组成的汪洋，和爆炸之初颇为相像，但是相比之下密度就低得微不足道了。,或者会塌缩而在大挤压处终结：,宇宙中引力和宇宙常数博弈，引力获胜，星系越来越靠近，宇宙升温，星系团碰撞，夜空开始点亮，最终这个宇宙在“大塌缩”中走向终结。,