1、宇宙過去和未來陳學雷中國科學院國家天文臺北京天文館 .9.19.第1頁第1頁四方上下曰宇，往古來今曰宙 世說新語挑調篇注引尸佼（約390B.C.-330B.C.)宇宙概念說文cosmos (): order, orderly arrangementuniverse: from Latin universum, Lucretius (99BC-55BC), uni: one, versum: rotate第2頁第2頁關于宇宙歷史三種觀點 宇宙創生說“清陽者薄靡而為天，重濁者凝滯而為地。” 宇宙永恒說冉求問于仲尼曰：“未有天地可知邪？”仲尼曰：“可。古猶今也。” 宇宙循環說天開地成生物堯時宋朝第3

2、頁第3頁近代對宇宙結識伽利略用望遠鏡發覺銀河由諸多恒星構成布魯諾: 無限宇宙測定恒星距離 光度法 三角視差法William Herschel 1785 恒星分布模型William Herschel 使用望遠鏡 第4頁第4頁Messier (1730-1871)恒星之外第5頁第5頁對星系結識Lord Rosses telescopeM51 “漩渦” 星系康德猜想一些星云是與銀河系類似“宇宙島”第6頁第6頁梵高“羅納河畔星夜”第7頁第7頁元素光譜與天體物理Fraunhofer (1814) 發覺太陽光譜中暗線Kirchhoff & Bunsen 據此認證了太陽上元素（1859）Lockyer &

3、Janssen (1868) 提出太陽上存在當初未知元素氦(helium)Huggins 夫婦觀測了大量恒星光譜并擬定了其成份和速度我們在地球上,怎么也許結識宇宙呢？ 第8頁第8頁關于銀河系和旋渦星云大辯論ShapleyCurtis太陽在銀河系邊沿旋渦星云在銀河系內太陽在銀河系中心旋渦星云是河外星系第9頁第9頁小麥哲倫星云中造父變星H. S. LeavittG. HaleHooker 100inch telescope第10頁第10頁哈勃與河外星系Lundmark 觀測M31新星和亮星Scheiner 觀測M33 光譜Hubble 觀測造父變星第11頁第11頁業余興趣者活動： 星系動物園人在分

4、類方面往往比計算機更準確, 幫助科學家為一百萬個星系分類！第12頁第12頁牛頓宇宙學與奧爾伯斯佯謬假如宇宙是無限、永恒假如恒星均勻分布且始終存在天空亮度將是無限大第13頁第13頁愛因斯坦廣義相對論利用了非歐幾何時間空間是彎曲（流形）物質能量和動量影響時空彎曲物質粒子在不受外力下沿時空短程線(geodesic)運動第14頁第14頁愛因斯坦有限靜止宇宙模型 幾何上假定宇宙是均勻各向同性正曲率空間 宇宙是有限無邊 假定存在宇宙學常數,產生時空彎曲正好與物質產生彎曲相抵消，實現靜止（引力斥力同出于重力） 但是, 假如物質引力不是正好被宇宙學常數抵消呢?第15頁第15頁星系光譜紅移多普勒（1842）：運

5、動造成譜線頻率改變Slipher （1912-1917)發覺大部分星系(21/25)光譜紅移，且速度遠高于恒星哈勃(1929), 哈勃&Humason(1934)Hubble 1929： 造父變星、最亮星、星系亮度Hubble & Humason 1934：星系團中第五亮星系第16頁第16頁哈勃定律與宇宙膨脹第17頁第17頁膨脹宇宙理論宇宙空間有三種也許性Alex FriedmannLe Maitre第18頁第18頁宇宙大爆炸理論和穩恒態宇宙理論Gamow勒梅特、伽莫夫：既然宇宙是膨脹，那么越往前追溯,宇宙密度越高,同時溫度也會更高,假定已知物理定律是合用,能夠始終到元素發生核反應時刻，今日可

6、見宇宙當初只在一個很小點內。（在這之前物質是如何產生取決于我們尚不理解物理過程。）Bondi, Gold, Hoyle: 物質被連續不斷地創生出來，因此宇宙即使膨脹但物質密度始終保持不變。Hoyle第19頁第19頁望遠鏡：回望過去由于光速有限, 我們看得越遠，就看到越早宇宙第20頁第20頁類星體與射電源計數類星體想象圖類星體3C273Ryle 1955完美宇宙學原理:“古猶今也?第21頁第21頁化學元素啟示氫和氦占宇宙普通物質34和14，其它元素只占很少部分第22頁第22頁元素起源宇宙早期，溫度很高，物質以質子、中子形式存在。此后，質子和中子結合成原子核。在這種反應中形成氫、氦、氘等輕原子核其

7、它元素: 在恒星中合成后在超新星爆炸中被拋出,或在超新星爆炸時產生第23頁第23頁宇宙微波背景輻射 (CMB)Alpher, Herman, Gamow （1948）:在高溫下物質產生輻射因此宇宙早期一定存在大量光子，物質處于等離子體狀態。伴隨宇宙膨脹冷卻，等離子體復合成普通氣體。時至今日，光子紅移成為微波。Dicke, Peebles, Wilkinson (1964):尋找宇宙微波背景Penzias & Wilson 1964調試Bell Lab 天線第24頁第24頁宇宙微波背景輻射黑體譜COBE 衛星第25頁第25頁大爆炸歷史第26頁第26頁宇宙膨脹動力學解K=+1 閉合宇宙K=0 平直

8、宇宙K=-1 開放宇宙第27頁第27頁擬定宇宙命運: 哈勃常數Hubble H0= 500 km/s/MpcBaade: 兩個星族de Vaucouleurs H0=100km/s/MpcSandage H0=50km/s/MpcHST key project: H0=73km/s第28頁第28頁物質密度:暗物質F. Zwicky 1933COMA cluster星系團內星系運動速度與引力相關, 依據速度大小能夠判斷星系團質量. 星系團內質量光度比是太陽幾百倍，闡明星系團內存在不發光暗物質第29頁第29頁星系旋轉曲線與暗物質第30頁第30頁引力透鏡效應第31頁第31頁引力透鏡效應第32頁第32

9、頁暗物質是不發光普通物質嗎? 人們用各種辦法探測也許存在重子暗物質，表明其不也許大量存在 對星系團觀測表明暗物質約占宇宙總密度20，但氘豐度表明重子物質不也許超出宇宙總密度5%.第33頁第33頁擬定宇宙幾何依據宇宙早期“聲音”，能夠擬定宇宙幾何！宇宙是平直！第34頁第34頁超新星與暗能量發覺第35頁第35頁加速宇宙第36頁第36頁友好宇宙學模型第37頁第37頁宇宙之五個時代Adams & Laughlin (1999)t=10n 年原初時代(primordial era) n6生星時代(stelliferous era) 6n14簡并時代(degenerate era) 14n39黑洞時代(b

10、lack hole era) 39n100黑暗時代(dark era) 100n第38頁第38頁宇宙是如何變成均勻?視界問題平坦問題第39頁第39頁暴脹 (inflation)Guth為了處理平坦問題和視界問題, 需要暴脹1025 倍以上宇宙可觀測部分是平直第40頁第40頁混沌暴脹Linde宇宙中滿足一定條件就會發生暴脹暴脹處體積快速遠遠超出其它地方可觀測宇宙只是整個宇宙一小部分第41頁第41頁宇宙是如何變成不均勻?海森堡依據測不準原理,在微觀尺度存在量子漲落第42頁第42頁終極理論：大爆炸之前?世界本原是弦？粒子是弦上激發自動包括了引力世界其實是10維或26維第43頁第43頁如何探測極早期宇宙大爆炸之前是什么: 永恒暴脹? 時空概念失效？ 有生于無? 循環宇宙？ 強弱對偶？.信息藏在密度漲落和引力波中引力波