宇宙的过去和未来

1. 宇宙的过去和未来 陈学雷 中国科学院国家天文台 北京天文馆 2009.9.19.

2. 宇宙的概念 《说文》 四方上下曰宇，往古来今曰宙 世说新语挑调篇注引尸佼（约390B.C.-330B.C.) cosmos (κόσμος): order, orderly arrangement universe: from Latin universum, Lucretius (99BC-55BC), uni: one, versum: rotate

3. 关于宇宙历史的三种观点 • 宇宙创生说 • “清阳者薄靡而为天，重浊者凝滞而为地。” • 宇宙永恒说 • 冉求问于仲尼曰：“未有天地可知邪？”仲尼曰：“可。古犹今也。” • 宇宙循环说 天开 地成 生物 宋朝 尧时

4. 近代对宇宙的认识 • 伽利略用望远镜发现银河由很多恒星构成 • 布鲁诺: 无限宇宙 • 测定恒星距离 • 光度法 • 三角视差法 William Herschel 使用的望远镜 William Herschel 1785 恒星分布模型

5. 恒星之外 Messier (1730-1871)

6. 对星系的认识 康德猜想一些星云是与银河系类似的“宇宙岛” M51 “漩涡”星系 Lord Rosse's telescope

7. 梵高“罗纳河畔的星夜”

8. 元素光谱与天体物理 我们在地球上,怎么可能认识宇宙呢？ Fraunhofer (1814) 发现太阳光谱中的暗线 Kirchhoff & Bunsen 据此认证了太阳上的元素（1859） Lockyer & Janssen (1868) 提出太阳上存在当时未知的元素氦 (helium) Huggins 夫妇观测了大量恒星光谱并确定了其成分和速度

9. 关于银河系和旋涡星云的大辩论 Shapley Curtis 太阳在银河系边缘 旋涡星云在银河系内 太阳在银河系中心 旋涡星云是河外星系

10. H. S. Leavitt G. Hale 小麦哲伦星云中的造父变星 Hooker 100inch telescope

11. 哈勃与河外星系 Lundmark 观测的M31新星和亮星 Scheiner 观测M33 光谱 Hubble 观测的造父变星

12. 业余爱好者活动：星系动物园 http://www.galaxyzoo.org 人在分类方面往往比计算机更准确, 帮助科学家为一百万个星系分类！

13. 牛顿宇宙学与奥尔伯斯佯谬 如果宇宙是无限的、永恒的 如果恒星均匀分布且始终存在 天空的亮度将是无限大

14. 爱因斯坦广义相对论 运用了非欧几何 时间－空间是弯曲的（流形） 物质的能量和动量影响时空弯曲 物质粒子在不受外力下沿时空短程线(geodesic)运动

15. 爱因斯坦的有限静止宇宙模型 • 几何上假定宇宙是均匀各向同性的正曲率空间 • 宇宙是有限无边的 • 假定存在宇宙学常数,产生的时空弯曲恰好与物质产生的弯曲相抵消，实现静止（引力－斥力同出于重力） • 但是, 如果物质引力不是正好被宇宙学常数抵消呢?

16. 星系光谱的红移 多普勒（1842）：运动造成谱线频率改变 Slipher （1912-1917)发现大部分星系(21/25)光谱红移，且速度远高于恒星 哈勃(1929), 哈勃&Humason(1934) Hubble 1929： 造父变星、最亮星、星系亮度 Hubble & Humason 1934：星系团中的第五亮星系

17. 哈勃定律与宇宙膨胀

18. 宇宙空间有三种可能性 膨胀宇宙理论 Alex Friedmann Le Maitre

19. 宇宙大爆炸理论和稳恒态宇宙理论 勒梅特、伽莫夫：既然宇宙是膨胀的，那么越往前追溯,宇宙的密度越高,同时温度也会更高,假定已知的物理定律是适用的,可以一直到元素发生核反应的时刻，今日可见的宇宙当时只在一个很小的点内。（在这之前物质是如何产生的取决于我们尚不了解的物理过程。） Bondi, Gold, Hoyle: 物质被连续不断地创生出来，因此宇宙虽然膨胀但物质密度一直保持不变。 Gamow Hoyle

20. 望远镜：回望过去 由于光速有限, 我们看得越远，就看到越早的宇宙

21. 类星体与射电源计数 Ryle 1955 完美宇宙学原理:“古犹今也"? 类星体3C273 类星体的想象图

22. 化学元素的启示 氢和氦占宇宙普通物质的3／4和1／4，其它元素只占很少的部分

23. 元素的起源 宇宙早期，温度很高，物质以质子、中子形式存在。此后，质子和中子结合成原子核。在这种反应中形成氢、氦、氘等轻原子核 其它元素: 在恒星中合成后在超新星爆炸中被抛出,或在超新星爆炸时产生

24. 宇宙微波背景辐射 (CMB) Alpher, Herman, Gamow （1948）: 在高温下物质产生辐射因此宇宙早期一定存在大量光子，物质处于等离子体状态。随着宇宙膨胀冷却，等离子体复合成普通气体。时至今日，光子红移成为微波。 Dicke, Peebles, Wilkinson (1964): 寻找宇宙微波背景 Penzias & Wilson 1964 调试Bell Lab 天线

25. 宇宙微波背景辐射的黑体谱 COBE 卫星

26. 大爆炸的历史

27. 宇宙膨胀的动力学解 K=+1 闭合宇宙 K=0 平直宇宙 K=-1 开放宇宙

28. 牛顿类比

29. 确定宇宙的命运: 哈勃常数 Hubble H0= 500 km/s/Mpc Baade: 两个星族 de Vaucouleurs H0=100km/s/Mpc Sandage H0=50km/s/Mpc HST key project: H0=73km/s

30. 物质密度:暗物质 星系团内的星系运动速度与引力有关, 根据速度大小可以判断星系团的质量. 星系团内的质量／光度比是太阳的几百倍，说明星系团内存在不发光的暗物质 F. Zwicky 1933 COMA cluster

31. 星系旋转曲线与暗物质

32. 引力透镜效应

33. 引力透镜效应

34. 暗物质是不发光的普通物质吗? • 人们用多种方法探测可能存在的重子暗物质，表明其不可能大量存在 • 对星系团的观测表明暗物质约占宇宙总密度的20％，但氘的丰度表明重子物质不可能超过宇宙总密度的5%.

35. 确定宇宙的几何 根据宇宙早期的“声音”，可以确定宇宙几何！ 宇宙是平直的！

36. 超新星与暗能量的发现

37. 加速的宇宙

38. 和谐宇宙学模型

39. 宇宙之五个时代 Adams & Laughlin (1999) t=10n年 原初时代(primordial era) n<6 生星时代(stelliferous era) 6<n<14 简并时代(degenerate era) 14<n<39 黑洞时代(black hole era) 39<n<100 黑暗时代(dark era) 100<n

40. 暗能量与宇宙的命运 幽灵暗能量 大撕裂

41. 星系是怎么来的?

42. 大自然给我们的提示星系大尺度结构 Lick North 星系分布图 (1977) CfA 红移巡天发现的“上帝的手指”、“长城”和空洞

43. 冷暗物质模型

44. 宇宙是怎样变成均匀的? 视界问题 平坦问题

45. 暴胀 (inflation) 为了解决平坦问题和视界问题, 需要暴胀1025倍以上 宇宙的可观测部分是平直的 Guth

46. 混沌暴胀 宇宙中满足一定条件就会发生暴胀 暴胀处的体积迅速远远超过其它地方 可观测的宇宙只是整个宇宙的一小部分 Linde

47. 宇宙是怎样变成不均匀的? 根据测不准原理,在微观尺度存在量子涨落 海森堡

48. 终极理论：大爆炸之前? 世界的本原是弦？ 粒子是弦上的激发 自动包括了引力 世界其实是10维或26维的

49. 如何探测极早期的宇宙 • 大爆炸之前是什么: • 永恒暴胀? • 时空概念失效？ • 有生于无? • 循环宇宙？ • 强弱对偶？ • ...... 信息藏在密度涨落和引力波中 引力波影响宇宙微波背景的偏振