标准宇宙学模型*第1页，共39页，星期日，2025年，2月5日普通天文学一、中国古代宇宙观盖天说浑天说宣夜说第2页，共39页，星期日，2025年，2月5日盖天说第3页，共39页，星期日，2025年，2月5日浑天说第4页，共39页，星期日，2025年，2月5日二、欧洲宇宙学的发展托勒密“地心说”哥白尼“日心说”布鲁诺伽利略开普勒牛顿康德赫歇尔第5页，共39页，星期日，2025年，2月5日三、现代宇宙学1.牛顿的静态宇宙模型1）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。缺陷？物质→引力→宇宙坍缩可能的解决途径：1)宇宙在空间和质量上是无限大的，2)宇宙在膨胀，3)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。第6页，共39页，星期日，2025年，2月5日“奥伯斯佯谬”的提出黑夜为什么是黑的？如果宇宙是无限的，且恒星的分布是均匀的→在任意视线方向都有一颗恒星→夜晚的天空应该像白天一样明亮积累的星光使得黑夜应该亮如白昼！第7页，共39页，星期日，2025年，2月5日2.爱因斯坦的有限无界宇宙模型（静态宇宙模型）1917年Einstein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。Einstein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，Einstein加入一个起斥力作用“宇宙学常数”Λ，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；2）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，可以收缩也可以膨胀。第8页，共39页，星期日，2025年，2月5日第9页，共39页，星期日，2025年，2月5日四、大爆炸宇宙模型-标准宇宙模型第10页，共39页，星期日，2025年，2月5日
1.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：
1）在宇宙尺度（1亿光年以上）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。
约100万个星系在30度天空范围和20亿光年距离内的分布第11页，共39页，星期日，2025年，2月5日
2）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,即：宇宙没有中心。
第12页，共39页，星期日，2025年，2月5日1922年弗利德曼(A.Friedmann,1888?1925)假设宇宙在膨胀，从而求出了不带宇宙项的爱因斯坦引力场方程的通解，得到了一个膨胀的、有限无界的宇宙模型，这就是弗利德曼宇宙模型。在这个模型中，星系之间的分离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。弗利德曼宇宙模型也称为弗利德曼?勒梅特利宇宙模型，是现代宇宙学的基础。1927年勒梅特利(G.Lemaitre)指出，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，这可能就是宇宙膨胀的表现。第13页，共39页，星期日，2025年，2月5日宇宙膨胀是如何发生的呢？根据宇宙现在的状况会作出这样的推断：早期的宇宙是处于超高温度、超高密度状态之中的，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，今天的宇宙就是这样演化而来的。这就是大爆炸宇宙学的基本观点。爱因斯坦引力场方程其中Rik为曲率张量、gik为度规张量、Tik为能量动量张量。第14页，共39页，星期日，2025年，2月5日考虑到宇宙是均匀的和各向同性的(宇宙学原理)，爱因斯坦引力场方程可以得到简化。同时考虑到宇宙在膨胀，表示宇宙尺度的量R应是时间t的函数，最后得到下面两个独立的方程：这就是宇宙动力学基本方程，也称弗利德曼方程。式中R(t)就是我们上面所说的表示宇宙尺度的量，称为罗伯逊(Robertson)?沃克(Walket)标度因子。以上两个方程包含三个未知量，R(t)、p和?，还需一个方程才能求解。这个方程就是宇宙的物态方程第15页，共39页，星期日，2025年，2月5日在宇宙演化的各个时期，物态方程具有不同的形式，体现了物质世界的复杂性和多样性。粒子物理学、原子核物理学、等离子体物理学、原子物理学乃至流体力学等物理学规律就是通过物态方程去影响和决定着宇宙的演化过程的。通过求解联立方程式，原则上可以得知宇宙演化过程