个人介绍
宇宙学——宇宙的诞生、演化和结局 张同杰
提供学校: 北京师范大学
专业大类: 天文学
专业: 天体测量与天体力学

宇宙学(cosmology),就是从整体的角度来研究宇宙的结构和演化的天文学分支学科。牛顿力学创立以后,建立了经典宇宙学。到了20世纪,在大量天文观测资料和现代物理学的基础上产生了现代宇宙学。

教师团队

张同杰 教授

单位:北京师范大学

部门:天文系

职位:教授

简介

宇宙学(cosmology),就是从整体的角度来研究宇宙的结构和演化的天文学分支学科。自古宇宙的结构就是人们关注的对象,历史上曾出现过各种各样的宇宙学说。中国的如浑天说、盖天说和宣夜说。其他国家的如古希腊阿利斯塔克的日心说、统治中世纪欧洲1000多年的地心说、16世纪波兰哥白尼的日心说等。牛顿力学创立以后,建立了经典宇宙学。到了20世纪,在大量天文观测资料和现代物理学的基础上产生了现代宇宙学。

宇宙学(或宇宙论)译自英文之“Cosmology”,这个词源自于希腊文的。宇宙学是对宇宙整体的研究,并且延伸探讨至人类在宇宙中的地位。虽然宇宙学这个词是最近才有的,人们对宇宙的研究已经有很长的一段历史,牵涉到科学、哲学、神秘学以及宗教。

演化发展

在中国古代,关于宇宙的结构主要有三派学说,即盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说认为大地是平坦的,天像一把伞覆盖着大地;浑天说认为天地具有蛋状结构,地在中心,天在周围;宣夜说则认为天是无限而空虚的,星辰就悬浮在空虚之中。在古代希腊和罗马,从公元前六世纪到公元一世纪,关于宇宙的构造和本原有过许多学说。如毕达哥拉斯学派的中心火焰说(设想宇宙中心有一团大火焰);赫拉克利特的日心说;柏拉图的正多面体宇宙结构模型等等。

进入中世纪后,宇宙学被纳入经院哲学体系,地心说占据正统的地位。十六世纪哥白尼倡导日心说。到十七世纪,牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径,建立了经典宇宙学。二十世纪以来,在大量的天文观测资料和现代物理学的基础上,产生了现代宇宙学。

从历史上看,随着时代的发展,作为宇宙学研究对象的天体系统,在深度和广度上不断扩展。古代自然哲学家所讨论的天文学的宇宙,不外乎大地和天空。哥白尼在《天体运行论》一书中说“太阳是宇宙的中心”,意味着宇宙实质上就是太阳系。

十八世纪天文学家引进“星系”一词,当时这个词在一定意义上说只不过是宇宙的同义语。二十世纪以来,天文观测的尺度大大扩展,达到上百亿年和上百亿光年的时空区域。现代宇宙学所研究的课题,就是现今观测直接或间接所及的整个天区的大尺度特征,即大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律。

现代宇宙学

现代宇宙学包括密切联系的两个方面,即观测宇宙学和理论宇宙学。前者侧重于发现大尺度的观测特征,后者侧重于研究宇宙的运动学和动力学以及建立宇宙模型。

观测宇宙学已经发现,在目前观测所及的天区上,存在着一些大尺度的系统性特征,比如:河外天体谱线红移;微波背景辐射;星系的形态;天体时标;氦丰度等。

除了几个近距星系之外,河外天体谱线大都有红移,而且绝大多数是一致红移,即各种谱线的红移量是相等的。此外,在星系团尺度上,对于不同类型的星系,在各自的红移量与视星等之间、红移与星系角径之间存在着系统性的关系。它们反映着红移量与距离之间的规律。

在整个背景辐射中,微波波段比其他波段都强,谱型接近温度为3K的黑体辐射。微波背景辐射大致是各向同性的。这种辐射的小尺度起伏不超过千分之二、三:大尺度的起伏则更小一些。

河外星系的形态虽有多种,但绝大多数星系都可归纳为不多的几种类型,即椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜型星系和不规则星系。而且,各种类型星系的物理特征,弥散范围不算太大。

从球状星团的赫罗图形状可以判断,较老的球状星团的年龄差不多都达到100亿年左右。按照同位素年代学计算,太阳系中某些重元素是在50亿到100亿年前形成的,即最老天体的年龄都不超过200亿年。

在宇宙中,氢和氦是最丰富的元素,二者丰度之和约占99%。而且氢和氦的丰度比在许多不同的天体上均约为三比一左右。

这些大尺度上的现象,反映出大尺度天体系统具有特别的性质。它的结构、运动和演化并非小尺度天体系统的简单延长。现代宇宙学正是以研究这一系列大尺度上所固有的特征而与其他天文分支学科相区别的。

宇宙模型主要包括三方面的问题,即大尺度上天体系统的结构特征、运动形态和演化方式。关于大尺度上天体系统的结构,有两种不同的模型。一种是均匀模型,另一种是等级模型。前者认为在大尺度上天体分布基本上是均匀各向同性的,或者说,在大尺度上没有任何形式的中心,没有任何形式的特殊点,这种假定常常称为宇宙学原理。等级模型则认为在任何尺度上,物质分布都具有非均匀性,即天体分布是逐级成团的。


参考教材


课程评价

教学资源
课程章节 | 文件类型   | 修改时间 | 大小 | 备注
15 大爆炸宇宙学基本理论(一)
视频
.mp4
2014-01-16 762.18MB
16 大爆炸宇宙学基本理论(二)
视频
.mp4
2014-01-16 754.73MB
17 大爆炸宇宙学基本理论(三)
视频
.mp4
2014-01-26 70.74MB
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