大学物理 第19章 天体物理与宇宙学简介
大学物理中的天体物理学探索宇宙的起源与演化
大学物理中的天体物理学探索宇宙的起源与演化天体物理学是一门研究宇宙中天体及其演化的学科。
在大学物理课程中，天体物理学作为一个重要的分支，旨在探索宇宙的起源与演化。
本文将从宇宙起源、星系形成、恒星演化和宇宙膨胀等角度，介绍大学物理中天体物理学对宇宙的探索。
1. 宇宙起源宇宙起源是天体物理学中一个重要的研究领域。
天文学家通过观测宇宙微波背景辐射和星系分布的各种特征，提出了宇宙大爆炸理论。
根据该理论，宇宙起源于约138亿年前的一次巨大爆炸，事后不断膨胀、冷却并逐渐形成了我们今天所熟知的宇宙结构。
2. 星系形成星系是宇宙中由大量恒星、气体、尘埃和暗物质组成的巨大天体系统。
天体物理学家通过对星系的观测和研究，揭示了星系形成的过程。
根据当前的观测结果，最普遍的星系形成理论是冷暗物质密度扰动理论。
该理论认为，在宇宙早期，冷暗物质的密度扰动逐渐聚集形成了暗物质晕，然后通过引力作用，晕中的气体逐渐冷却、凝聚并形成恒星和星系。
3. 恒星演化恒星是宇宙中的主要构成单位，其演化过程是天体物理学中的一个重要研究方向。
根据质量的不同，恒星可以分为不同的类型，包括红矮星、主序星、超巨星等。
恒星的演化从星际云中的气体塌缩开始，随后经过主序星阶段、红巨星阶段等若干阶段，最终可能以超新星爆发或者引力坍缩成黑洞或中子星。
恒星的演化研究不仅有助于我们理解恒星的物理过程，还能为我们理解宇宙的起源和发展提供重要线索。
4. 宇宙膨胀宇宙膨胀是天体物理学中的一个重要观测事实。
通过对星系红移现象的观测，天文学家发现了宇宙膨胀现象，并据此提出了宇宙膨胀的大爆炸理论。
根据该理论，宇宙中的星系和恒星都在相对于我们的地球不断远离，这是由于宇宙自身的膨胀所导致的。
宇宙膨胀的研究不仅能推测宇宙的演化历程，还有助于我们了解宇宙结构和宇宙中的物质分布。
总结起来，大学物理中的天体物理学致力于探索宇宙的起源与演化。
通过研究宇宙起源、星系形成、恒星演化和宇宙膨胀等方面的现象和理论，天体物理学家们揭示了宇宙的奥秘，并为我们深入了解宇宙提供了有力的证据。
什么是天体物理学？
什么是天体物理学？天体物理学是研究宇宙中各种天体及它们的物理性质、演化和相互作用的学科。
它融合了天文学、物理学和化学等多个学科，是探究宇宙奥秘的重要途径。
下面将为大家详细讲解什么是天体物理学。
一、天体物理学的概述天体物理学是研究天文现象的物理学，包括恒星、行星、星云、星际介质和宇宙射线等天体的物理性质、演化和相互作用。
天体物理学是物理学的一个分支，探索的是宇宙最基本的物理规律——引力、电磁力、弱核力和强核力，通过研究天体物理，可以深入了解宇宙的演变过程，预测未来的变化。
二、天体物理学的研究内容1. 恒星物理学恒星是天体物理学的一个重要研究领域，它们是宇宙中最常见的天体之一。
天体物理学家研究恒星的形成、生命周期和核反应过程等，以了解它们的性质和演化过程。
恒星演化的速度和性质受多种因素的影响，例如恒星质量、构成和周围环境等因素。
天体物理学家通过观测、理论模拟等手段，研究恒星的演化机制。
2. 星系物理学星系是宇宙中大量天体的集合体，它们的形成、演化和相互作用是天体物理学的一个重要研究领域。
天体物理学家通过计算机模拟、观测、距离测量等手段，研究星系的结构、运动以及物质的分布等。
星系物理学是天体物理学的一个重要领域，探究星系的演化和形成历史，是了解宇宙演化史的重要途径。
3. 宇宙学宇宙学是研究整个宇宙性质和演化的学科，它的研究领域包括宇宙起源、演化、结构和组成等。
天体物理学家通过测量宇宙微波背景辐射、引力透镜、红移等手段，研究宇宙的起源和发展历史，探究宇宙的本质。
三、天体物理学的研究热点1. 暗物质研究暗物质是当前天体物理学研究的热点之一，它是宇宙中一种不会直接发光的物质，占据了宇宙大部分的质量。
天体物理学家通过观测宇宙微波背景辐射、星系和宇宙结构等，尝试揭示暗物质的性质和分布规律。
2. 线性重力波探测线性重力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象，其探测是天体物理学领域的一大突破。
天体物理学家通过探测黑洞碰撞、中子星合并等现象，证实了线性重力波的存在。
天体物理学研究的主要内容
天体物理学研究的主要内容天体物理学是指研究天体物理现象和宇宙的学科。
天体物理学涉及的范围非常广泛，涉及到宇宙学、恒星、行星、星际介质、宇宙射线等许多领域。
现在，我们深入了解一下天体物理学研究的主要内容。
一、宇宙学宇宙学是研究宇宙的起源、演化和未来发展的学科。
宇宙学关注宇宙中的各种事物和现象，包括星系、星云、暗物质、暗能量、宇宙射线等。
宇宙学家通过研究宇宙背景辐射、红移、星系分布等现象，得出了各种宇宙学模型，探索宇宙的历史和结构。
二、恒星恒星是宇宙中最基本的天体之一，它们以核聚变的方式产生能量，并通过辐射、对流等方式将能量释放到宇宙空间中。
天体物理学家研究恒星的物理特性、星系演化等方面。
恒星的研究非常重要，不仅可以了解宇宙的演化历程，还有利于人类了解宇宙中其他天体的特性。
三、行星行星是宇宙中自转、绕太阳公转的天体，对研究宇宙的演化、地球的成因等有非常重要的作用。
行星的类型有地球类行星、气态行星和冰质行星等，它们的物理特性、化学成分、大气层结构等都是天体物理学家研究的重点。
四、星际介质星际介质是指星际空间中星际气体和星际尘埃的组合体，可以见于星系、星云、行星际空间等地方。
星际介质是研究宇宙物质、能量传递和宇宙物理学的重要领域。
通过研究星际介质，天体物理学家可以了解宇宙中星系、行星等的形成和演化过程。
五、宇宙射线宇宙射线是在宇宙中具有高能量的粒子射线，其中包括宇宙射线中的质子、电子、中子等粒子。
宇宙射线是由于宇宙中的加速器现象而产生的，对研究宇宙物理学、宇宙辐射生物学等方面有着非常重要的意义。
综上所述，天体物理学研究的主要内容涉及到宇宙学、恒星、行星、星际介质、宇宙射线等领域，通过探索天体的特性和演化过程，有助于我们深入了解宇宙的历史和现状。
随着科技的不断发展，天体物理学的研究将更加深入和丰富。
大学物理中的天体物理学宇宙的起源与演化
大学物理中的天体物理学宇宙的起源与演化宇宙，是我们所生活的广袤空间，包含了一切物质和能量。
在大学物理课程中，天体物理学探讨了宇宙的起源与演化。
本文将介绍宇宙的起源理论和关于宇宙演化的一些重要概念。
一、宇宙起源理论1. 大爆炸理论大爆炸理论是目前最为广泛接受的宇宙起源理论。
它认为，宇宙在大约138亿年前，由一个极其高密度和高温的原始奇点，通过一次巨大爆炸而诞生。
这次爆炸使得物质、能量和时空一同产生，并迅速扩散膨胀。
2. 各向同性与各向异性根据大爆炸理论，宇宙的发展遵循各向同性的原则，即宇宙在大尺度上呈现出均匀性。
然而，在小尺度上，宇宙可以呈现出各向异性，如星系团的形成。
二、宇宙演化的重要概念1. 宇宙扩张据测量，宇宙正在以加速的速度进行扩张。
这意味着物体之间的距离不断增大。
通过观测星系红移，科学家发现，宇宙膨胀速度与其距离成正比。
2. 暗物质和暗能量暗物质和暗能量是构成宇宙的两种神秘成分。
暗物质对于宇宙的形成和结构的演化起到重要作用。
而暗能量则是解释宇宙加速膨胀的原因。
三、宇宙演化中的重要事件1. 星系形成宇宙中最大的结构单位是星系。
根据宇宙起源和演化理论，星系的形成是宇宙演化中的重要事件之一。
通过引力作用，原始物质聚集形成了星系。
而星系团是由多个星系组成的大型结构。
2. 恒星演化恒星是宇宙中最常见的天体。
恒星从气体云的坍缩开始，逐渐形成核聚变反应，产生能量。
当恒星耗尽燃料时，会发生一系列的变化，包括红巨星阶段、超新星爆发等。
3. 宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后残余的热辐射。
它是宇宙演化中的重要证据之一，支持了大爆炸理论。
四、未解之谜1. 暗物质和暗能量的本质尽管暗物质和暗能量在宇宙中起着关键作用，但它们的本质仍然是未解之谜。
科学家正进行大量研究，试图揭示暗物质和暗能量的真实面貌。
2. 宇宙的终极命运目前，宇宙的终极命运仍然存在争议。
有学说认为，宇宙将永远扩张，并以越来越快的速度膨胀。
天体物理学和物理宇宙学研究
天体物理学和物理宇宙学研究在我们生活的这个宇宙中，星系、恒星，黑洞、行星、行星卫星和暗物质等的存在一直使我们着迷。
随着科学技术的进步，人类对于天文探索的深度不断加深，天体物理学和物理宇宙学便成为了研究这些现象的重要学科。
在本文中，我们将深入探讨这两个学科所涉及到的理论和研究现状。
一、天体物理学天体物理学是一门研究星球、星系、星爆炸和宇宙结构的学科，它将物理学、天文学、化学和天体生物学相结合，以研究天体物理现象和宇宙演化。
此学科对于我们了解宇宙的基本成分和演化过程至关重要。
1. 恒星演化理论恒星演化理论是天体物理学中非常重要的一项研究课题。
据研究，恒星的诞生到死亡需要经过一个复杂的演化过程。
在它暴露于外部环境时，恒星的结构与化学成分受到了很大的影响，进而导致它的演化速度和结构发生改变。
在这个演化过程中，恒星的内部和外部都经历了变化，最终演变成为巨星、爆炸星和中子星等。
2. 黑洞理论由于黑洞的引力非常强大，即使是光也无法逃脱，这使得它们成为天体物理学的重要研究课题。
现在，人们已经通过基础的数学和理论模型来探索黑洞的机制和影响。
黑洞的形成和演化需要应用新物理的概念，特别是关于宏观物理学和量子力学的知识。
3. 行星形成理论在太阳系形成的过程中，行星的演化相对较短，但行星的形成仍然是我们非常关注的现象。
行星形成以星际物质的分子结构为基础，包括行星气体、行星材料和行星尘埃等物质。
根据天体物理学的理论研究，行星在太阳系中的形成要经历以尘埃团为基础的过程，然后聚集成为更大的物体，最终形成行星的结构。
二、物理宇宙学物理宇宙学是科学家通过研究宇宙质量、密度以及温度等参数，来了解宇宙结构和演化如何形成的一门学科。
它基于现代天文学和物理学，以量子力学、原子物理学和引力场等物理学原理为基础，运用数学模型来探查宇宙最大的特征和演化过程。
1. 宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是物理宇宙学中的一项关键课题，它记录了大爆炸形成宇宙的热度和结构。
物理学中的天体物理与宇宙学
物理学中的天体物理与宇宙学当我们仰望星空，那无尽的深邃和神秘总是令人心驰神往。
而天体物理与宇宙学，正是那把帮助我们解开宇宙奥秘的钥匙。
天体物理，简单来说，就是研究天体的物理性质和过程的学科。
它涵盖了从恒星的诞生、演化到死亡，星系的形成与结构，以及各种宇宙中的高能现象等众多领域。
让我们先从恒星说起。
恒星如同宇宙中的巨大熔炉，通过核聚变将氢转化为氦，释放出巨大的能量。
太阳就是我们最熟悉的一颗恒星。
在其核心，温度高达数百万度，压力巨大，氢原子在这里不断碰撞融合，产生光和热。
随着恒星内部氢的消耗，它会经历一系列的变化。
质量较大的恒星可能会以超新星爆发的方式结束生命，留下中子星或者黑洞这样极其神秘的天体。
星系则是由大量恒星、气体和暗物质组成的巨大天体系统。
我们所在的银河系就是一个典型的星系。
星系的形成和演化是天体物理学中的重要课题。
科学家们通过观测和理论研究，试图理解星系是如何从早期的物质分布逐渐形成现在的结构，以及星系之间的相互作用和合并等过程。
在天体物理中，还有许多令人惊叹的高能现象。
比如，类星体是一种极其明亮的天体，其能量来源至今仍是一个未解之谜。
脉冲星则是快速旋转的中子星，会发出有规律的脉冲信号，就像宇宙中的灯塔。
而宇宙学，则是研究整个宇宙的起源、演化和未来的学科。
大爆炸理论是目前被广泛接受的宇宙起源模型。
根据这个理论，大约 138 亿年前，宇宙从一个高温、高密度的奇点开始迅速膨胀，随后逐渐冷却并形成了各种物质和结构。
宇宙微波背景辐射是大爆炸理论的重要证据之一。
这是一种均匀分布在整个宇宙空间的微弱电磁辐射，其温度和频谱特征与大爆炸理论的预测高度吻合。
暗物质和暗能量也是宇宙学中的重要概念。
虽然我们无法直接观测到暗物质，但通过它对星系旋转和引力透镜效应的影响，我们知道它在宇宙中占据了相当大的比例。
而暗能量则被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量。
研究天体物理和宇宙学，离不开各种先进的观测手段和技术。
地面上的大型望远镜，如哈勃空间望远镜、韦伯空间望远镜等，能够捕捉到来自遥远天体的微弱光线，为我们提供了丰富的观测数据。
物理学中的天体物理学与宇宙学
物理学中的天体物理学与宇宙学天体物理学与宇宙学是物理学中涉及到宇宙中物质运动和演化的研究领域，这些物质包括星球、星系以及整个宇宙的结构和性质等方面。
随着科技和科学研究的不断发展，人类对于宇宙的认识也不断加深，而天体物理学和宇宙学的研究正是推动着宇宙探索的进一步发展。
天体物理学的研究主要关注于星球、星系中各种物质的物理性质、运动规律以及演化历程等，其中一个重要的研究方向便是对于恒星的研究。
恒星是一种自主维持其温度、亮度和密度稳定的天体物质，而据研究表明，恒星演化过程中的温度、密度、质量和组成等因素都对其它恒星以及整个宇宙的演化产生着深远的影响，因此对于恒星的研究成为了天体物理学中一个重要的分支。
宇宙学则更注重研究宇宙的结构和演化历程，包括宇宙大爆炸的起源、宇宙的扩张以及星系团的形成和演化等。
而在宇宙学的研究中，宇宙微波背景辐射（CMB）是一种至关重要的宇宙背景物质，它是在宇宙大爆炸之后大约380,000年所形成的，背景辐射的分布可以帮助我们更好地了解宇宙结构的演化过程，同时也可以帮助我们解决宇宙学中的一些重大问题，例如宇宙学常数以及宇宙初态等。
天体物理学和宇宙学的研究都需要涉及到数学、统计和计算等领域的知识，以便更好地建立数学模型和进行数据分析，在这些研究领域中，基于大数据的机器学习技术也得到了越来越广泛的应用。
而在物理学的研究中，实验也是至关重要的一环，天文观测技术、粒子探测和分析等实验技术的发展可以帮助我们更好地进行数据采集和分析，进而加深我们对宇宙的认识和了解。
总之，天体物理学和宇宙学的研究为我们揭示了宇宙的奥妙，让我们对于宇宙的起源和演化有了更加深刻的理解，同时也推动着科技和科学研究的不断发展。
理解宇宙学和天体物理学
理解宇宙学和天体物理学宇宙学和天体物理学是两个密切相关但又有所不同的科学领域。
它们都致力于研究宇宙的本质、结构和演化，但侧重点和方法略有不同。
下面将对宇宙学和天体物理学进行解析，以帮助读者更好地理解这两个领域。
一、宇宙学宇宙学是研究宇宙全体的学科，旨在解释宇宙的起源、演化以及宇宙中存在的各种现象。
它涉及的范畴包括宇宙的大小、形态、组成、结构等。
宇宙学关注的重点问题包括宇宙的起源与结构、宇宙的演化与膨胀、暗能量和暗物质等。
宇宙学采用了天文学、物理学、数学等科学方法，通过观测、模拟和理论推演来揭示宇宙的奥秘。
二、天体物理学天体物理学是研究天体物理现象和天体之间的相互作用的学科。
它主要研究天体的形成、演化、结构和物理特性等。
天体物理学的研究对象包括星系、恒星、行星、黑洞等各种天体。
天体物理学的研究方法主要包括天文观测、实验模拟和理论计算等。
天体物理学与宇宙学紧密相连，它为宇宙学提供了大量的观测数据和理论支持。
三、宇宙学与天体物理学的关系宇宙学和天体物理学的界限有时会模糊，因为它们研究的领域存在一定的重叠。
它们都追求从不同角度解释宇宙的起源、演化和性质。
宇宙学更注重对宇宙整体的研究，包括宇宙的宏观结构和宇宙中存在的暗物质、暗能量等未知成分。
而天体物理学更关注天体的细节和物理过程，研究天体物质的性质、星系演化、恒星爆发等现象。
两者相辅相成，相互推动了宇宙领域的研究进展。
四、前沿研究与应用宇宙学和天体物理学在科学界中具有重要地位，并涉及到很多前沿研究与应用。
例如，宇宙学在探索宇宙暗物质和暗能量的性质上面取得了很大进展，更加精确地描述了宇宙的演化过程。
天体物理学则深入研究了恒星的核聚变过程、黑洞的性质以及星际物质的形成等等。
此外，宇宙学和天体物理学的研究也为人类提供了很多应用，例如卫星导航系统、太阳能利用、航天技术等。
总结起来，宇宙学和天体物理学是两个紧密相关的学科，它们共同致力于揭示宇宙的奥秘和研究天体的特性。
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“坐标原点”的奇点是时间的一个奇点，经过塌缩 的物质都撞到这个奇点上，对于它们来说，时间完全 终结了. 人们发现黑洞动力学的四条基本定律就是热力学的 四条基本定律，从而建立起了黑洞热力学. 物理学面临一些疑难： ① 黑洞贝肯斯坦霍金熵的统计力学起源； ②黑洞信息丢失； ③奇点困难等等. 近年来，无论在天体探测还是在基础理论研究方 面，黑洞物理都是非常活跃的热门学科.这是因为黑 洞不仅具有许多奇特性质，而且还是广义相对论、量 子理论、共形场论、弦理论、统计物理等多学科的交 叉与结合部.
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三、爱因斯坦场方程
在相对论中，质点的运动用四个函数xμ来描 写，称为世界线. 若有两个事件在这个坐标系中的坐标分别是xμ 及xμ＋dxμ ，则其固有时间隔是
ds g dx dx
2
固有时间隔中的g就是时空度规.物理时空的度 规就是描写引力最基本的量，它决定了时空的几 何性质 爱因斯坦假设：时空度规并非狭义相对论中的平直 度规，在引力场中自由下落物体的世界线就是时空 的短程线. 于是，把沿短程线运动的观测者视为时空的背景 观测者.
d A
A g00 dt A
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d B
B g00 dt B
B d A B A d
A g00 B g00
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五、引力辐射
1918年，爱因斯坦就根据广义相对论预言了引力 波的存在. (1)寻求场方程的弱场辐射解； (2)寻求严格的场方程的特解. 实验上探测引力波的先驱工作是韦伯于1960年 开始的.1974年底，赫尔斯和泰勒开始研究射电脉 冲星PSRl913＋16，他们发现其轨道公转周期变小 的变化率与广义相对论计算的引力波辐射而产生的 辐射阻尼的预言符合得非常好，从而间接证明了引 力波的存在.为此他们获得了1993年度的诺贝尔物 理奖.
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通过比较牛顿理论中的泊松方程和广义相对论中的 短程线偏离方程来建立引力场方程. 由此，我们得到爱因斯坦引力场方程
1 8G R g R 4 T 2 c
其中R是Ricci曲率张量，R是Ricci曲率标量， T是物质的能动张量. 爱因斯坦场方程满足：
(1) 在牛顿近似下(即引力场为弱场、物质分布为静 态)，场方程退化为牛顿引力理论的泊松方程； (2) 场方程是广义协变的； (3) 能动张量守恒T ，＝0.
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广义相对论与牛顿引力理论有几个根本的不同点： (1)牛顿理论中引力是超距离作用，而广义相对论中引 力以光速传播； (2)牛顿理论中时空与物质存在与否无关，永远是平直 的，而广义相对论中物质的存在与运动会影响时空性 质，时空是弯曲的； (3)牛顿理论中有引力的概念，而广义相对论中引力已 被几何化.
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§19.2 致密星 一、恒星的形成与演化
恒星就诞生 弥漫于宇宙中的星际物质在万有引力的作用下聚 集起来，聚集过程中它们的引力势能转化为热能，使 原本很冷的物质温度升高，引起星体中氢的聚变反应， 这时，一颗发光发热的恒星就诞生了。 主序星 恒星中氢燃烧生成氦的热核反应，大约可以维持 100亿年.这段时间内，恒星处在一个长期稳定的时期， 这个时期约占恒星寿命的99%.这类星称为主序星. 主序星的存在是由于万有引力把物质聚集在一起， 而热核反应产生的热量造成粒子迅速运动并产生排斥 效应二者的平衡.
3
但爱因斯坦却从这一实验事实中，找到了新理 论的重要线索。 设参考系K，是一个惯性系，物体只受引力m引g.则 牛顿定律是: m惯a＝m引g a＝ g 若密封参考系K/，相对于K的加速度为g，则是一 个非惯性系(惯性力-m惯g) , 物体加速度为 a/+g，有 m惯(a/＋g)＝m引g a/＝0 结论是：在引力场中自由下落的密封实验室内，一切 力学现象就如同在一个没有引力场的惯性系中一样. 或 任何物理实验（包括力学电磁和其它等等）都 不能区分引力和惯性力的效果。
g
o
e
1 gh / c 2
13
2. 太阳表面发出的光到达地球时的红移 一般的静态引力场,设光源和接收器都静止在引力 场中. 考虑波场中相邻的两个波阵面分别经过A点和B 点，有
t t t t
B 1 A 1 B 2
A 2
B t2A t1A t2 t1B
dt A d标准钟和静止 坐标钟读数之间的关系为
4
这表明匀加速运动的非惯性系与一个均匀的恒定引 力场是等效的。
K
K g g
K/
g
K参考系中，加速度g
K/参考系中, 加速度a/＝0
爱因斯坦把它总结为等效原理: 在局部范围内，我们可以把引力作用从一切现象 中消除掉. 等效原理是引力理论的最基本原理.
5
注意：实际的引力场不可能是均匀的，常常只在局 部范围中才能近似是均匀的. 原则上说，只有在一个点状的自由下落体系中才 能完全消除引力的一切现象.这就是必须强调“局部” 一词的原因. 2.广义相对性原理 爱因斯坦在将狭义相对性原理进一步推广到非 惯性系时，提出了广义相对性原理： 一切参考系都是平权的.或换言之，客观真实的 物理规律应该在任意坐标变换下形式不变——广义 协变性. (1)等效原理与广义相对性原理取消了惯性系的优越 地位，使一切参考系都平权； (2)一个正确的物理规律必须考虑引力场的影响.
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三、中子星
当物质密度进一步增加时，电子气的简并压抵抗 不住星体自身的引力，从而星体将进一步塌缩，电 子将被压入原子核中，与其中的质子中和生成中子， 成为中子气. 中子是费米子，泡利不相容原理不允许两个中子 处在同一个状态，相互靠近的中子将产生一种新的 排斥力——中子简并压.这种由中子简并压与引力相 抗衡而形成的恒星就是中子星. 与太阳质量相同的中子星的半径只有10 Km，其 密度一般在1014 g/cm3左右，其自转周期约1 s. 中子星也有一个被称为奥本海默极限的质量上限， 即3.2M⊙.
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由于引力波的相干性和极强的穿透性，引力波的检测 和波形的研究对现代天文学和物理学都有极其重大的 意义： (1)引力波可以穿过超新星爆炸时所产生的不透光的壳 层，通过对超新星爆炸时产生的引力波波形的分析， 人类将了解到超新星爆炸过程中内核的变化情况； (2)通过引力波的研究，人类将可能直接确定黑洞的存 在，可以测量黑洞和中子星的质量、结构、产生率及 其在宇宙中的分布，进一步认识伽马爆与致密双星互 绕结合的关系； (3)可以确定在极高密度下物质的物态方程； (4)可以研究早期宇宙(复合时期以前)的状态. 总之，引力波作为不同于电磁波的一个全新窗口 将对人类认识自然界产生巨大的影响.
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§19.3 宇宙学简介
宇宙学是研究宇宙形成和演化的科学，它的任务是 研究大尺度时空的整体结构和演化. 宇宙物质(天体)之间的作用力是引力，因此，要 定量地研究宇宙的演化，必须以引力理论为基础. 爱因斯坦的引力场方程可以用于宇宙研究，可作 为宇宙演化的动力学方程.
一、宇宙学红移
在1929年，美国天文学家哈勃根据远距离星云 的观测资料发现，远距离恒星发出的光谱发生一种 宇宙学红移，而且，离地球越远的恒星，其光谱线 的红移越大. 哈勃从观测资料总结出了红移规律：恒星光谱的 宇宙学红移与恒星到地球的距离成正比，即
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§19.1 广义相对论
广义相对论是关于时间、空间和引力的理论。 是现代天体物理（包括宇宙）和粒子物理（引力的 量子论）的理论基础。
一、等效原理和广义相对性原理
1.等效原理 引力质量与惯性质量原本是两个毫无关系不同的 概念．然而, 多次的精确实验表明，对于各种材料,引 力质量等于惯性质量。
在牛顿理论中，把上述看成完全不能加以解释的 公理，并简单地认为是出于偶然，没有这个事实， 牛顿理论照样成立。
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四、黑洞
当恒星质量大于奥本海默极限，恒星将经历无限 塌缩.这种恒星的时空弯曲得如此厉害，其外部会出 现一个特殊的时空区，在那里光和其他粒子都只能单 向地向引力源下落，而不可能静止或向外运动.这种 特殊的时空区就叫作黑洞，区域的边界称为黑洞的表 面或事件视界. 牛顿理论中的黑洞和爱因斯坦广义相对论中的黑 洞除了都有视界外，其他并无共同之处. 在牛顿理论的黑洞中，原点是一个奇点.在爱因斯 坦理论的黑洞中，径向坐标在视界上发生本质的变化： 在视界之外，径向坐标是类空的；在视界之内，径向 坐标是类时的.
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中子星的外层是一固体外壳，厚度在1 Km左右. 外层的物质密度约为106 g/cm3, 由原子核的点阵结 构和简并的自由电子气组成， 当物质密度达到约4.3×1011 g/cm3时，开始有自由 中子形成. 这部分中子星物质是由形成点阵的原子核、 自由电子以及自由中子所组成的. 当密度增加到1014 g/cm3时，原子核将完全解离， 形成了一种主要由中子构成的流体，其中也有少量的 质子、电子和μ子.中子流体区中的流体，处于超流状 态，同时质子是超导的，而电子则是正常的. 密度大于1015 g/cm3的范围，有关物质的组成以及 物态的看法很不一致.比较流行的有三种：超子流体， 固体中子核心和中子流体的π凝聚.
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二、局部惯性系
消除了引力的参考系，称为局部惯性系. 1.局部惯性系符合惯性系的定义. 只有在局部惯性系中，才真正找得到“没有外力 的环境”，并且在这个环境中的确仍满足惯性定律. 2. 局部惯性系比牛顿体系中的惯性系概念更明确也 更一般. 牛顿体系中大范围的、甚至全空间统一的惯性系 是不存在的. 在牛顿体系中不可能理解为什么惯性系是“优越” 的，而现在却看到，它之所以优越是因为在这种参 考系中消除了引力的作用. 在牛顿体系中，惯性系是决定于绝对空间的，它 不受物质运动的影响. 现在，一个做自由落体运动的
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红巨星 恒星的中心部分将收缩，并进入恒星的老年期. 研究表明，该中心部分的归宿与其质量有关： 中心质量M＜1.4M⊙(M⊙为太阳质量)时，将演 化成白矮星； 中心质量满足1.4M⊙＜M＜3.2M⊙时，将演化成 中子星； 中心质量大于3.2M⊙时将塌缩成黑洞.