宇宙大爆炸与宇宙暗能量 44页PPT文档
“我这一生最大的错误就是错误地引进了宇宙常数项”(Einstein) — 21世纪初天文学家发现宇宙加速膨胀,
Einstein 的宇宙常数项 成了现代宇宙学研究的中心环节 宇宙暗能量的研究 (2019年以来)
Lemaitre的原始原子理论
•1927年，比利时传教士和天文学 家G. Lematire重新得到Einstein 引力场方程的Friedman解。
zHd VHd c
H: Hubble常数
所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们运动，而且距离愈 远的星系，远离速度愈快。 宇宙正在膨胀 (Lematire, 1927)
物理本质
光子的波长随着宇宙的膨胀在同步膨胀。
如何看待宇宙学红移与Doppler红移？宇宙学红移是不是Doppler红 移?
L
L ~ 31018 厘米 ~ 4.3 光年 ~ 2.7 105 天文单位(AU)
8.6 kpc ~ 2.8 x 104 ly
银河系 我们在此
星系集团 (Hercules)
10 25 厘米
几千个星系
最遥远的星系
L
L ~ 1026 厘米
TL ~ 31015 s
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
Hubble 定律告诉我们，我们所处的宇宙正在膨胀
说明宇宙早期是高温、高密的状态
• 1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源 于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。
• 宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空 间膨胀（宇宙是无中心的）。
• 随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原 初元素相继形成 。
宇宙大尺度结构
(bubbles 200 Mly across)
可见宇宙的大小
— Hubble 距离
L ~ 1028 厘米
TL ~ 31017 s ~ 1010 yr
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙膨胀 的 发现
• 1965年Penzias和Wilson在7.35厘米波长发现宇宙背景中 存在温度为3.5 K、各向同性的 黑体辐射。
• 它被证实为宇宙微波背景辐射 (Cosmic Microwave Background)
1978 Nobel Prize winners
宇宙微波背景特点
• 1989年宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米-10厘米波 段的宇宙背景辐射进行观测
宇宙大爆炸
彭秋和 (南京大学天文系)
太阳系
水星 金星 地球 火星
类地行星
木星 土星 天王星 海王星
类木行星
日地距离 (1 AU---天文单位)
L
地球
L ~ 1.51013 厘米 = 1.5 亿公里 T ~ 3.1107 秒 (1年)
离我们最近的恒星
Centauri Proxima (半人马座)比邻星
遗憾: 当时的天文观测者对膨胀宇宙学毫无了解。他们并未作出 宇宙学的结论。
宇宙微波背景辐射
—宇宙大爆炸理论的观测检验
发现
• Gamov, Alpher和Herman 预言5-50K的宇宙大爆炸的残 余背景辐射。
• 1964年Dicke, Peebles, Roll和Wilkinson计算得到背景辐 射为温度10 K的黑体辐射。
Massive neutrino
获 或
引 (b) 固体小天体
力 透
(c) 中性和离子化气体
镜 (d) 大质量黑洞
WIMPs
观
测
Axions
湮
灭
Neutralinos
谱
新物理
修正了的引力模型
线
按照退偶时粒子的能量与其静止质量相比较，天文学 家把假想的暗物质候选体分为三大类：
热暗物质 (HDM)：如中微子，粒子质量很小，速度接 近光速的粒子。
The father of the Big Bang cosmology
1929年，哈勃仅用24个星系的观测资料，做出了距离与 视向速度的关系图。
Hubble定律 Vr H0d
Velocity (km/sec)
• 星系退行速度和星系距 离成正比
Hubble’s 1929 data
• 所有的天体在远离我们 而去， 宇宙在膨胀。
Hubble的发现 --- 宇宙膨胀
光谱线的Doppler位移: 光源接近我们时，光谱线向兰端位移(兰移)(光波波长变短) 光源远离我们时，光谱线向红端位移(兰移)(光波波长变长)
z 0 V 0 c
V:光源相对于我们的速度(远离为正, 接近为负); c:光速
在1924年Hubble观测发现河外星系以后,他开始研究河外星系的 光谱。他惊奇地发现:除了最近的少数几个河外星系外，几乎所有较 遥远的河外星系的光谱线全部都呈现向红端位移的现象，而且，距 离愈遥远的星系，谱线红移量(z)愈大，几乎与它们的距离成正比。
0/1a0/a1
引力红移
宇宙学红移
引力红移
Einstein的静态宇宙模型
1915年Einstein建立广义相对论
物质引力时空弯曲 1917年，Einstein将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构。
在假设宇宙是无限大的、均匀的前提下，Einstein发现方程的解 是不稳定的，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。
的观测研究发现:
分子振动
它实际上为几条光谱线。 能级跃迁
谱线R(0)为从基态向高
能级的跃迁
P(1)、R(1) 两条谱线 对应于从分子的第一
λ0.066cm
J=3 3873.369 Å
J=2 J=1
3873.998 Å
J=0
3875.763 Å 3874.603 Å
分子 转动 能级 跃迁
激发态向高能级的跃迁
原因:
1)Gamow学说的重点在于宇宙中所有较重的化学元素主要起源于
宇宙热大爆炸。后来的研究表明：这是错误的。
2)理论学家和实验家(天文观测学家)互不了解、互不沟通信息。
3) 宇宙早期理论当时被当作天方夜谈式的幻想!
天文光谱学观测的早期发现(1941)
蛇夫座ζ星λ3875 Å 吸收线
(星际 CN分子吸收线)
温暗物质 (WDM)：
冷暗物质 (CDM)：如axion(?)，photino，粒子质量较大、 速度较慢。
暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质
此外，观测以及理论表明： Missing energy component ！
visible matter ~ 0.01 baryons ~ 0.04 dark matter ~ 0.3
为求出引力场方程的均匀的和各向同性的静态解， Einstein加入一
个起斥力作用“宇宙常数”Λ项,得到一个静态宇宙模型。
1922年，俄国数学家A. Friedman求得不含“宇宙常数”项的引 力场方程的均匀的和各向同性的通解。 在这个模型中宇宙是膨胀的，膨胀宇宙的演化取决于宇宙中的物质
自引力或密度ρ的大小。
光度质量:
ML
MSun LSun
L* LSun
天文观测发现: (1940s) 对星系团:
ML 5%M总
矛盾: 丢失的质量 Missing mass — 暗物质
宇宙的物质组成及含量
• 银河系以及其它旋涡星系的观 测发现存在平直旋转曲线（延 伸到发光区以外很远的地方）， 这表明星系内部存在有巨大的、 由暗物质组成的晕。 • 对星族 II 系统的动力学示踪以 及为解释麦哲伦流的形态及动 力学，均表明银河系90%以上的 质量由暗物质组成。
J=3
λ0.132cm J=2 R(2)
J=1
P(1) R(1)
λ0.264cm J=0 R(0)
推论
如果星际空间背景为0 K, 则CN分子只能处于基态。而P(1)、 R(1)谱线的存在表明有一定数量的分子处于第一激发态。这 是由于受到相当于2.3 K的辐射的激发
2.3 K的辐射(黑体辐射)对应于光波波长为0.624cm—微波波区 这表明星际空间可能充满了2.3 K的背景辐射。
•Lematire指出哈勃观测到的宇宙 膨胀现象正是Einstein引力场方程 所预言的。因此，过去的宇宙必定 比今天的宇宙占有较小的空间的尺 度、物质更有序。最理想的有序状 态莫过于整个宇宙的物质包含在一 个原子里。因此、宇宙有一个起始 之点，称为“原始原子”。
Abbe George LeMaitre
大、小麦哲伦云 有一个共同的中 性H包层，并向银 河系延伸形成麦 哲伦流。
• 在星系组成的系统中的暗物质
主要是通过分析本星系群内部成员星系的时变性；研究 双星系以及星系群内成员星系的动力学特征；以及星系 团内部热气体的X-射线辐射等。
星系Abell 2390（上）和 MS2137.3-2353 （下）的X 射线（右）与光学（左） 像。气体与恒星的质量仅 为束缚气体所需质量的 13%
h0.50.8
Friedmann’s equation显然可以改写为
Mk i 1
i
宇宙微波背景辐射的理论预言 (1948)
Gamow 的宇宙热大爆炸学说曾预言:宇宙大爆炸后，早期宇宙产生 的热辐射经宇宙膨胀后遗留下 5 K 的微波背景辐射。
遗憾:当时未引起物理学家和天文学家的重视与承认。
为了束缚热气体，星系团内必定包含大量暗物质
• 暗物质的组成(What is the nature of Dark Matter?)
观测表明：
visible matter ~ 0.01
baryons ~ 0.04 BBN + CMB
dark matter ~ 0.3
Einstein 的宇宙常数项 成了现代宇宙学研究的中心环节 宇宙暗能量的研究 (2019年以来)
Lemaitre的原始原子理论
•1927年，比利时传教士和天文学 家G. Lematire重新得到Einstein 引力场方程的Friedman解。
zHd VHd c
H: Hubble常数
所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们运动，而且距离愈 远的星系，远离速度愈快。 宇宙正在膨胀 (Lematire, 1927)
物理本质
光子的波长随着宇宙的膨胀在同步膨胀。
如何看待宇宙学红移与Doppler红移？宇宙学红移是不是Doppler红 移?
L
L ~ 31018 厘米 ~ 4.3 光年 ~ 2.7 105 天文单位(AU)
8.6 kpc ~ 2.8 x 104 ly
银河系 我们在此
星系集团 (Hercules)
10 25 厘米
几千个星系
最遥远的星系
L
L ~ 1026 厘米
TL ~ 31015 s
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
Hubble 定律告诉我们，我们所处的宇宙正在膨胀
说明宇宙早期是高温、高密的状态
• 1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源 于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。
• 宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空 间膨胀（宇宙是无中心的）。
• 随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原 初元素相继形成 。
宇宙大尺度结构
(bubbles 200 Mly across)
可见宇宙的大小
— Hubble 距离
L ~ 1028 厘米
TL ~ 31017 s ~ 1010 yr
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙膨胀 的 发现
• 1965年Penzias和Wilson在7.35厘米波长发现宇宙背景中 存在温度为3.5 K、各向同性的 黑体辐射。
• 它被证实为宇宙微波背景辐射 (Cosmic Microwave Background)
1978 Nobel Prize winners
宇宙微波背景特点
• 1989年宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米-10厘米波 段的宇宙背景辐射进行观测
宇宙大爆炸
彭秋和 (南京大学天文系)
太阳系
水星 金星 地球 火星
类地行星
木星 土星 天王星 海王星
类木行星
日地距离 (1 AU---天文单位)
L
地球
L ~ 1.51013 厘米 = 1.5 亿公里 T ~ 3.1107 秒 (1年)
离我们最近的恒星
Centauri Proxima (半人马座)比邻星
遗憾: 当时的天文观测者对膨胀宇宙学毫无了解。他们并未作出 宇宙学的结论。
宇宙微波背景辐射
—宇宙大爆炸理论的观测检验
发现
• Gamov, Alpher和Herman 预言5-50K的宇宙大爆炸的残 余背景辐射。
• 1964年Dicke, Peebles, Roll和Wilkinson计算得到背景辐 射为温度10 K的黑体辐射。
Massive neutrino
获 或
引 (b) 固体小天体
力 透
(c) 中性和离子化气体
镜 (d) 大质量黑洞
WIMPs
观
测
Axions
湮
灭
Neutralinos
谱
新物理
修正了的引力模型
线
按照退偶时粒子的能量与其静止质量相比较，天文学 家把假想的暗物质候选体分为三大类：
热暗物质 (HDM)：如中微子，粒子质量很小，速度接 近光速的粒子。
The father of the Big Bang cosmology
1929年，哈勃仅用24个星系的观测资料，做出了距离与 视向速度的关系图。
Hubble定律 Vr H0d
Velocity (km/sec)
• 星系退行速度和星系距 离成正比
Hubble’s 1929 data
• 所有的天体在远离我们 而去， 宇宙在膨胀。
Hubble的发现 --- 宇宙膨胀
光谱线的Doppler位移: 光源接近我们时，光谱线向兰端位移(兰移)(光波波长变短) 光源远离我们时，光谱线向红端位移(兰移)(光波波长变长)
z 0 V 0 c
V:光源相对于我们的速度(远离为正, 接近为负); c:光速
在1924年Hubble观测发现河外星系以后,他开始研究河外星系的 光谱。他惊奇地发现:除了最近的少数几个河外星系外，几乎所有较 遥远的河外星系的光谱线全部都呈现向红端位移的现象，而且，距 离愈遥远的星系，谱线红移量(z)愈大，几乎与它们的距离成正比。
0/1a0/a1
引力红移
宇宙学红移
引力红移
Einstein的静态宇宙模型
1915年Einstein建立广义相对论
物质引力时空弯曲 1917年，Einstein将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构。
在假设宇宙是无限大的、均匀的前提下，Einstein发现方程的解 是不稳定的，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。
的观测研究发现:
分子振动
它实际上为几条光谱线。 能级跃迁
谱线R(0)为从基态向高
能级的跃迁
P(1)、R(1) 两条谱线 对应于从分子的第一
λ0.066cm
J=3 3873.369 Å
J=2 J=1
3873.998 Å
J=0
3875.763 Å 3874.603 Å
分子 转动 能级 跃迁
激发态向高能级的跃迁
原因:
1)Gamow学说的重点在于宇宙中所有较重的化学元素主要起源于
宇宙热大爆炸。后来的研究表明：这是错误的。
2)理论学家和实验家(天文观测学家)互不了解、互不沟通信息。
3) 宇宙早期理论当时被当作天方夜谈式的幻想!
天文光谱学观测的早期发现(1941)
蛇夫座ζ星λ3875 Å 吸收线
(星际 CN分子吸收线)
温暗物质 (WDM)：
冷暗物质 (CDM)：如axion(?)，photino，粒子质量较大、 速度较慢。
暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质
此外，观测以及理论表明： Missing energy component ！
visible matter ~ 0.01 baryons ~ 0.04 dark matter ~ 0.3
为求出引力场方程的均匀的和各向同性的静态解， Einstein加入一
个起斥力作用“宇宙常数”Λ项,得到一个静态宇宙模型。
1922年，俄国数学家A. Friedman求得不含“宇宙常数”项的引 力场方程的均匀的和各向同性的通解。 在这个模型中宇宙是膨胀的，膨胀宇宙的演化取决于宇宙中的物质
自引力或密度ρ的大小。
光度质量:
ML
MSun LSun
L* LSun
天文观测发现: (1940s) 对星系团:
ML 5%M总
矛盾: 丢失的质量 Missing mass — 暗物质
宇宙的物质组成及含量
• 银河系以及其它旋涡星系的观 测发现存在平直旋转曲线（延 伸到发光区以外很远的地方）， 这表明星系内部存在有巨大的、 由暗物质组成的晕。 • 对星族 II 系统的动力学示踪以 及为解释麦哲伦流的形态及动 力学，均表明银河系90%以上的 质量由暗物质组成。
J=3
λ0.132cm J=2 R(2)
J=1
P(1) R(1)
λ0.264cm J=0 R(0)
推论
如果星际空间背景为0 K, 则CN分子只能处于基态。而P(1)、 R(1)谱线的存在表明有一定数量的分子处于第一激发态。这 是由于受到相当于2.3 K的辐射的激发
2.3 K的辐射(黑体辐射)对应于光波波长为0.624cm—微波波区 这表明星际空间可能充满了2.3 K的背景辐射。
•Lematire指出哈勃观测到的宇宙 膨胀现象正是Einstein引力场方程 所预言的。因此，过去的宇宙必定 比今天的宇宙占有较小的空间的尺 度、物质更有序。最理想的有序状 态莫过于整个宇宙的物质包含在一 个原子里。因此、宇宙有一个起始 之点，称为“原始原子”。
Abbe George LeMaitre
大、小麦哲伦云 有一个共同的中 性H包层，并向银 河系延伸形成麦 哲伦流。
• 在星系组成的系统中的暗物质
主要是通过分析本星系群内部成员星系的时变性；研究 双星系以及星系群内成员星系的动力学特征；以及星系 团内部热气体的X-射线辐射等。
星系Abell 2390（上）和 MS2137.3-2353 （下）的X 射线（右）与光学（左） 像。气体与恒星的质量仅 为束缚气体所需质量的 13%
h0.50.8
Friedmann’s equation显然可以改写为
Mk i 1
i
宇宙微波背景辐射的理论预言 (1948)
Gamow 的宇宙热大爆炸学说曾预言:宇宙大爆炸后，早期宇宙产生 的热辐射经宇宙膨胀后遗留下 5 K 的微波背景辐射。
遗憾:当时未引起物理学家和天文学家的重视与承认。
为了束缚热气体，星系团内必定包含大量暗物质
• 暗物质的组成(What is the nature of Dark Matter?)
观测表明：
visible matter ~ 0.01
baryons ~ 0.04 BBN + CMB
dark matter ~ 0.3
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宇宙大爆炸讲解
处逢生，奇迹般地完成人类首次太空之旅。
2.通过不断总结经验，1969年7月21日格林尼
治时间12时56分，美国宇航员阿姆斯特朗走 出阿波罗11号的登月舱，终于在月球上印下 人类第一个脚印，迈出了“人类巨大的一 步”。至此，人类探索太空的旅程翻开了新
的一页。
阿波罗登月视频.MPG
新建文件夹\8嫦娥二号发射成功.3gp 新建文件夹\7嫦娥探月]动画演示：嫦娥二号
题的讨论中去。要是我们对此找到了答案，那么将
会是人类理智最终极的胜利。
从爱因斯坦广义相对论可推断出，宇宙必 须有个开端，并可能有个终结。
几乎所有星系都远离我们而去。从星系光谱的红移 可以推断出，越远的星系以越快的速度远离我们而 去，这表明整个宇宙处于膨胀的状态。宇宙不可能 像原先人们所想像的那样处于静态，这是一个动态 的过程。哈勃的发现暗示着存在一个叫做大爆炸的 时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。
五.人类对宇宙的探索
• 1. 1961年4月12日，首次载人航天发射即将 开始。当时，谁也没有把握这次能成功。 苏联曾有人建议让尚未生儿育女的宇航员 戈尔德·季托夫来执行这次任务。当时负责 载人航天研究工作的苏联宇航专家谢尔 盖·科罗列夫却坚持选用经验更为老道的尤 里·加加林，尽管他已是两个孩子的父亲了。
似乎世间万物最终的道路都是走向毁灭，无论是人 类，还是宇宙······
如科事果学实有的上一终宇天极宙我目中们的每确在一实 于件发 提东现 供西了 一要一 个形简套成单完一的整套理的完论理整去论统描。一述那的 时整理，个论我宇是们宙非所。常有困人难，的包。括哲学家、科学家以及普普通 通的人，都能参加到“为何我们和宇宙会存在”的问
一个著名的河外星系
银河系的友邻星系
四.宇宙大爆炸理论
2.通过不断总结经验，1969年7月21日格林尼
治时间12时56分，美国宇航员阿姆斯特朗走 出阿波罗11号的登月舱，终于在月球上印下 人类第一个脚印，迈出了“人类巨大的一 步”。至此，人类探索太空的旅程翻开了新
的一页。
阿波罗登月视频.MPG
新建文件夹\8嫦娥二号发射成功.3gp 新建文件夹\7嫦娥探月]动画演示：嫦娥二号
题的讨论中去。要是我们对此找到了答案，那么将
会是人类理智最终极的胜利。
从爱因斯坦广义相对论可推断出，宇宙必 须有个开端，并可能有个终结。
几乎所有星系都远离我们而去。从星系光谱的红移 可以推断出，越远的星系以越快的速度远离我们而 去，这表明整个宇宙处于膨胀的状态。宇宙不可能 像原先人们所想像的那样处于静态，这是一个动态 的过程。哈勃的发现暗示着存在一个叫做大爆炸的 时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。
五.人类对宇宙的探索
• 1. 1961年4月12日，首次载人航天发射即将 开始。当时，谁也没有把握这次能成功。 苏联曾有人建议让尚未生儿育女的宇航员 戈尔德·季托夫来执行这次任务。当时负责 载人航天研究工作的苏联宇航专家谢尔 盖·科罗列夫却坚持选用经验更为老道的尤 里·加加林，尽管他已是两个孩子的父亲了。
似乎世间万物最终的道路都是走向毁灭，无论是人 类，还是宇宙······
如科事果学实有的上一终宇天极宙我目中们的每确在一实 于件发 提东现 供西了 一要一 个形简套成单完一的整套理的完论理整去论统描。一述那的 时整理，个论我宇是们宙非所。常有困人难，的包。括哲学家、科学家以及普普通 通的人，都能参加到“为何我们和宇宙会存在”的问
一个著名的河外星系
银河系的友邻星系
四.宇宙大爆炸理论
宇宙大爆炸和暗能量以及暗物质(精)
宇宙概述我们的宇宙类似于一个宽广的海洋，有所不同的是宇宙承载是以太而不是水。
宇宙中的很多星星就像海洋中的一个个小岛，这些星星连同宇宙中的一切物质都是运转的以太，而且和空间中的静态以太连接在一起，浑然一体，就像漩涡和河水一样。
从宇宙的整体来看，宇宙越往中心物质就越多，由于万有引力作用导致以太也越往中心越密。
宇宙的膨胀致使整体的以太密度越来越小。
整个宇宙近似一个球形，因为大爆炸使物质和像地球大气一样包裹支点宇宙的以太向四面散去。
宇宙的边缘是最稀薄的以太，再向外就是没有以太的绝对真空。
绝对真空连光都无法传播，更不要谈飞行器能够到达了，飞行器和光同以太的关系就像漩涡和水波同水的关系。
除了它们，引力也不能到达，因为引力也是基于以太之上的。
在我们的宇宙之外，也不一定是无尽虚空，可能存在多个像我们的宇宙一样的宇宙，这些宇宙的关系像星系之间的关系一样。
说说题外话，宇宙学与哲学中的人生观有一定的联系。
比如，日月星辰亘古不变代表人们永恒的爱情，宇宙的大，这代表人们漫长的人生，天文望远镜下那色彩斑斓的星空代表人们烂漫的情感色彩。
那虚无飘渺的以太很像绵绵的爱，我们的宇宙之外连光都无法到过的无尽黑暗代表人们生命终结时那无尽的情愁。
我爱，故我在；我思，故我在，这是整个宇宙和我们存在的意义。
假如宇宙是有生命的，那么大自然就是宇宙的灵魂，它因爱而创造了万物。
从宇宙大爆炸以后，宇宙便丰富多彩起来。
数不尽的天文奇观，神奇而漫长的生物进化，一切都朝着爱的方向努力。
因为大自然知道，没有一种智能生物来观赏它的表演，再努力也是徒劳的，也一样死气沉沉。
当产生智能生物后，如果智能生物只有理性，没有感性，那么他们只会研究各种天文奇观产生的原因，而不会喝彩，因为没有爱憎。
所大自然又给了他们情感，大自然才不再寂寞，整个宇宙才有了生气，一切因爱而美丽。
第二节宇宙大爆炸和暗能量以及暗物质受到宇宙大爆炸影响最明显的是光速，因为随着宇宙的体积的膨胀，以太的密度会越来越小，光波的波长以及波峰到波谷的距离也会跟着增大，增大的比例与光速相同。
宇宙大爆炸
宇宙的结构
我们尚不清楚宇宙结构的 形成机制，以及为什么宇 宙看起来如此有序。
宇宙大爆炸与其他宇宙学理论的关系
宇宙充气理论
宇宙大爆炸理论与宇宙充气理 论相辅相成，解释了宇宙演化 的不同阶段。
弦理论
弦理论为宇宙大爆炸理论提供 了更深层次的物理学解释。
多元宇宙理论
多元宇宙理论揭示了宇宙大爆 炸可能只是众多宇宙中的一个 。
结论和展望
1 宇宙大爆炸是独一无二的
宇宙大爆炸是宇宙起源的关键事件，对我们理解宇宙的起源和演化 提供了重要突破。
2 仍有待发现的宇宙奥秘
尽管宇宙大爆炸理论得到广泛接受，但还有很多未解之谜等待我们 进一步研究和探索。
理论与发现
宇宙膨胀
爱因斯坦的广义相对论支持 了宇宙膨胀的理论，证明了 宇宙曾经是一个非常热、非 常密集的初始状态。
宇宙微波背景辐射
宇宙微波背景辐射的发现是 宇宙大爆炸理论中的重要证 据，它是宇宙大爆炸后剩余 的热辐射。
宇宙元素丰度
宇宙大爆炸的理论成功解释 了宇宙中丰富的氢、氦元素 丰度以及轻元素的起源。
宇宙形成和演化的影响
1
宇宙形成
宇宙大爆炸奠定了宇宙形成的基础，
宇宙演化
2
创造了我们所知的宇宙。
宇宙大爆炸后，宇宙开始膨胀并逐渐
演化，从而形成恒星、星系等结构。
3
星系聚集
宇宙大爆炸后，由于引力作用，星系 开始相互聚集形成更大的结构。
证据与观测
1 宇宙微波背景辐射
2 宇宙膨胀观测
宇宙微波背景辐射的发现是 宇宙大爆炸理论的重要证据 。
宇宙大爆炸
宇宙大爆炸是指宇宙起源于一次巨大的爆炸事件。这个理论目前是关于宇 宙起源最接受的理论之一，下面将会对宇宙大爆炸进行详细介绍。
宇宙大爆炸ppt
而去。
The Big Bang The end by jade
大约150亿年前，我们所处的宇宙全部以 粒子的形式、极高的温度、极大的密度，被挤 而去。 压在一个“原始火球” 中。
大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀， 温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所 有星系、恒星、行星乃至生命。
发现1、所有的星系都在远离我们 宇宙的命运
霍金预言宇宙 的两种结局： 1、会永远的膨 胀下去。 2、或者会塌缩 而在大挤压处 终结
发现1、所有的星系都在远离我们
宇宙起源于大爆炸
大 爆 炸 • 大爆炸后10-35秒 引力分离， 理 • 夸克、玻色子、轻子形成。 而去。 论 的 介 绍
发现1、所有的星系都在远离我们
宇宙起源于大爆炸
大 爆 炸 理 论 的 介 绍
• 大爆炸后10-43秒 • 宇宙从量子背景出现。 而去。
发现1、所有的星系都在远离我们
发现1、所有的星系都在远离我们
宇宙起源于大爆炸
大 爆 炸 理 论 的 介 绍
• • • •
大爆炸后1秒后 100亿度， 中微子向外逃逸， 正负电子湮没反应出现， 而去。 核力尚不足束缚中子和质子。
发现1、所有的星系都在远离我们
宇宙起源于大爆炸
大 爆 炸 理 论 的 介 绍
Hale Waihona Puke • 大爆炸后5-10秒 10万亿度， • 质子和中子形成。 而去。
发现1、所有的星系都在远离我们 大 爆 炸 理 论 的 介 绍
而去。
发现1、所有的星系都在远离我们
无论地球上观察，还是在其它星球上观 而去。 察，都 可以观察到其它星球都在远离观 察点而去，这是宇宙膨胀的结果。其实， 大爆炸而产生宇宙的理论也不能确定起 始爆炸中心。
宇宙ppt课件
05
宇宙的未来与人类的使 命
宇宙的膨胀与暗能量
总结词
暗能量是一种未知的物质，它可能是推动宇宙加速膨胀的原因。
详细描述
暗能量是一种不可见的物质，它占据了宇宙的大部分，并具有一种排斥力，使得宇宙的膨胀速度不断 加快。目前，科学家仍在研究暗能量的性质和作用。
人类的太空探索与殖民计划
总结词
人类正在积极探索太空，并实施殖民计 划以扩大生存范围。
人类进化
人类的进化经历了漫长的岁月，从灵长类动物逐渐进化出智慧和 语言能力。
宇宙生命的未来
宇宙生命的适应性
在宇宙中，生命需要适应各种极端的环境条件，如高温、低温、高 辐射等。
外星生命的未来发展
如果存在外星生命，它们可能会发展出与地球生命完全不同的形态 和特征。
地球生命的未来
地球生命的未来受到许多因素的影响，如气候变化、资源枯竭等，人 类需要采取行动来保护地球生命。
宇宙是无限和有限的统一体
宇宙在空间上是无限的，但在时间上是有限的。
宇宙的起源
大爆炸理论
宇宙起源于大约138亿年前的一次 大爆炸，这个事件被称为宇宙大 爆炸。
宇宙的膨胀
在大爆炸之后，宇宙经历了快速的 膨胀过程，这个过程被称为宇宙的 膨胀。
物质的产生
在大爆炸之后，宇宙中逐渐产生了 原子、分子和各种物质，这些物质 逐渐聚集在一起，形成了我们今天 所看到的宇宙。
黑洞与暗物质
黑洞
是一种密度极高的天体，引力极强，甚至连光都无法逃逸收光，因此我们无法直接观测到它。但是，通过它对周围物质的引力效应， 科学家推测出了暗物质的存在。
04
宇宙中的生命
外星生命的探索
适合生命存在的星球
01
《宇宙的奥秘》课件
人类带来前所未有的挑战，需要寻找新的生存空间和资源。
人类在宇宙中的位置与使命
总结词
探讨人类在宇宙中的地位和所承担的使命
详细描述
人类在宇宙中是一个相对较新的物种，但我们也有着特殊的使命。我们不仅需要 了解宇宙的奥秘，还需要保护地球和探索宇宙的未来。我们需要与其他文明进行 交流，共同面对宇宙的挑战，并努力为宇宙的和平与繁荣做出贡献。
星系的形成与演化
星系是由气体、尘埃和恒星组成的庞 大系统。
随着时间的推移，星系会发生变化， 包括合并、相互作用和演化等过程。
星系的形成与演化是一个复杂的过程 ，涉及到多种物理机制和相互作用。
恒星与行星
Hale Waihona Puke 02恒星的类型与生命周期总结词
恒星是宇宙中最重要的天体之一，其类型和生命周期对宇宙的演化具有重要影响。
《宇宙的奥秘》ppt课 件
contents
目录
• 宇宙的起源与演化 • 恒星与行星 • 宇宙中的物质与能量 • 宇宙中的黑洞与虫洞 • 外星生命与地外文明 • 宇宙的未来与人类的命运
宇宙的起源与演化
01
宇宙大爆炸理论
宇宙起源于一个极度高温和高密 度的状态，被称为大爆炸。
大爆炸理论认为宇宙起源于一个 极度高温和高密度的状态，宇宙 中的物质和能量从无到有突然出
详细描述
根据国际天文学联合会（IAU）的定义，行星是指围绕太阳运行的天体，具有足 够的质量使其自身形成近似圆球的形状。根据其轨道、大小和质量等特征，行 星可以分为多个类型，如类地行星、类木行星等。
行星探测与探索
总结词
随着科技的发展，人类已经能够派遣探测器前往太阳系中的行星进行探测和探索，这些活动对于了解 太阳系的构成和演化具有重要意义。
人类在宇宙中的位置与使命
总结词
探讨人类在宇宙中的地位和所承担的使命
详细描述
人类在宇宙中是一个相对较新的物种，但我们也有着特殊的使命。我们不仅需要 了解宇宙的奥秘，还需要保护地球和探索宇宙的未来。我们需要与其他文明进行 交流，共同面对宇宙的挑战，并努力为宇宙的和平与繁荣做出贡献。
星系的形成与演化
星系是由气体、尘埃和恒星组成的庞 大系统。
随着时间的推移，星系会发生变化， 包括合并、相互作用和演化等过程。
星系的形成与演化是一个复杂的过程 ，涉及到多种物理机制和相互作用。
恒星与行星
Hale Waihona Puke 02恒星的类型与生命周期总结词
恒星是宇宙中最重要的天体之一，其类型和生命周期对宇宙的演化具有重要影响。
《宇宙的奥秘》ppt课 件
contents
目录
• 宇宙的起源与演化 • 恒星与行星 • 宇宙中的物质与能量 • 宇宙中的黑洞与虫洞 • 外星生命与地外文明 • 宇宙的未来与人类的命运
宇宙的起源与演化
01
宇宙大爆炸理论
宇宙起源于一个极度高温和高密 度的状态，被称为大爆炸。
大爆炸理论认为宇宙起源于一个 极度高温和高密度的状态，宇宙 中的物质和能量从无到有突然出
详细描述
根据国际天文学联合会（IAU）的定义，行星是指围绕太阳运行的天体，具有足 够的质量使其自身形成近似圆球的形状。根据其轨道、大小和质量等特征，行 星可以分为多个类型，如类地行星、类木行星等。
行星探测与探索
总结词
随着科技的发展，人类已经能够派遣探测器前往太阳系中的行星进行探测和探索，这些活动对于了解 太阳系的构成和演化具有重要意义。
大爆炸 (Big Bang) 和暗能量 (dark energy)
新科技・新概念大爆炸(Big Bang)和暗能量(dark energy)李 竞①(中国科学院国家天文台 北京 100012) 20世纪20年代之前,科学家运用经典力学考察宇宙的大尺度结构,得出的结论是:我们的宇宙无论在时间上,还是在空间上,都是无限的,永恒的,无始无终的。
这个无限时空的宇宙观广为世人赞赏和认同。
1912～1926期间,美国天文学家斯里弗(Slipher)观测到46个星系的光谱,发现谱线的位置普遍地红向位移。
若假设谱线位移是星系空间运动的反映,则星系的退行速度超过恒星的平均空间运动速度1个量级、2个量级,甚至更大,即达到每秒几百公里、几千公里,甚至上万公里。
天文学家将星系的红向位移现象,简称“红移”(redshift)。
1929年,美国天文学家哈勃(Hubble)根据前人的“红移”观测资料以及他本人估算的星系距离数值,发现星系退行速度和星系距离呈线性正比关系,即退行速度越大,星系的距离越远。
V(退行速度)～r(距离)若加上一个比例常数,则有V=H r后世将星系的“速度—距离关系”称为“哈勃定律”,将比例常数H称为“哈勃常数”。
哈勃和他的同事以及他的接班人在随后的几十年间,持续地测定更为遥远的星系的“红移”,并确认直到以十亿光年计的空间领域内,退行速度和距离的关系仍保持线性。
描述星系的退行速度和距离成正比关系的“哈勃定律”说明什么呢。
只要承认谱线位移反映的是空间运动,则星系的“红移”就表明我们周围的星系正在四向退行,远离我们而去,也就是星系所在的空间整体膨胀,换言之,我们的宇宙在膨胀。
话分两头。
1917年,爱因斯坦首先运用他创建的广义相对论考察宇宙的结构和特征。
他意识到,当面临以亿光年计的空间领域、以亿年计的时间跨度、以及接近光速的运动速度时,已超出了牛顿力学的适用范围。
探究的结果是得到一个与静态的、永恒的宇宙不同的、不稳定的时空结构模型。
1922年,俄国数学家弗里德曼(Friedman)独立地利用相对论探求宇宙模型,得出一个动态的宇宙。
宇宙大爆炸——浅谈宇宙的缘起PPT课件
• 古代希腊和罗马关于宇宙原本的学说
水是宇宙万物本源--泰勒斯 宇宙做外层是永不熄灭的天火说--毕达哥拉 斯 多层水晶球说--亚里士多德 地球中心说--托勒密
• 中世纪西方宇宙学说
中世纪后，宇宙学被纳入经院哲学体系，知 道文艺复兴时代后期哥白尼根据长期的天文观测 写出《天体运行论》提出日心说。布鲁诺进一步 认为太阳也不是宇宙的中心，宇宙是无限的，不 存在任何中心。
论。
• 60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理 论的新的有力证据，他们发现了宇宙背景辐射， 后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下 的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依
据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。
• 20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集 中的体现。他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙 演化图景作了清晰的阐释。 宇宙的起源：最初是 比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆 炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量 的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此， 大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。
• 经典宇宙模型 牛顿最早用经典力学方法和欧几里得几何观
念建立了绝对的无限的宇宙体系。
• 相对论宇宙模型 爱因斯坦1915年11月发表了广义相对论，指
出空间和时间不能脱离物质单独存在，建观念下，1932年勒梅特提出了宇 宙是由一个极端高温高压状态下的“”原始原子 “突发膨胀产生的，这一理论启发了伽莫夫，并 于1948年和他的学生发表了《宇宙的演化》建立 了宇宙大爆炸理论模型。
要说到宇宙的缘起，得先说说我们现在的 宇宙是什么样子的。因为我们活着现在的宇宙时 空里，所谓的“宇宙缘起”，都是我们根据现在 我们所在的宇宙时空推断出来，一一求证的。
宇宙大爆炸和宇宙暗能量(简1)分解
Abbe George LeMaitre
The father of the Big Bang cosmology
1929年，哈勃仅用24个星系的观测资料，做出了距离与 视向速度的关系图。 Hubble定律
Vr H0d
Velocity (km/sec)
• 星系退行速度和星系距 离成正比
• 所有的天体在远离我们 而去， 宇宙在膨胀。 • 宇宙的年龄是有限的， 它有一个起点。
George Gamov
- - ”理论能解释氘和氦的形成
它最初主要观念是:宇宙(包括地球、行星、太阳、恒星和星际物质) 的所有较重的化学元素起源于宇宙热大爆炸时代核合成的过程。 --- 主要目标是错误的。但宇宙热大爆炸模型是辉煌不朽的。
宇宙膨胀物理规律
宇宙半径(或任两点间距离)随时间膨胀:
宇宙大尺度结构
(bubbles宙的大小
— Hubble 距离
L ~ 1028 厘米
TL ~ 31017 s ~ 1010 yr
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙膨胀 的 发现
Hubble’s 1929 data
Distance (Mpc)
假设宇宙匀速膨胀（速度不随时间发生变化），由此 可以得到星系退行的时间，
t = d /V =1/ H0 ≈150 亿年 （ H0 ≈ 65 km/s/Mpc ）
宇宙热大爆炸理论 及其 残存的宇宙热(微 波)背景辐射
Gamow 的宇宙热大爆炸模型
宇宙大爆炸
彭秋和 (南京大学天文系)
太阳系
水星 金星 地球 火星
类地行星
木星 土星 天王星 海王星
宇宙大爆炸
•
大爆炸理论告诉了人们宇宙是
怎样诞生的,但并未说明宇宙将怎样
死亡或是否会死亡。对这个问题,人
类现在还未得到确切的答案。
•
到现在为止,人们对暗淡而迅速
后退的星系所做的多次探测, 显示
出宇宙大概是正弯曲的。这就是说
宇宙无边然而是有限的,它可能往四 面八方无限远地伸展, 而质量并非 无穷。人类对宇宙未来的认识仅仅 如此。 但人类己知地球所属的太阳 系及银河系是无法永存的。五六十 亿年之后,太阳将膨胀成大火球, 那 时人类的后代只有移民到银河系中 别的星系的一行星上才会得以续存。 当银河系大大小小的恒星都黯然无 光之时,人类将怎么办呢? 当然人类 不能无动于衷。
• 一、宇宙图片 • 二、宇宙模型 • 三、宇宙的诞生与未来 • 四、大爆炸宇宙论 • 五、宇宙的形成进程
• 基于“宇宙是膨胀的”这个由观测事实得到的论点,人们建 立了宇宙的三种不同模型。
•
第一种是稳定态模型,认为宇宙一直在以不变的速率膨
胀,新的物质不断产生,某一空间总是有同量的物质。
•
第二种是大爆炸模型,认为宇宙起源于一次大爆炸,以
• 早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往 哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨 胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿 至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存 在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
• 当然,大爆炸科学家通过威尔 金森各向异性微波探测器经过一年时间的观测 获得的结果。照片中包含了许多令人震惊的信 息，为支持宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论提供了 新的依据，同时为揭开暗能量之谜指引了道路。 据有关人士估计，这项成果是近几年宇宙研究 中最重大的发现之一。