宇宙學(xué)概論1-2014打印版

1、宇宙學(xué)概論,朱國(guó)懷浙江大學(xué)物理系浙江近代物理中心,,開(kāi)卷考試（隨堂考） 期末論文（自愿）平時(shí)vs.期末 50:50成績(jī)分布：90分以上 30%課件下載 http://estore.zju.edu.cn/share/2660443驗(yàn)驗(yàn)證碼：3152課堂回答問(wèn)題或課后email交流，偶爾點(diǎn)名？ 助教：金明杰 jinmj2014@126.com 本人：zhugh@zju.

2、edu.cn 13706516541無(wú)教材，可參考 《現(xiàn)代天文學(xué)十五講》 （北大） 《An Introduction to Modern Cosmology》(A. Liddle),內(nèi)容提要,古典天文學(xué)的發(fā)展與科學(xué)太陽(yáng)系的建立宇宙的大小及現(xiàn)狀宇宙的觀測(cè)方法與演化恒星和星系的生成與演化現(xiàn)代宇宙學(xué)前沿簡(jiǎn)介（暗物質(zhì)，暗能量……）早期宇宙構(gòu)成與演化歷史物理學(xué)基礎(chǔ)：物質(zhì)的組成，相互作用與運(yùn)動(dòng),宇宙學(xué),

3、古老與新興的學(xué)問(wèn) 蓋天說(shuō)（周髀算經(jīng)），渾天說(shuō)（張衡）,,,宇宙學(xué),古老與新興的學(xué)問(wèn) 蓋天說(shuō)（周髀算經(jīng)），渾天說(shuō)（張衡） 實(shí)驗(yàn)的科學(xué)地球→太陽(yáng)系→銀河系→河外星系理論的作用The big bang model Physical Review 1948,宇宙學(xué),古老與新興的學(xué)問(wèn) 蓋天說(shuō)（周髀算經(jīng)），渾天說(shuō)（張衡） 實(shí)驗(yàn)的科學(xué)地球→太陽(yáng)系→銀河系→河外星系理論的作用The

4、big bang model Physical Review 1948.4.1 Alpher, Bethe& Gamow,宇宙學(xué),古老與新興的學(xué)問(wèn) 蓋天說(shuō)（周髀算經(jīng)），渾天說(shuō)（張衡）大爆炸學(xué)說(shuō)（ Physical Review 1948.4.1 ） 實(shí)驗(yàn)的科學(xué)地球→太陽(yáng)系→銀河系→河外星系理論的作用The big bang model宇宙的現(xiàn)狀，過(guò)去與未來(lái),1920年代和

5、朗道等組成學(xué)習(xí)小組量子隧穿效應(yīng)（tunneling ）1931年蘇聯(lián)科學(xué)院院士1932年試圖劃船到土耳其和挪威1934-1954年George Washington大學(xué)任教，招助手：E. Teller1948.04.01 The origin of chemical elements 預(yù)言宇宙微波背景輻射 科普書(shū)：《從一到無(wú)窮大》 等DNA，RNA,Gamow(1904-1968),,From “

6、The Essential Cosmic Perspective”, Bennett et al.,Cosmic distance ladder :large distances in terms of smaller distances.,,今天我們知道地球是近似球形，赤道半徑6378公里，南北極半徑 6356公里.設(shè)想我們重回古代，如何知道地球是圓的？半徑多少？,Earth Observing System composite,

7、NASA,地球的形狀,大地是球形的證據(jù)月食,Aristotle (384-322 BC) 告訴我們，看看月亮，你就知道地球?yàn)槭裁词莻€(gè)球,Copy of a bust of Aristotle by Lysippos (330 BC),Aristotle 知道月食總在月亮背對(duì)太陽(yáng)時(shí)發(fā)生,因此推斷是因?yàn)榈厍虻年幱?地球在月亮上的影子總是圓弧，所以是球形,,Lunar Eclipse Phases, Randy Brewer,地球的形狀,

8、大地是球形的證據(jù)月食往南走，北極星高度降低,Aristotle 還知道有些星星在埃及看得到,希臘卻看不到，所以地球表面應(yīng)該是曲面，但半徑是多少？,Night Sky, Till Credner,地球的形狀,大地是球形的證據(jù)月食往南走，北極星高度降低遠(yuǎn)處帆船只看得到帆古希臘在海邊圓（球）是最完美的形狀(畢達(dá)哥拉斯)中國(guó)主要是內(nèi)陸國(guó)家,地球的大小(200 B.C.),柏拉圖（287-212 BC) ：

9、 周長(zhǎng)74,000km阿基米德（287-212 BC)： 55,500km埃拉托色尼(276-194 BC) : 約4萬(wàn)km,5000 stadia 約740km(有爭(zhēng)議),因此地球周長(zhǎng)約740*50=37000km,誤差來(lái)源？,Syene,Sun directly overhead,Alexandria,7o,5000 stadia,Tropic of Ca

10、ncer: Swinburne University, COSMOS Encyclopedia of Astronomy,埃拉托色尼方法的誤差 賽恩(阿斯旺）在 北回歸線以北35km亞歷山大城稍偏離 賽恩的正北方亞歷山大城到賽恩的 精確距離難測(cè)定,Syene,Sun directly overhead,Alexandria,5000 stadia,古希臘人又是如何知道月亮有多大?月亮離地球有多遠(yuǎn)?

11、,NASA,阿里斯塔克斯 (310-230 BC) 發(fā)現(xiàn)地月距離約為地球半徑的 60 倍(現(xiàn)代測(cè)量值在57-63倍之間變化). 他還發(fā)現(xiàn)月亮半徑為地球半徑的1/3(現(xiàn)代測(cè)量值為0.273),Bust of Aristarchus - NASA,2r,D,v = 2r / 3 hours= 2π D / 1 month,D = 60 r,Wikipedia,月食持續(xù)時(shí)間不超過(guò)三小時(shí),月亮升起大約耗時(shí)2分鐘,2R,V = 2R /

12、 2 min= 2π D / 24 hours,R = D / 180= r / 3,Moonset over the Colorado Rocky Mountains, Sep 15 2008, Alek Kolmarnitsky,EIT-SOHO Consortium, ESA, NASA,太陽(yáng)有多大?太陽(yáng)有多遠(yuǎn)?阿里斯塔克斯仍然知道正確的方法,不過(guò)這次總算答案錯(cuò)了,Zimbabwe Solar Eclipse 4 Dec

13、2002, Murray Alexander,已知月亮半徑是地月距離的1/180,而日全食時(shí)月亮幾乎完全遮住太陽(yáng),由相似三角可知,太陽(yáng)半徑也是日地距離的1/180,Aristarchus 認(rèn)為半月出現(xiàn)在新月和滿月中點(diǎn)前12小時(shí),因此日地距離是地月距離的20倍,BBC,θ,θ = π/2 – 2 π *12 hours/1 monthcos θ = d/D,D = 20 d,事實(shí)上,半月出現(xiàn)在新月和滿月中點(diǎn)前約半小時(shí) (而非 12 小時(shí)

14、), 因此日地距離是地月距離的 390 倍(而非20 倍),BBC,θ,θ = π/2 – 2 π * 12 0.5 hour/1 monthcos θ = d/D,d,D,D = 20 390 d,Aristarchus由此發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)比地球大7倍(其實(shí)是109倍),BBC,θ,d = 60 rD/d = 20 390R/D = 1/180,d,D,r,R,R = 7 r 109 r,Aristarchus由此推斷,太陽(yáng)繞著地球轉(zhuǎn)

15、是荒謬的,并提出日心說(shuō).但他的知音要等待 1700年后的Copernicus,NASA/ESA,Earth radius = 6371 kmSun radius = 695,500 km,阿里斯塔克斯日心說(shuō),太陽(yáng)與固定的恒星不動(dòng)地球繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)恒星距離地球和太陽(yáng)極為遙遠(yuǎn)（1光年）否則恒星應(yīng)該忽小忽大地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致星空看起來(lái)旋轉(zhuǎn)雅典城及所有居民以1000邁/h 向東疾馳全世界終年?yáng)|風(fēng)狂飆跳遠(yuǎn)會(huì)落到很遠(yuǎn)處瀆神罪,日地距離

16、,金星凌日（哈雷1716）1761.6.6; 1769.6.41874.12.9; 1882.12.62004.6.8; 2012.6.62117.12.11; 2125.12.8,開(kāi)普勒第三定律：,日地距離(金星凌日2),,觀測(cè)的艱難,1761. 梅森前往南非途中被法國(guó)艦隊(duì)追殺（英法七年戰(zhàn)爭(zhēng)）11死37傷,觀測(cè)的艱難,1761. 梅森前往南非途中被法國(guó)艦隊(duì)追殺（英法七年戰(zhàn)爭(zhēng)）11死37傷威爾斯在加拿大威爾遜灣

17、：蚊蟲(chóng)，馬蠅和嚴(yán)寒 白蘭地5分鐘結(jié)冰,觀測(cè)的艱難,1761. 梅森前往南非途中被法國(guó)艦隊(duì)追殺（英法七年戰(zhàn)爭(zhēng)）11死37傷威爾斯在加拿大威爾遜灣：蚊蟲(chóng)，馬蠅和嚴(yán)寒 白蘭地5分鐘結(jié)冰多特羅希（法）駕馬拉雪橇前往西伯利亞，需警衛(wèi)重重保護(hù)，因當(dāng)?shù)鼐用駥⒋禾旌樗畾w咎于他對(duì)太陽(yáng)的干擾。1769年金星凌日時(shí)前往墨西哥觀測(cè)不幸染病而死，由全隊(duì)唯一生還者帶回觀測(cè)數(shù)據(jù),觀測(cè)的艱難,1761. 梅森前往南非途中被法國(guó)艦隊(duì)追殺（英法

18、七年戰(zhàn)爭(zhēng)）11死37傷威爾斯在加拿大威爾遜灣：蚊蟲(chóng)，馬蠅和嚴(yán)寒 白蘭地5分鐘結(jié)冰多特羅希（法）駕馬拉雪橇前往西伯利亞，需警衛(wèi)重重保護(hù)，因當(dāng)?shù)鼐用駥⒋禾旌樗畾w咎于他對(duì)太陽(yáng)的干擾。1769年金星凌日時(shí)前往墨西哥觀測(cè)不幸染病而死，由全隊(duì)唯一生還者帶回觀測(cè)數(shù)據(jù)彭革雷前往東非馬達(dá)加斯加島，大雨取消觀測(cè)， 其后船被英國(guó)人扣留，押解至里斯本,觀測(cè)的艱難（2）,衰神附體之勒襄特1760.3.26由法國(guó)前往印度，途中被季風(fēng)吹離

19、航道 直至金星凌日時(shí)仍被困印度洋中無(wú)風(fēng)帶,觀測(cè)的艱難（2）,衰神附體之勒襄特1760.3.26由法國(guó)前往印度，途中被季風(fēng)吹離航道 直至金星凌日時(shí)仍被困印度洋中無(wú)風(fēng)帶 預(yù)先搭船至印度朋迪榭里區(qū)，1769.6.4當(dāng)天烏云密布，金星凌日完畢后馬上放晴 “遠(yuǎn)離故土，跋涉千山萬(wàn)水來(lái)到這鳥(niǎo)不生蛋的地方，所見(jiàn)者竟是一堆烏云；它早不來(lái)晚不來(lái)，偏偏就在我要觀測(cè)時(shí)擋住太陽(yáng)”,觀測(cè)的艱難（2）,衰神附體之勒襄特1760

20、.3.26由法國(guó)前往印度，途中被季風(fēng)吹離航道 直至金星凌日時(shí)仍被困印度洋中無(wú)風(fēng)帶 預(yù)先搭船至印度朋迪榭里區(qū)，1769.6.4當(dāng)天烏云密布，金星凌日完畢后馬上放晴 “遠(yuǎn)離故土，跋涉千山萬(wàn)水來(lái)到這鳥(niǎo)不生蛋的地方，所見(jiàn)者竟是一堆烏云；它早不來(lái)晚不來(lái)，偏偏就在我要觀測(cè)時(shí)擋住太陽(yáng)”患痢疾在印度待了9個(gè)月，搭西班牙戰(zhàn)艦經(jīng)好望角遇颶風(fēng)，船桅折斷偏離航道，最終蹣跚駛?cè)胛靼嘌揽ǖ纤垢?，在徒步翻越比利牛斯山，?1年6個(gè)月13天后

21、回到巴黎，已被宣告死亡，家產(chǎn)被劫掠一空。,觀測(cè)的艱難（2）,衰神附體之勒襄特1760.3.26由法國(guó)前往印度，途中被季風(fēng)吹離航道 直至金星凌日時(shí)仍被困印度洋中無(wú)風(fēng)帶 預(yù)先搭船至印度朋迪榭里區(qū)，1769.6.4當(dāng)天烏云密布，金星凌日完畢后馬上放晴 “遠(yuǎn)離故土，跋涉千山萬(wàn)水來(lái)到這鳥(niǎo)不生蛋的地方，所見(jiàn)者竟是一堆烏云；它早不來(lái)晚不來(lái)，偏偏就在我要觀測(cè)時(shí)擋住太陽(yáng)”患痢疾在印度待了9個(gè)月，搭西班牙戰(zhàn)艦經(jīng)好望角遇颶風(fēng)，船桅

22、折斷偏離航道，最終蹣跚駛?cè)胛靼嘌揽ǖ纤垢?，在徒步翻越比利牛斯山，?1年6個(gè)月13天后回到巴黎，已被宣告死亡，家產(chǎn)被劫掠一空。最終放棄天文學(xué)，結(jié)婚，退休寫(xiě)回憶錄,觀測(cè)的艱難（3）,1769年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)班克斯與庫(kù)克船長(zhǎng)英法正交戰(zhàn)，法國(guó)特別下令不得攻擊奮進(jìn)號(hào)，因而經(jīng)七個(gè)半月航程，順利抵達(dá)南太平洋之塔希提島（只死了四人）,觀測(cè)的艱難（3）,1769年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)班克斯與庫(kù)克船長(zhǎng)英法正交戰(zhàn)，法國(guó)特別下令不得攻擊奮進(jìn)號(hào)，因而經(jīng)七個(gè)半月航程

23、，順利抵達(dá)南太平洋之塔希提島（只死了四人） 嚴(yán)禁船員以金屬物品（一兩根鐵釘）與島上女人性交易，先前抵達(dá)的海豚號(hào)因船上鐵釘幾乎被拔光而報(bào)廢。,觀測(cè)的艱難（3）,1769年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)班克斯與庫(kù)克船長(zhǎng)英法正交戰(zhàn)，法國(guó)特別下令不得攻擊奮進(jìn)號(hào)，因而經(jīng)七個(gè)半月航程，順利抵達(dá)南太平洋之塔希提島（只死了四人） 嚴(yán)禁船員以金屬物品（一兩根鐵釘）與島上女人性交易，先前抵達(dá)的海豚號(hào)因船上鐵釘幾乎被拔光而報(bào)廢。興建一座城堡式天文臺(tái)以供觀測(cè) 最終