第十二章 宇宙学
1. 什么是宇宙？天文学的宇宙与哲学的宇宙有何区别？
⑴对于宇宙的理解有天文学和哲学的概念。天文学宇宙指的是科学宇宙，定义迄今为止观测所及的星系及星系总体。时间上有起源，空间上有边界。 哲学宇宙指的是普通的、永恒的物质世界。在时间上是无始无终的，在空间上是无边无际的。
⑵区别：
①天文学上宇宙是人们观测所及的宇宙部分。
②哲学上的宇宙是无所不包的，所以天文学上的宇宙是无限宇宙的一部分。
2. 西方宇宙论的研究经历了哪些时期？
20世纪以前的西方宇宙论可分四个发展时期。第一个时期是启蒙时期，主要是远古时代关于宇宙的神话传说。第二个时期是从公元前六世纪到公元一世纪，以至直到中世纪（15世纪）为止，古希腊，罗马在宇宙的本源和结构上曾出现过唯物论，唯心论两派的激烈斗争，此后西方进入中世纪，宇宙学沦入经院哲学的神学深渊，地心学主宰宇宙学。第三时期是从十六世纪到十七世纪，十六世纪哥白尼倡导日心说，开始把宇宙学从神学中解放出来，到十七世纪，牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的新生途径，形成了经典宇宙学。第四学期，十八世纪到十九世纪，自康德拉普拉斯的星云说问世以后，确立了天体演化学科，赫歇尔父子对恒星进行了大量的观测，把以前只局限于太阳系的研究扩大到银河系和河外星系，在此期间，已经有分光方法应用于天文学，这一时期的发展给现代宇宙的发展奠定了基础。 哈勃膨胀、微波背景辐射、轻元素的合成以及宇宙年龄的测量被认为是现代宇宙学的四大基石。现代宇宙学包括密切联系的两个方面，即观测宇宙学和物理宇宙学。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、动力学和物理学以及建立宇宙模型。从地心说、日心学到无心学是人类认识宇宙的三个里程碑。但宇宙的命运究竟如何？人类还没有把握。宇宙的起源和演化是当代宇宙学的前沿课题。
3. 我国的宇宙论研究的发展过程怎样？
中国是世界上古老文明的发源地之一，在天文学方面有着灿烂的历史，在天象记载、天文仪器制作和宇宙理论方面都留下了珍贵的记录。中国古代有三种比较系统的宇宙学说－－盖天说、浑天学和宣夜说。
(1)盖天说主张"天圆如张盖，地方如棋局"的天圆地方说。它认为大地是一个正方形，天如一个圆盖罩着大地，但圆盖型的天与方形大地无法衔接，于是又设想有8根大柱支撑着。共工怒触不周山和女祸氏炼石补天的神话便是从盖天说的图像编造的。这种天圆地方的主张明显存在着不能自圆其说的地方，当时也有人对此质疑。后来，盖天说又进一步发展，出现第二次盖天说。新的盖天说不仅认为天是拱形的，而且地也是拱形的。天地如同心球穹，两个球穹的间距是八万里，日月星辰的出没是由于远近所致。太阳则绕一个所谓"七衡六间图"运行，七衡指七个同心圆，春夏秋冬太阳在不同的衡上运动，冬至在最外的一个圆"外衡"上运动，夏至则在最内的一个圆"内衡"上运动，其它季节则在"中衡"上运动。
(2)浑天说主张天如球形，地球位于其中心，浑天说大约始于战国时期。到了汉代，浑天说影响很大，有人指出浑天说优于盖天说，它与近代天球概念的视运动相当接近，且在解释天体运动方面渐渐占了优势。据说当时的落下闳就是根据浑天说的概念制造了浑仪，并用以测
量天体。
(3)宣夜说认为天是没有形质的，不存在固体的"天穹"，没有一个硬壳式的天，宇宙是无限的，空间到处有气存在，日月星辰所有天体都飘浮在气中，运动也受气制约。它否认了神的存在，认为宇宙的一切都是自然的。宣夜说产生后，也有人提出质疑，"杞人忧天"的故事便是其一。但在古代所有宇宙论中能提倡无限宇宙和无神思想是难能可贵的。作为一种宇宙说，的确具有许多先进的思想，但对于测视天体的视运动却离不开浑天说。因此，宣夜说的推广和发展受到一定的限制。
总之，中国古代对于天体的起源、地球的运动和宇宙的无限性诸方面都有过许多先进的思想。但是中国古代宇宙观局限于哲学性思辨的成分很浓较少从科学角度来解释和论述。新中国成立以后，我国对宇宙学研究进一步重视。
4. 近代宇宙学是如何发展的？
①近代宇宙学的发展是从爱因斯坦1971年发表的论文《对广义相对论的宇宙学的考察》开始的；
②1922～1927年弗里德曼，勒梅特提出和发展宇宙膨胀模型研究
③1948年邦迪，戈尔德，霍伊尔提出完善的宇宙学原理与稳恒态宇宙模型概念，有人把总星系的膨胀与引力常数G联系起来研究。
5. 阐述几种主要的宇宙学理论。
现代宇宙学就是建立在大尺度观测特征基础上的各种宇宙模型。 宇宙学模型就是根据观测宇宙的主要特征，对宇宙结构及其过去的历史做出简化的数学描述。主要的宇宙模型有：
（1）牛顿无限静止宇宙模型 ①认为总体上宇宙是稳定的。而在有限的局部区域内是不稳定的。天体有生有灭，形成丰富多样的天体。②这个理论的不足：建立在绝对时空观的基础上，无法克服奥伯斯佯谬，也与星系红移观测事实相矛盾，因而已被放弃。
（2）爱因斯坦静态宇宙模型 ①将广义相对论的引力方程用于整个宇宙，并引入"宇宙常数项"，得出一个有限无边的静态宇宙。②这个理论不足是模型是不稳定的，因而实质上不可能保持静态。
（3）弗里德曼宇宙模型①提出三种宇宙类型，即闭合宇宙（K=+1），平坦宇宙（K=0）和开放宇宙（K=-1）。故得出结论是宇宙不是膨胀，就是收缩。若是膨胀，则越来越慢；若是收缩，则越来越快。②这个理论不足是很难分辨我们的宇宙属于哪一类型，不知道宇宙将来的命运。
（4）稳恒态宇宙模型：①宇宙有一段从热到冷的演化史，即从热到冷，从密到疏的演化过程，认为宇宙开始于一次大爆炸。②这个理论不足是对于大爆炸前的情况，产生爆炸原因及末期演化等多个问题尚未能解决。
（5）大爆炸宇宙模型：①弗里德曼提供了始于一个"奇点"一种密度无限大的状态的可能性，并因膨胀而转化为各种密度较低的状态，由于空间是按照宇宙间物质的量而弯曲的，因此这导致两种不同的结果，即，如果物质的量少于某个临界数值， 则膨胀将会永远继续下去，星系团就会彼此越离越远，这时，宇宙是"开放的"如果物质的量大于这个临界数值，那么引力就会十分强大，足以使空间弯曲到这样的地步：先是使膨胀停止下来，继而又使之转变为坍缩，于是宇宙又重新恢复到某件超密状态，这样宇宙称为"闭合的"。②该理论认为宇宙开始于一次爆炸。在初期，温度极高，密度极高，整个范围达到热平衡，物质成分即由平衡条件而定，由于不断膨胀，辐射温度及密度都按比例地降低，物质成分也随之变化。温度降到十亿度左右时，中子失去自由存在的条件，与质子结合成重氢，氦等元素。当温度低于百万
度之后，形成元素的过程也结束了。这时的物质状态是质子，电子以及一些轻原子核构成的等离子体，并与辐射之间有较强的耦合，从而达到平衡。以后继续冷却，到四千度左右，等离子体复合而变成通常的气体，与辐射的耦合大大减弱。从此，热辐射便很少受到物质的吸收或散射，自由地在空间传播。进一步地膨胀使辐射温度再度下降，气态物质开始形成星系或星系团，最后形成恒星，演化成为我们今天所看到的宇宙。
6．简述宇宙演化简史
（1） 从宇宙膨胀理论的计算和实现观测可以推断出：宇宙过去的某一时刻应该有一个膨胀的起点（奇点），然后发生一次突然事件（大爆炸），于是宇宙物质就向各个方向膨胀开去，形成今天的宇宙。
（2） 利用背景辐射温度，宇宙年龄和红移规律（建立"温度----时间----红移"关系式，并以时间来追随宇宙简史，这是非常复杂的），可将其分为以下几个阶段：
（1）10-45s：现在还未真正理解在此时间之前的物理。也许引力是量子化的。
（2）10-43s：发生在宇宙大爆炸后四种强度相当的一段短暂的时间间隔，称着郎克时间。
（3）10-35s：该时间标志着大统一理论的终结，强核力和弱电力分离，因此是最初的暴胀。在此之前，夸克（反夸克）的数目与光子数目是相等的，光子数与重子数之比为109-10。
（4）10-32s：暴胀结束，宇宙从10-25m迅速膨胀为0.1m，以后逐渐膨胀为现在我们所看到的宇宙1026m。宇宙的主要组分是光子、夸克和反夸克，以及有色胶子。应指出，质子是不稳定的。因此这一阶段还无元素，甚至没有氢。
（5）10-12s：弱核力和电磁力分离，宇宙在此时期很少有活动，常称为"荒芜"时期。
（6）102～103s：这是宇宙原初元素合成时期。（大爆炸核合成，即BBN）。
（7）1011s：在此时间光子核重子退耦。在此之前是辐射能密度高于物质能密度，在此之后宇宙以物质为主，因为退耦伴有自由电子与核结合形成原子--这是我们最熟悉的物质形式。
（8）1016s：星系、恒星和行星开始形成。
（9）1018s：现在。从这个阶段起随着时间流逝，星系继续退离，哈勃常量也在减少，宇宙温度将继续下降。
第十二章 宇宙学
1. 什么是宇宙？天文学的宇宙与哲学的宇宙有何区别？
⑴对于宇宙的理解有天文学和哲学的概念。天文学宇宙指的是科学宇宙，定义迄今为止观测所及的星系及星系总体。时间上有起源，空间上有边界。 哲学宇宙指的是普通的、永恒的物质世界。在时间上是无始无终的，在空间上是无边无际的。
⑵区别：
①天文学上宇宙是人们观测所及的宇宙部分。
②哲学上的宇宙是无所不包的，所以天文学上的宇宙是无限宇宙的一部分。
2. 西方宇宙论的研究经历了哪些时期？
20世纪以前的西方宇宙论可分四个发展时期。第一个时期是启蒙时期，主要是远古时代关于宇宙的神话传说。第二个时期是从公元前六世纪到公元一世纪，以至直到中世纪（15世纪）为止，古希腊，罗马在宇宙的本源和结构上曾出现过唯物论，唯心论两派的激烈斗争，此后西方进入中世纪，宇宙学沦入经院哲学的神学深渊，地心学主宰宇宙学。第三时期是从十六世纪到十七世纪，十六世纪哥白尼倡导日心说，开始把宇宙学从神学中解放出来，到十七世纪，牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的新生途径，形成了经典宇宙学。第四学期，十八世纪到十九世纪，自康德拉普拉斯的星云说问世以后，确立了天体演化学科，赫歇尔父子对恒星进行了大量的观测，把以前只局限于太阳系的研究扩大到银河系和河外星系，在此期间，已经有分光方法应用于天文学，这一时期的发展给现代宇宙的发展奠定了基础。 哈勃膨胀、微波背景辐射、轻元素的合成以及宇宙年龄的测量被认为是现代宇宙学的四大基石。现代宇宙学包括密切联系的两个方面，即观测宇宙学和物理宇宙学。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、动力学和物理学以及建立宇宙模型。从地心说、日心学到无心学是人类认识宇宙的三个里程碑。但宇宙的命运究竟如何？人类还没有把握。宇宙的起源和演化是当代宇宙学的前沿课题。
3. 我国的宇宙论研究的发展过程怎样？
中国是世界上古老文明的发源地之一，在天文学方面有着灿烂的历史，在天象记载、天文仪器制作和宇宙理论方面都留下了珍贵的记录。中国古代有三种比较系统的宇宙学说－－盖天说、浑天学和宣夜说。
(1)盖天说主张"天圆如张盖，地方如棋局"的天圆地方说。它认为大地是一个正方形，天如一个圆盖罩着大地，但圆盖型的天与方形大地无法衔接，于是又设想有8根大柱支撑着。共工怒触不周山和女祸氏炼石补天的神话便是从盖天说的图像编造的。这种天圆地方的主张明显存在着不能自圆其说的地方，当时也有人对此质疑。后来，盖天说又进一步发展，出现第二次盖天说。新的盖天说不仅认为天是拱形的，而且地也是拱形的。天地如同心球穹，两个球穹的间距是八万里，日月星辰的出没是由于远近所致。太阳则绕一个所谓"七衡六间图"运行，七衡指七个同心圆，春夏秋冬太阳在不同的衡上运动，冬至在最外的一个圆"外衡"上运动，夏至则在最内的一个圆"内衡"上运动，其它季节则在"中衡"上运动。
(2)浑天说主张天如球形，地球位于其中心，浑天说大约始于战国时期。到了汉代，浑天说影响很大，有人指出浑天说优于盖天说，它与近代天球概念的视运动相当接近，且在解释天体运动方面渐渐占了优势。据说当时的落下闳就是根据浑天说的概念制造了浑仪，并用以测
量天体。
(3)宣夜说认为天是没有形质的，不存在固体的"天穹"，没有一个硬壳式的天，宇宙是无限的，空间到处有气存在，日月星辰所有天体都飘浮在气中，运动也受气制约。它否认了神的存在，认为宇宙的一切都是自然的。宣夜说产生后，也有人提出质疑，"杞人忧天"的故事便是其一。但在古代所有宇宙论中能提倡无限宇宙和无神思想是难能可贵的。作为一种宇宙说，的确具有许多先进的思想，但对于测视天体的视运动却离不开浑天说。因此，宣夜说的推广和发展受到一定的限制。
总之，中国古代对于天体的起源、地球的运动和宇宙的无限性诸方面都有过许多先进的思想。但是中国古代宇宙观局限于哲学性思辨的成分很浓较少从科学角度来解释和论述。新中国成立以后，我国对宇宙学研究进一步重视。
4. 近代宇宙学是如何发展的？
①近代宇宙学的发展是从爱因斯坦1971年发表的论文《对广义相对论的宇宙学的考察》开始的；
②1922～1927年弗里德曼，勒梅特提出和发展宇宙膨胀模型研究
③1948年邦迪，戈尔德，霍伊尔提出完善的宇宙学原理与稳恒态宇宙模型概念，有人把总星系的膨胀与引力常数G联系起来研究。
5. 阐述几种主要的宇宙学理论。
现代宇宙学就是建立在大尺度观测特征基础上的各种宇宙模型。 宇宙学模型就是根据观测宇宙的主要特征，对宇宙结构及其过去的历史做出简化的数学描述。主要的宇宙模型有：
（1）牛顿无限静止宇宙模型 ①认为总体上宇宙是稳定的。而在有限的局部区域内是不稳定的。天体有生有灭，形成丰富多样的天体。②这个理论的不足：建立在绝对时空观的基础上，无法克服奥伯斯佯谬，也与星系红移观测事实相矛盾，因而已被放弃。
（2）爱因斯坦静态宇宙模型 ①将广义相对论的引力方程用于整个宇宙，并引入"宇宙常数项"，得出一个有限无边的静态宇宙。②这个理论不足是模型是不稳定的，因而实质上不可能保持静态。
（3）弗里德曼宇宙模型①提出三种宇宙类型，即闭合宇宙（K=+1），平坦宇宙（K=0）和开放宇宙（K=-1）。故得出结论是宇宙不是膨胀，就是收缩。若是膨胀，则越来越慢；若是收缩，则越来越快。②这个理论不足是很难分辨我们的宇宙属于哪一类型，不知道宇宙将来的命运。
（4）稳恒态宇宙模型：①宇宙有一段从热到冷的演化史，即从热到冷，从密到疏的演化过程，认为宇宙开始于一次大爆炸。②这个理论不足是对于大爆炸前的情况，产生爆炸原因及末期演化等多个问题尚未能解决。
（5）大爆炸宇宙模型：①弗里德曼提供了始于一个"奇点"一种密度无限大的状态的可能性，并因膨胀而转化为各种密度较低的状态，由于空间是按照宇宙间物质的量而弯曲的，因此这导致两种不同的结果，即，如果物质的量少于某个临界数值， 则膨胀将会永远继续下去，星系团就会彼此越离越远，这时，宇宙是"开放的"如果物质的量大于这个临界数值，那么引力就会十分强大，足以使空间弯曲到这样的地步：先是使膨胀停止下来，继而又使之转变为坍缩，于是宇宙又重新恢复到某件超密状态，这样宇宙称为"闭合的"。②该理论认为宇宙开始于一次爆炸。在初期，温度极高，密度极高，整个范围达到热平衡，物质成分即由平衡条件而定，由于不断膨胀，辐射温度及密度都按比例地降低，物质成分也随之变化。温度降到十亿度左右时，中子失去自由存在的条件，与质子结合成重氢，氦等元素。当温度低于百万
度之后，形成元素的过程也结束了。这时的物质状态是质子，电子以及一些轻原子核构成的等离子体，并与辐射之间有较强的耦合，从而达到平衡。以后继续冷却，到四千度左右，等离子体复合而变成通常的气体，与辐射的耦合大大减弱。从此，热辐射便很少受到物质的吸收或散射，自由地在空间传播。进一步地膨胀使辐射温度再度下降，气态物质开始形成星系或星系团，最后形成恒星，演化成为我们今天所看到的宇宙。
6．简述宇宙演化简史
（1） 从宇宙膨胀理论的计算和实现观测可以推断出：宇宙过去的某一时刻应该有一个膨胀的起点（奇点），然后发生一次突然事件（大爆炸），于是宇宙物质就向各个方向膨胀开去，形成今天的宇宙。
（2） 利用背景辐射温度，宇宙年龄和红移规律（建立"温度----时间----红移"关系式，并以时间来追随宇宙简史，这是非常复杂的），可将其分为以下几个阶段：
（1）10-45s：现在还未真正理解在此时间之前的物理。也许引力是量子化的。
（2）10-43s：发生在宇宙大爆炸后四种强度相当的一段短暂的时间间隔，称着郎克时间。
（3）10-35s：该时间标志着大统一理论的终结，强核力和弱电力分离，因此是最初的暴胀。在此之前，夸克（反夸克）的数目与光子数目是相等的，光子数与重子数之比为109-10。
（4）10-32s：暴胀结束，宇宙从10-25m迅速膨胀为0.1m，以后逐渐膨胀为现在我们所看到的宇宙1026m。宇宙的主要组分是光子、夸克和反夸克，以及有色胶子。应指出，质子是不稳定的。因此这一阶段还无元素，甚至没有氢。
（5）10-12s：弱核力和电磁力分离，宇宙在此时期很少有活动，常称为"荒芜"时期。
（6）102～103s：这是宇宙原初元素合成时期。（大爆炸核合成，即BBN）。
（7）1011s：在此时间光子核重子退耦。在此之前是辐射能密度高于物质能密度，在此之后宇宙以物质为主，因为退耦伴有自由电子与核结合形成原子--这是我们最熟悉的物质形式。
（8）1016s：星系、恒星和行星开始形成。
（9）1018s：现在。从这个阶段起随着时间流逝，星系继续退离，哈勃常量也在减少，宇宙温度将继续下降。