什么是宇宙？z四方上下曰宇，古往今来曰宙z宇宙是时间、空间、物质的总称什么是宇宙学？z从整体的角度研究宇宙的结构和演化的科学。

z它把宇宙这个复杂的对象化为比较简单的模z型加以比较、分析和研究z现代宇宙学作为物理理论而不是哲学理论来具体地回答关于宇宙的问题宇宙学的研究意义（1）星系和宇宙学的研究处于天文学、物理学以至整个自然科学的前沿,对宇宙学的研究能够促进其他学科的发展。

（2）帮助人们树立正确的宇宙观。

（3）推动高新技术及航空航天事业的发展。

（4）满足人们的好奇心。

？z宇宙万物从何而来？z宇宙有末日吗？z宇宙是有限还是无限？z如果宇宙有开端，那么在开端之前发生了什么？z道可道，非常道。

名可名，非常名。

无名天地之始；有名万物之母。

z故常无欲以观其妙；常有欲以观其徼。

此俩者同出而异名，同谓之玄。

玄之又玄，众妙之门。

z道生一，一生二，二生三，三生万物。

z天下万物生于有，有生于无。

z----老子，《道德经》1、20世纪前的宇宙观z 宇宙到底是什么样子的，是个有趣的古老话题z 每个古老的民族都有自己的宇宙观古中国：盖天说、浑天说和宣夜说（宇宙无硬壳，充满大气说－－气聚而为万物）古埃及：宇宙诞生于水古印度：由龟、蛇、象驮着大地的宇宙盖天说浑天说古印度古埃及天圆如张盖，地方如棋局天圆如弹丸，地如卵中黄腊晶球九重天宇宙学说z公元前四世纪，古希腊亚里士多德提出大地为球形且处于宇宙的中心（当时的宇宙即金、木、水、火、土、太阳），到托勒枚时期（公元二世纪）这种宇宙观已非常完善（地心说宇宙模型），统治欧洲一千多年；十六世纪，哥白尼提出日心说（天体运行论）；十七世纪，牛顿《自然哲学之数学原理-宇宙体系》一书的发表标志着自然科学新纪元的开始。

并建立了绝对的无限的时空宇宙体系。

18-19世纪，康德和拉普拉斯论证了太阳系起源的星云说，从科学的角度动摇了自然界在时间上没有任何历史的观念。

z牛顿的宇宙模型与宇宙观牛顿最早用经典力学方法和欧几里德（Euclid)几何观念建立了绝对的无限的时空宇宙体系；第一次在自然科学基础上用科学的语言描述了一个无限无边、充满无限多的均匀物质的静态宇宙模型；牛顿经典宇宙学的宇宙图景：宇宙是无限的，无限多的天体包含着无限大的质量大体均匀地散布在无限大的宇宙空间，宇宙空间是平直的欧几里得空间。

绝对时空观：即时间、空间、物质都是相互孤立无任何瓜葛；没有开始，没有结尾。

不存在起源问题绝对时间：与任何外界事物无关，均匀流失，无始无终。

绝对空间：与物质无关的存放物质的容器，无限延伸。

z它不需要回答一些无法回答的问题如z如果宇宙有限那么界限以外是什么？z时间起点以前是怎样的？z因此，很自然被人们接受。

2、现代宇宙学的建立和发展z根据牛顿经典宇宙学的论点，则导致两个佯谬z（1）引力佯谬：无限大的质量将使宇宙间每一点的引力场强度为无限大；z（2）光度佯谬（奥伯斯佯谬）：z夜空为什么是黑的？（傻子提出的问题）z无限多天体的光度累积将会使天空各方向上都十分明亮，得到黑夜和白天一样亮的结论。

20世纪初，爱因斯坦的相对论问世，震惊环宇狭义相对论: 尺缩钟慢；光速不变广义相对论：物质在引力场中沿曲线运动，物质质量越大分布越密，弯曲程度越大。

就天体而言，时空特性是弯曲的，弯曲程度随天体质量与分布而定；分布越密、质量越大的天体周围空间弯曲越厉害，时间流逝的越慢。

场方程文字描述：时空几何量= 物质的物理量对牛顿理论中的引力势的推广对牛顿的绝对时空观彻底的批判与否定爱因斯坦场方程R μν-1/2 g μνR + Λg μν= -8πG T μνμν＝0、1、2、3.R : 宇宙尺度因子（随时间变化的函数）g μν:时空坐标的函数（度规），刻划时空结构的量，反映了引力场的存在T μν: 宇宙介质的能量动量张量Λ：宇宙常数项爱因斯坦的有限无边静止的宇宙模型z四大天文观测事实验证了广义相对论是正确的，光线在太阳附近偏转天狼星伴星引力红移水星近日点进动反常雷达波速达金星来回时间延迟z1917年爱因斯坦根据广义相对论场方程提出了一个有限无边静态宇宙模型即宇宙是有限无边的封闭球体结构。

z成功解决了两个佯缪z数学上著名的毛比斯闭合环形面怎样理解“有限无边”的问题勒梅特（比利时神甫）的“宇宙蛋”1927年首次提出宇宙起源于原始原子，戏称“宇宙蛋”。

超高密、高温的宇宙蛋曾突然发生天崩地裂的大爆炸，今日诸星系是宇宙蛋破碎的碎片。

爱因斯坦与勒梅特z1929年，哈勃发现星系红移，总结出哈勃定律V=HD 从天文观测证明了宇宙是膨胀的。

z1948年，在前人工作的基础上，伽莫夫等人提出比较完整的宇宙创生新理论--大爆炸宇宙模型。

他指出宇宙演化是一部热膨胀历史，起源于一个超高温、超高密、超高压、体积无限小的原始火球。

z由于大爆炸模型未被接受，霍伊尔等人1948年又提出了稳恒态宇宙模型，它认为宇宙是永恒的，没有演化问题，在膨胀的过程中，物质密度保持不变。

z在以后的近20年中，两种模型一直争论，直到1965年发现宇宙微波背景辐射，确立了大爆炸模型的统治地位。

z为了解决大爆炸模型的困难（奇点问题）70年代以来，理论物理学家提出暴胀宇宙模型。

z3.大爆炸宇宙模型（标准宇宙学模型）z大爆炸宇宙论的主要观点：z宇宙起始于高温高密状态的原始火球；z物质以基本粒子的形式存在于原始火球中；z原始火球发生爆炸，并向四面八方均匀膨胀（温度从热到冷、物质密度从密到稀、体积从小到大地演化）；z大爆炸起始于时间零点的奇点状态z大爆炸的整个过程：z（1）从时间零点开始到10-4秒内，宇宙的温度高于百万亿度（1013K），宇宙中的物质以基本粒子的形式存在（正负电子、光子、正反中微子及各种介子（夸克）），正粒子的数量比反粒子多一点点（十亿分之一）。

光子和强子相互产生，反应处于平衡状态。

z（2）从10-4秒—1秒，温度从1013K下降到1010K（100亿K），这个阶段，质子和中子出现，正负电子开始湮没（速度还较慢），产生出光子，中微子开始以光速穿越宇宙空间（成为自由粒子）。

z（3）从1秒-1分钟，温度下降一个量级，许多中子衰变成质子、电子和中微子，形成中子比质子少的状态。

中微子不再和其它粒子产生作用，正负电子对快速湮灭，湮灭过程释放的能量降低了宇宙冷却的速度。

z（4）1-3分钟，温度降到10亿K，物质已经全部产生出来。

正反粒子大多已经消失，只有少量的正物质幸存，宇宙的主要组分是质子、中子、电子和中微子。

z（5）3-30分钟，是核合成阶段，温度下降到108K。

这时中子和质子的数量比全为13：87，全部的中子都与等量的质子发生核反应形成了氦。

剩余的质子单独成为氢核，在氦核合成后的宇宙结构中，氦元素占22-28%，其余的几乎全部是氢。

观测和理论计算的结果非常一致。

z（6）从30分钟-30万年，宇宙温度逐渐下降到4000K，除氢和氦外，又形成了少量的其他元素的原子核，但还不能形成稳定的原子。

电子、原子核、质子及光子等混合组成等离子体，光子由于受到阻碍而不能有效传输，辐射不能自由穿行，宇宙处于混沌和黑暗之中。

z（9）30-100亿年，诞生了恒星。

z（10）之后出现了生命。

z伽莫夫等人曾预言，宇宙早期从不透明到放晴，演变到今天，应该会有火球爆炸时残余的辐射。

但由于当时技术条件的限制，无法测量。

而大爆炸模型也因为证据不足而被人冷落。

z1965年，彭齐亚斯和威尔逊无意中观测到了2.7K的微波背景辐射，经反复观测验证，它完全符合黑体辐射的普朗克分布，同宇宙创生30万年后高温光子(4000K)辐射不断冷却的遗迹有一致结果，这证实了伽莫夫的预言，从而大爆炸宇宙创生论得到了一个强有力的观测证明。

大爆炸宇宙模型从此大放异彩。

美国天文学家彭齐亚斯（左）和威尔逊1978年获诺贝尔物理学奖支持宇宙大爆炸学说的观测证据：（1）、1965年发现了3K宇宙背景微波辐射（2）、验证了宇宙中确实存在着23﹪的氦丰度（3）、星系红移与哈勃定律所表征的事实再加上哈勃常数测算工作有了新进展，宇宙年龄约在100~200亿年之间（哈勃常数为50~100千米/秒·百万秒差距），使宇宙大爆炸学说获得空前的巨大成功；至今仍被认为是较好的宇宙模型，被称为标准宇宙模型。

不仅不存在奥伯斯佯谬，而且对夜空为什么是黑的给予了科学的解释。

爱因斯坦相对论是理论宇宙学基础、哈勃定律是观测宇宙学基础，俩位科学家的创造与发现相得益彰，构筑起了现代宇宙学的框架，为人类深化对宇宙的认识做出了杰出的贡献。

4、标准宇宙大爆炸模型的困惑z科学像魔鬼—发现越多，问题也就越多（1）按该模型理论计算的宇宙半径或宇宙年龄小于可观测宇宙（2）大爆炸之前宇宙是什么样子？原始火球从何而来？赋予原始火球发生大爆炸的巨大动力来自何方？存在奇点，它的数学解是什么？（3）正在膨胀的宇宙今后的结局又如何？5、现代宇宙论最新进展z70年代后，大爆炸宇宙论改进型即暴涨宇宙模型问世；这回是微观物理学量子理论帮的忙。

z暴胀宇宙模型z大爆炸模型主要描述的是宇宙创生10-4秒之后的演化进程，对于宇宙更早期演化的情况，它遇到了困难。

因此自70年代以来，理论物理学家提出了暴胀宇宙模型。

z暴胀模型的基本观点：宇宙爆炸经过极短的时间（10-36秒）后，开始急剧的加速暴胀过程，暴胀使温度急速下降，这一过程大约持续到10 -32秒。

这一过程结束时，物质诞生了，这时的物质成分为正反夸克、正反中微子及正反电子。

之后，宇宙开始膨胀。

达到z 1. 暴胀阶段（10秒-10 -32秒）；z2. 星际物质、星际云形成及辐射背景形成（30万年）；z3. 今天的宇宙是什么原因引起宇宙的暴胀z宇宙从普朗克时间和普朗克大小创生；z此时的宇宙处于极高能量的伪真空状态；z量子真空能量的起伏引起宇宙爆炸（大统一时代）；z到10-36秒时，宇宙发生真空相变，产生暴胀，此时，强作用产生出来，相变结束时，真空能量转化为物质粒子；z根据量子力学测不准原理，所能测量的时间极限是10-44秒，称为普朗克时间，长度极限是10-33cm，称为普朗克长度。

因为时间和空间的相关性，在小于普朗克量的范围内它们是不可测量的，即时间空间的概念失效了。

只有在大于普朗克常数时，才有时间和空间的概念，这是宇宙无中生有的根据。

z大统一时代：强、弱、电三种作用统一。

10 -12秒时弱电统一破裂，四种作用全部产生。

宇宙演化进程表恒星诞生、演化，出现行星、生物等现代2.7150亿年光明宇宙诞生复合时代300070万年全部物质产生，H:He=74:26核合成时代9亿3分46质子：中子=83：17轻子时代结束30亿13.82轻子》强子，质子=中子轻子时代101110-2热平衡态强子时代101310-4宇宙暴胀，引力分离大统一时代102810-36时空量子化，四种作用统一普朗克时代103210-44物理过程时代温度/开时标/秒宇宙的琴弦当前较好地解决引力与基本粒子矛盾的超弦理论认为，看似“空洞无物”的微观世界里实际充满了琴弦似的不规则管状体，极其细小的弦体本身和相互间的震动，积聚了巨大的能够形成基本粒子的能量。