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1、宇宙學概論朱國懷浙江大學物理系浙江近代物理中心開卷考試(隨堂考) 期末論文(自愿)平時vs.期末 50:50成績分布:90分以上 30%課件下載 http:/ 驗驗證碼:3152課堂回答問題或課后email交流,偶爾點名? 助教:金明杰 本人:教材,可參考 現(xiàn)代天文學十五講 (北大) An Introduction to Modern Cosmology(A. Liddle)內(nèi)容提要 古典天文學的發(fā)展與科學太陽系的建立 宇宙的大小及現(xiàn)狀 宇宙的觀測方法與演化 恒星和星系的生成與演化 現(xiàn)代宇宙學前沿簡介(暗物質(zhì),暗能量) 早期宇宙構成與演化歷史 物理學基礎:物質(zhì)的組成,

2、相互作用與運動宇宙學古老與新興的學問l 蓋天說(周髀算經(jīng)),渾天說(張衡)宇宙學古老與新興的學問l 蓋天說(周髀算經(jīng)),渾天說(張衡) 實驗的科學l地球太陽系銀河系河外星系理論的作用lThe big bang model Physical Review 1948宇宙學古老與新興的學問l 蓋天說(周髀算經(jīng)),渾天說(張衡) 實驗的科學l地球太陽系銀河系河外星系理論的作用lThe big bang model Physical Review 1948.4.1 Alpher, Bethe& Gamow宇宙學古老與新興的學問l 蓋天說(周髀算經(jīng)),渾天說(張衡)l大爆炸學說( Physical Rev

3、iew 1948.4.1 ) 實驗的科學l地球太陽系銀河系河外星系理論的作用lThe big bang model宇宙的現(xiàn)狀,過去與未來 1920年代和朗道等組成學習小組 量子隧穿效應(tunneling ) 1931年蘇聯(lián)科學院院士 1932年試圖劃船到土耳其和挪威 1934-1954年George Washington大學任教,招助手:E. Teller 1948.04.01 The origin of chemical elements 預言宇宙微波背景輻射 科普書:從一到無窮大 等 DNA,RNAGamow(1904-1968)From “The Essential Cosmic Pe

4、rspective”, 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.設想我們重回古代,如何知道地球是圓的?半徑多少?Earth Observing System composite, NASA地球的形狀大地是球形的證據(jù)l月食Aristotle (384-322 BC) 告訴我們,看看月亮,你就知道地球為什么是個球Copy of a bust of Aristotle by Lysippos (33

5、0 BC)Aristotle 知道月食總在月亮背對太陽時發(fā)生,因此推斷是因為地球的陰影.地球在月亮上的影子總是圓弧,所以是球形Lunar Eclipse Phases, Randy Brewer地球的形狀大地是球形的證據(jù)l月食l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)l月食l往南走,北極星高度降低l遠處帆船只看得到帆l古希臘在海邊l圓(球)是最完美的形狀(畢達哥拉斯)l中國主要是內(nèi)陸國家地球的大小(200 B.C.)柏拉圖(287-212 B

6、C) : 周長74,000km阿基米德(287-212 BC): 55,500km埃拉托色尼(276-194 BC) : 約4萬km5000 stadia 約740km(有爭議),因此地球周長約740*50=37000km,誤差來源?SyeneSun directly overheadAlexandria7o5000 stadiaTropic of Cancer: Swinburne University, COSMOS Encyclopedia of Astronomy埃拉托色尼方法的誤差p 賽恩(阿斯旺)在 北回歸線以北35kmp亞歷山大城稍偏離 賽恩的正北方p亞歷山大城到賽恩的 精確距離

7、難測定SyeneSun directly overheadAlexandria5000 stadia古希臘人又是如何知道 月亮有多大? 月亮離地球有多遠?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)代測量值為0.273)Bust of Aristarchus - NASA2rDv = 2r / 3 hours= 2 D / 1 monthD = 60 rWikipedia月食持續(xù)時間不超過三小時月亮升起大約耗時2分鐘2RV = 2R / 2 min= 2 D / 24 hour

8、sR = D / 180= r / 3 Moonset over the Colorado Rocky Mountains, Sep 15 2008, Alek KolmarnitskyEIT-SOHO Consortium, ESA, NASA 太陽有多大? 太陽有多遠?阿里斯塔克斯仍然知道正確的方法,不過這次總算答案錯了Zimbabwe Solar Eclipse 4 Dec 2002, Murray Alexander已知月亮半徑是地月距離的1/180,而日全食時月亮幾乎完全遮住太陽,由相似三角可知,太陽半徑也是日地距離的1/180Aristarchus 認為半月出現(xiàn)在新月和滿月中點前1

9、2小時,因此日地距離是地月距離的20倍BBC = /2 2 *12 hours/1 monthcos = d/DD = 20 d事實上,半月出現(xiàn)在新月和滿月中點前約半小時 (而非 12 小時), 因此日地距離是地月距離的 390 倍(而非20 倍)BBC = /2 2 * 12 0.5 hour/1 monthcos = d/DdDD = 20 390 dAristarchus由此發(fā)現(xiàn),太陽比地球大7倍(其實是109倍)BBCd = 60 rD/d = 20 390R/D = 1/180dDrRR = 7 r 109 r Aristarchus由此推斷,太陽繞著地球轉(zhuǎn)是荒謬的,并提出日心說.但

10、他的知音要等待 1700年后的Copernicus NASA/ESAEarth radius = 6371 kmSun radius = 695,500 km阿里斯塔克斯日心說u太陽與固定的恒星不動u地球繞太陽做圓周運動u恒星距離地球和太陽極為遙遠(1光年) 否則恒星應該忽小忽大u地球自轉(zhuǎn)導致星空看起來旋轉(zhuǎn)n雅典城及所有居民以1000邁/h 向東疾馳n全世界終年東風狂飆n跳遠會落到很遠處u瀆神罪日地距離金星凌日(哈雷1716)l1761.6.6; 1769.6.4l1874.12.9; 1882.12.6l2004.6.8; 2012.6.6l2117.12.11; 2125.12.8開普勒第

11、三定律:constaT32/日地距離(金星凌日2)觀測的艱難1761. 梅森前往南非途中被法國艦隊追殺(英法七年戰(zhàn)爭)11死37傷觀測的艱難1761. 梅森前往南非途中被法國艦隊追殺(英法七年戰(zhàn)爭)11死37傷威爾斯在加拿大威爾遜灣:蚊蟲,馬蠅和嚴寒 白蘭地5分鐘結冰觀測的艱難1761. 梅森前往南非途中被法國艦隊追殺(英法七年戰(zhàn)爭)11死37傷威爾斯在加拿大威爾遜灣:蚊蟲,馬蠅和嚴寒 白蘭地5分鐘結冰多特羅希(法)駕馬拉雪橇前往西伯利亞,需警衛(wèi)重重保護,因當?shù)鼐用駥⒋禾旌樗畾w咎于他對太陽的干擾。1769年金星凌日時前往墨西哥觀測不幸染病而死,由全隊唯一生還者帶回觀測數(shù)據(jù)觀測的艱難1761.

12、梅森前往南非途中被法國艦隊追殺(英法七年戰(zhàn)爭)11死37傷威爾斯在加拿大威爾遜灣:蚊蟲,馬蠅和嚴寒 白蘭地5分鐘結冰多特羅希(法)駕馬拉雪橇前往西伯利亞,需警衛(wèi)重重保護,因當?shù)鼐用駥⒋禾旌樗畾w咎于他對太陽的干擾。1769年金星凌日時前往墨西哥觀測不幸染病而死,由全隊唯一生還者帶回觀測數(shù)據(jù)彭革雷前往東非馬達加斯加島,大雨取消觀測, 其后船被英國人扣留,押解至里斯本觀測的艱難(2)衰神附體之勒襄特u1760.3.26由法國前往印度,途中被季風吹離航道 直至金星凌日時仍被困印度洋中無風帶觀測的艱難(2)衰神附體之勒襄特u1760.3.26由法國前往印度,途中被季風吹離航道 直至金星凌日時仍被困印度洋

13、中無風帶u 預先搭船至印度朋迪榭里區(qū),1769.6.4當天烏云密布,金星凌日完畢后馬上放晴 “遠離故土,跋涉千山萬水來到這鳥不生蛋的地方,所見者竟是一堆烏云;它早不來晚不來,偏偏就在我要觀測時擋住太陽”觀測的艱難(2)衰神附體之勒襄特u1760.3.26由法國前往印度,途中被季風吹離航道 直至金星凌日時仍被困印度洋中無風帶u 預先搭船至印度朋迪榭里區(qū),1769.6.4當天烏云密布,金星凌日完畢后馬上放晴 “遠離故土,跋涉千山萬水來到這鳥不生蛋的地方,所見者竟是一堆烏云;它早不來晚不來,偏偏就在我要觀測時擋住太陽”u患痢疾在印度待了9個月,搭西班牙戰(zhàn)艦經(jīng)好望角遇颶風,船桅折斷偏離航道,最終蹣跚駛

14、入西班牙卡迪斯港,在徒步翻越比利牛斯山,于11年6個月13天后回到巴黎,已被宣告死亡,家產(chǎn)被劫掠一空。觀測的艱難(2)衰神附體之勒襄特u1760.3.26由法國前往印度,途中被季風吹離航道 直至金星凌日時仍被困印度洋中無風帶u 預先搭船至印度朋迪榭里區(qū),1769.6.4當天烏云密布,金星凌日完畢后馬上放晴 “遠離故土,跋涉千山萬水來到這鳥不生蛋的地方,所見者竟是一堆烏云;它早不來晚不來,偏偏就在我要觀測時擋住太陽”u患痢疾在印度待了9個月,搭西班牙戰(zhàn)艦經(jīng)好望角遇颶風,船桅折斷偏離航道,最終蹣跚駛入西班牙卡迪斯港,在徒步翻越比利牛斯山,于11年6個月13天后回到巴黎,已被宣告死亡,家產(chǎn)被劫掠一空

15、。u最終放棄天文學,結婚,退休寫回憶錄觀測的艱難(3)1769年英國皇家學會班克斯與庫克船長u英法正交戰(zhàn),法國特別下令不得攻擊奮進號,因而經(jīng)七個半月航程,順利抵達南太平洋之塔希提島(只死了四人)觀測的艱難(3)1769年英國皇家學會班克斯與庫克船長u英法正交戰(zhàn),法國特別下令不得攻擊奮進號,因而經(jīng)七個半月航程,順利抵達南太平洋之塔希提島(只死了四人)u 嚴禁船員以金屬物品(一兩根鐵釘)與島上女人性交易,先前抵達的海豚號因船上鐵釘幾乎被拔光而報廢。觀測的艱難(3)1769年英國皇家學會班克斯與庫克船長u英法正交戰(zhàn),法國特別下令不得攻擊奮進號,因而經(jīng)七個半月航程,順利抵達南太平洋之塔希提島(只死了四人)u 嚴禁船員以金屬物品(一兩根鐵釘)與島上女人性交易,先前

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