第四章现代宇宙学“宇宙”的观念源远流长。中文的“宇”和“宙”原意主要指空间和时间。人们面对广袤而深邃的星空，都会感叹宇宙的浩瀚博大。宇宙一直是人们最好奇、最有兴趣探索的对象。从古代巴比伦、中国和希腊直到近代，人类从未间断过对宇宙的探索。茫茫宇宙在空间上有没有边际？在时间上有没有源头？宇宙从哪里来？又要到哪里去？宇宙的命运与归宿如何？世界上每一个古老民族都对宇宙寻根问源，都曾经编织出各种各样的神话故事。所有关于宇宙的神话传说，都是人类对宇宙的猜测与玄想，不是科学。只是到了近代，才有了建立在自然科学理论和天体观测基础上的宇宙科学。16世纪以来，随着近代自然科学的兴趣，首先是天文学和力学的长足进步，哥白尼、伽利略、牛顿、康德和拉普拉斯等一批科学家以自然科学的观点和实验手段研究天体的运行和演化，取得了一系列令人瞩目的成就。特别是牛顿万有引力理论，在研究天体运行方面取得了巨大而光辉的成就。牛顿在历史上第一次给人们描绘了一幅宇宙结构的自然图景：无限多的星体均匀地分布在无限的绝对空间中，靠万有引力作用相互联系，沿着各自的轨道循环运行。这幅宇宙的图景除了需要上帝作出“第一次推动”外，基本上只要牛顿的力学定律就可以作出完整的解释。在20世纪初，人们对宇宙的研究和认识，基本上停留在以牛顿万有引力为基础的古典宇宙学阶段。现代宇宙学是以爱因斯坦创立的广义相对论为基础的。随着粒子物理学以及整个理论物理学的发“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”《尸子》“我们为何在此，我们从何而来。仅仅出于人类对知识的最深切渴求，我们就应该继续探索。我们的目标不多不少，正是完整地描述我们生活于其中的宇宙”。——霍金“宇宙间最不可理解的事物就是，宇宙是可以理解的”。——爱因斯坦展，结合着天体观测手段的进步，宇宙学获得了迅速的发展。现代宇宙学是从整体角度研究宇宙的结构、起源和演化。20世纪60年代以来，天体物理观测上的一系列重大发现，极大地推动了现代宇宙学的发展。近几十年，高能物理学和粒子物理学的进展，特别是规范场论、大统一理论的发展，使宇宙学和粒子物理学的研究紧密结合起来，互相推动。目前现代宇宙学已成为整个自然科学的重要研究领域。上世纪末，本世纪初关于宇宙物质以暗物质、暗能量为主的观测结果一公布，立即引起科学界的轰动，更使宇宙科学成为人们关心的一个重要领域。Ⅰ、人类对宇宙的认识简史一、宇宙概观宇宙，泛指天地万物，是自然界一切物质的总称。人们对宇宙的认识，从大地星空到太阳系，再扩展到银河系、河外星系、星系团，乃至观测所及的宇宙。目前，天文观测的视野已经延伸至一百多亿光年（1光年=9.9×1012km）我们生活的地球可以说是宇宙海洋中的一颗小沙粒，它只是太阳系的一颗行星。太阳在我们看来非常明亮十分巨大，而它只是天穹中许许多多星星中的一颗普通恒星，它离地球特别近，约1.5×108km。人在地球上用肉眼看到的是星星，绝大多数仅仅是银河系中2000颗较近较亮的恒星，而银河系内各类恒星的总数达1011颗。银河系是太阳系所在的恒星系统，包括一千二百亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它的总质量是太阳质量的1400亿倍。在银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范宇宙有多大？——100-150亿光年地球6×103公里（10-10光年）太阳系6×109公里（10-4光年）银河系4×1017公里（104光年）星系团7×1019公里（106光年）类星体1×1023公里（1010光年）量天尺地日距离（亦称1个天文单位）=1.5×108公里1光年=10×1012公里1秒差距=1PC=3.3光年1兆秒差距=1MPC=3.3×106光年围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“核球”，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个旋涡星系，具有旋涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。太阳距银心约2.3万光年，以220～250千米/秒的速度绕银心运转，运转的周期约为2.4亿年。整个银河系在星空中非常...