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宇宙学发展简介

发布时间：2022-12-21 11:42:35 来源：文档文库

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宇宙学发展简介

宇宙是广袤空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙起源是一个极其复杂的问题。宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，许多科学家认为，宇宙是由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成的。宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，瞬间产生巨大压力，之后发生了大爆炸，这次大爆炸的反应原理被物理学家们称为量子物理。大爆炸使物质四散出去，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。
人类对宇宙的认识经历了以下六个阶段，分别是：第一阶段：天圆地方；第二阶段：地心说；第三阶段：日心说；第四阶段：宇宙无限说；第五阶段：相对论，时空可变；第六阶段：宇宙大爆炸学说。不难看出，这六个阶段的转变，均伴随着人类知识的进步以及对世界认知的改变，其中根本性的原因在于人类哲学、数学和物理学知识的不断突破。
最早“天圆地方”是古代科学对宇宙的认识。古代汉族人民在认识宇宙的过程中主要方法和现代科学的实证实验方法完全不同，“内证”是古人认识宇宙的主要方法，而这种方法是按照人体生命一定的能量循环模式不断加强人体自身的能量，从而达到超越普通大众的感知能力。因此，早期人们对宇宙的认知来自于人的感官。
随后，由古希腊学者欧多克斯提出地心说，然后经亚里士多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的轨道上绕地球运转。地心说盛行的原因首先在于星体绕着某一中心的匀角速运动，符合当时占主导思想的柏拉图的假设，也适合于亚里士多德的物理学，易于被人们接受。其次，用几种圆周轨道不同的组合解释、预言了行星的运动位置，解释了行星的亮度变化，这与实际相差很小，相比以前的体系有所改进。再者，地球不动说对当时人们的生活是令人安慰的假设，也符合基督教信仰。可见，地心说的提出一定程度上依赖于数学和天文物理学，但是人类的主观因素依据占据较大比重。
随后，日心说（也称为地动说）被提出，是关于天体运动的和地心说相对立的学说，它认为太阳是宇宙的中心，而不是地球。宇宙无限说最早由布鲁诺提出，他以毕生精力继承、捍卫和发展了哥白尼的太阳中心说，并在此基础上提出了自己的关于宇宙无限性和统一性的新理论。他认为，宇宙无论在空间和时间上都是无限的。空间上的无限是整个宇宙的无限大，根本就没有固定的中心，也没有界限。地球不是宇宙的中心，而是环绕太阳运转的一颗行星，太阳也不是宇宙的中心，只是太阳系的中心。日心说和宇宙无限说的提出基于对天体的不断观测，其依旧依赖于基础的数学和天文物理学。
20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，掀开了现代物理的新篇章。狭义相对性原理和光速不变原理。理论的核心方程式是洛伦兹变换（群）（见惯性系坐标变换）。狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应（相对论效应），如时间膨胀、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一：一切微观物理理论（如基本粒子理论）和宏观引力理论（如广义相对论）都满足狭义相对论的要求。这些相对论性的动力学理论已经被许多高精度实验所证实。

在二十世纪以前的经典物理学里，人们采用的是牛顿的绝对时空观。而相对论的提出改变了这种时空观，这就导致人们必须依相对论的要求对经典物理学的公式进行改写，以使其

具有相对论所要求的洛伦兹协变性而不是以往的伽利略协变性。在经典理论物理的三大领域中，电动力学本身就是洛伦兹协变的，无需改写；统计力学有一定的特殊性，但这一特殊性并不带来很多急需解决的原则上的困难；而经典力学的大部分都可以成功的改写为相对论形式，以使其可以用来更好的描述高速运动下的物体，但是唯独牛顿的引力理论无法在狭义相对论的框架体系下改写，这直接导致爱因斯坦扩展其狭义相对论，而得到了广义相对论。

其中在广义相对论当中，有一个引力场方程，当初爱因斯坦推导出来时，他就发现这个方程预示着宇宙是动态的，要随着时间的变化，而发生变化。爱因斯坦认为，宇宙应该是永恒的，在大尺度上，不应该有什么剧烈的变化。于是，他在方程中加入了一个常数，只要这个常数取合适的数值，宇宙就会静态的。

后来科学家发现加这个常数项是很不合理的。基于爱因斯坦的相关研究，比利时天文学家和宇宙学家勒梅特提出宇宙就应该是动态的，而且是随着时间的流逝而在膨胀，如果沿着时间倒推，宇宙就应该是一个点，从这个点的剧烈爆炸而来。勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假说。
弗里德曼研究爱因斯坦理论后，提出了一个理论，该理论也不需要宇宙常数，其认为宇宙中充满了物质和辐射，是会弯曲的，且是各向同性和均匀的，随后提出了弗里德曼方程。

弗里德曼方程表明宇宙并不静止，而是处于膨胀或者收缩状态，且能展示宇宙随时间的演化过程。在弗里德曼提出这个思想之前，人类还未曾发现宇宙正在膨胀，但在不久后，哈

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