物理宇宙學講義

第一部分 恆星和星系
第一章 恆星的性質
1.1 恆星的距離和光度
1.2 表面溫度與光譜
1.3 Hertzsprung-Russell圖
1.4 主序星的結構理論
1.5 恆星的形成
1.6 主序後的演化
1.7 變星與測距
第二章 星系的性質
2.1 銀河系
2.2 河外星系的發現
2.3 星系的分類
2.4 星系質量的測定
2.5 星系的距離測量
2.6 星系的一般性質
2.7 星系群和星系團
第二部分 宇宙學基礎
第三章 宇宙學基本事實
3.1 宇宙學原理
3.2 Hubble膨脹
3.3 宇宙年齡的測定
3.4 宇宙密度的測量
3.5 物質的組分
第四章 宇宙膨脹的動力學
4.1 基本假設
4.2 相對論性的引力
4.3 宇宙常數和真空能
4.4 Robertson Walker度規
4.5 宇宙動力學方程
4.6 Einstein的靜態模型
4.7 宇宙整體參量的推定
4.8 實物為主宇宙的膨脹解
4.9 宇宙的年齡
4.10 紅移-距離關系
4.11 宇宙的視界
第三部分 宇宙的早期
第五章 早期宇宙概況
5.1 熱大爆炸的概念
5.2 輻射為主的早期
5.3 零化學勢的理想氣體
5.4 溫度隨時間的變化
5.5 宇宙演化簡史
5.6 粒子的退耦
5.7 非重子暗物質的候選者
第六章 光子背景輻射
第七章 大爆炸核合成
第四部分 粒子宇宙學初步
第八章 正反物質的不對稱
第九章 甚早期宇宙的暴脹
第五部分 結構的形成
第十章 物質結團的理論基礎
第十一章 結構形成的模型研究
附錄1 自然單位制
附錄2 粒子物理大意
附錄3 天文學和宇宙學常量

在上世紀最後二十多年里，以天文觀測和物理規律為基礎的宇宙學理論已可靠地確立了。它被學術界認為是 世紀最重要的科學成就之一。宇宙學是一門典型的基礎學科，至今人們還完全說不出它的應用前景，可是宇宙作為自然界的最大客體，真實地了解它的面貌和演化過程卻是人們普遍的精神需求。因此，在這樣的學科發展成熟後，把它從專家的研究成果轉化為人類共享的知識財富是必定要走的一步。

出于教學改革的考慮，北京大學物理系的學術委員會在1999年決定為大學生開設宇宙學課程。次年，校教務處又把它納入了面對全校學生的通選課。在我們國內，這樣做很可能是第一例（沒認真調查過），而其實這是大勢所趨。因此我非常支持這樣的嘗試，並很高興接受這個任務。

此前我一直在為物理和天文專業的研究生講授宇宙學。每次開課都有許多本校和外單位的人來選修或旁听，這也反映了想了解宇宙學的人很多，普及它很有必要。可是真要把它作為基礎教學來開設這門課，如何取材對我依然是頗費思考的一個問題。

我在過去的教學中已意識到，關于宇宙人們听到過的說法很多，而其中有不少是誤導性的判斷，例如很多人以為大爆炸理論斷言今天的宇宙是在150億年前從一點炸開的，因而肯定宇宙的有限性。同時還有不少人認為，宇宙的有限性與辯證唯物論哲學是沖突的。其實這些都是誤解。大爆炸宇宙理論已為實踐所證實，這是事實。可是它並沒有肯定宇宙的有限性。從宇宙學看，它的有限或無限既不是哲學能回答的問題，也不是哲學應該回答的問題。這些誤解使我認識到︰即使是普及地講解宇宙學知識，把結論的來龍去脈交代清楚是必須的任務。否則沒有辦法把肯定的結果與誤導性的說法區分開，听者也無法判斷你講的結論的可信程度。

宇宙學作為物理學的一個分支，它的理論框架是在假設和推理的基礎上建立起來的。可是只有被實踐證實了的部分，才會被肯定下來，因此要原原本本地講授這理論本身及其可信程度，涉及的物理和天文基礎都很寬。其中有不少並不是大學生們事先具各的。教師須在課程中為同學提供有關的準各。可是過多的基礎性準各又會使課程顯得臃腫和喧賓奪主。考慮到這一點，我感到取材很難，實際上我每年教學內容的取舍都有變化，但是我堅持一個不變的原則︰盡量系統地把理論的來龍去脈交代清楚，同時只做盡量少的鋪墊。

關于宇宙學本身的取材卻相對比較明確。Friedmann的宇宙動力學和Gam。w的大爆炸理論無疑應當是課程的主要部分。我在講解上既注意了理論推導，也注意了對結果的實驗驗證程度的討論。我深信這部分內容已相對地可以固定下來。值得進一步考慮的是教學中如何對待一些尚在進展中的宇宙學課題。這里指的是甚早期演化、宇宙的創生和宇宙結構的形成。這些部分至今未能成熟，很大程度上是由于相關的物理基礎尚不夠清楚，因此這是宇宙學中非常有生命力的部分。它在今後的進展必然會為物理學帶來新的思想，甚至新的突破。基于心中有這樣的評價，我的做法是盡可能扼要地把它們吸收到教學中來，但是不能把試探性的理論與成熟的理論相混淆，這里又有教學忌誤導的問題。

我目前是在面對全校的學生開設物理宇宙學的課程，這是一門每周講授3學時的課程。本書就是以歷年的講稿為基礎編寫而成的，因此我把它定名為“物理宇宙學講義”，這幾年的實踐表明，它對理科學生，包括本科生和研究生都是基本合適的，至于對文科學生，因為本課程事先假定學生已具備大學普通物理的有關知識，所以對他們不是很合適。長遠地講，文理科的宇宙學課程還是需要分開開設的。這不僅是由于基礎知識上的差別，也是由于思想方法上的差別。

此外我還有一點想法，我國因受“文化大革命”之害，今天研究宇宙學的隊伍很單薄，甚至較全面地了解宇宙學的人數也太少，這使我既感到普及宇宙學教學之迫切，也感到要這樣做的困難，在這樣的處境下，我認為在大學教學中，把宇宙學知識吸收到普通物理的教學中來是更現實的事，例如說，安排10至20學時的講授對學生是大體合適的，也是教師較容易適慶的，我很這本書也能對此起到推動的作用。

最後我感謝北京大學教處務、物理系學術委員會和北大出版社對宇宙學教學和對出版本書所作過的支持。