宇宙学是在整体上研究宇宙的诞生、演化和结局的天体物理科学。其英文 Cosmology来自Cosmos即宇宙、秩序和和谐,隐含着人类对宇宙的美好向往,即和谐美好的宇宙之美,也是宇宙时空的终极之美。
近十几年来,宇宙学课程在国内外大学物理系和天文系相继开设,但是大部分针对研究生而言,有的课程只是兼顾一下高年级本科生而已。然而单独为本科生开设的宇宙学课程不多,主要原因是本科生没有学习广义相对论,这也是本科生和研究生宇宙学的分水岭。大学天文系和物理系的本科学生如果不学一门宇宙学课程,其天文和物理知识结构则不完整,也不利于其后续的研究生学习。
本课程《宇宙学(导论)》(双语)属于天文系和物理系本科生专业基础课。本课程本着 “有所为有所不为”的教学原则,讲授标准(或者大爆炸)宇宙学、或者零阶(或者平滑)宇宙学的最基本内容,因此本科生没有广义相对论基础也能够学习。
课程内容:引言-宇宙学概述;热大爆炸宇宙论;牛顿宇宙学;标准宇宙学基础;暴涨宇宙学;宇宙微波背景辐射;宇宙中微子;早期宇宙;初始奇点和宇宙创生。书每章节都配有难度适中的练习题和答案。
教学方式:线上线下混合式教学方式。
学习方式:研究型学习与自主性、探索性学习相结合,加深对宇宙学知识的理解。
本课程的特色:双语教学,英文教材讲义与国际接轨;教学内容和方式与国际教学和研究前沿紧密联系;本科生可花费最短的时间了解国际前沿,很快进入科研状态;在授课中强调本科学生自主学习、学生互动和师生互动,激发本科生产生科学想法(Idea),培养了学生的科研悟性和创新能力。通过本科生的科研训练培养了一批高素质的创新型人才,在国际顶尖学术刊物发表文章并被国际同行多次引用;培养本科生在各类学术竞赛中获得殊荣(多人次获北京市和全国大学生科技创新大赛奖;校级和市级优秀毕业论文;本科生张聪同学发表的文章获得中国<天文与天体物理研究(RAA)2017年度优秀论文奖、RAA20周年优秀论文奖和文章连续两年(2019和2020)入选ESI高被引文章等,形成一批高水平的教学研究成果,在校内外引起关注并产生较大影响,光明日报和人民日报给予报道。基于在本科生科研方面做出的成绩, 作为第一申请人主持申报的<强化本科生科研训练,探索创新型人才培养的新模式>获得2013年北京市高等教育教学成果二等奖。指导2015级吕澈秋同学的毕业论文《利用二次高斯过程方法限制哈勃常数》被评选为“2019年北京高校优秀本科毕业设计(论文)”。
教学目标:学习本课程后能够使学生利用已有的数理知识,推演宇宙的整个演化过程,掌握阅读宇宙学文献的技能。使学生唤起对我们的宇宙深入理解和研究的向往。使学生深入地理解数学、物理、以及宇宙的和谐的美,培养学生正确的世界观和的宇宙观。
闭卷考试
(1)平时考核:占学期总成绩40%(包括作业、论文、文献分析和一个基于科研成果的学术报告等);
(2)期末考试:占学期总成绩60%,注重基本知识和能力考察。
适合已经修过高等数学、普通物理学、理论物理学、数学物理方法和天文学导论等课程的天文系和物理系大三以上年级的学生选修,也适合其他本科低年级或者本科非天文专业的研究生选修学习。
第1章.引言-概述 2学时
主要内容:总体概述宇宙学的历史,研究内容,解决的主要问题和当前的研究热点,以及在天文学以至天体物理学中地位。
教学要求:了解本课的基本要求和基本内容。
第2章.热大爆炸宇宙论 2学时
主要内容:介绍宇宙学思想简史;观测(宇宙学)概述;宇宙中的组成;热大爆炸宇宙论的不足;宇宙演化简史
教学要求:掌握宇宙的组成和宇宙演化历史。
重点、难点:本章重点是宇宙组成;难点是早期宇宙演化史。
第3章.牛顿宇宙学 2学时
主要内容:介绍牛顿势能理论和牛顿宇宙动力学
教学要求:掌握势能的矢量表达形式和弗里德曼方程。
重点、难点:本章重点是弗里德曼方程;难点是弗里德曼方程。
第4章. 标准宇宙学基础 14学时
主要内容:介绍时空度规;运动学;红移;膨胀定律;膨胀的本质;动力学;引力场方程导论;弗里德曼方程;宇宙密度参量;弗里德曼方程的解;宇宙的几何; 观测宇宙及其视界;暗能量;经典宇宙学;宇宙学中的距离测量;共动径向距离;光度距离; 角直径距离;宇宙回看时间和年龄;红移计数
教学要求:掌握时空、红移和各种距离的概念、宇宙学原理和几何状态、可观测宇宙和各种宇宙模型及其解、各种经典宇宙学检验。
重点、难点:重点是标准Friedmann宇宙动力学方程的建立;难点是对Robertson-Walker度规、可观测宇宙和各种距离的理解。
第5章. 暴涨宇宙学 2学时
主要内容:介绍暴涨的基本概念、条件和动力学;大爆炸宇宙学中的难解之谜
教学要求:掌握暴涨宇宙动力学方程的推导和暴涨的条件。
重点、难点:本章重点是暴涨动力学方程;难点是暴涨动力学方程。
第6章. 宇宙微波背景辐射 2学时
主要内容:介绍微波背景辐射的性质;光子与重子的比率;微波背景的起源。
教学要求:掌握微波背景辐射产生的条件和光子与重子的比率。
重点、难点:本章重点是微波背景辐射产生的条件;难点是光子与重子的比率。
第7章. 宇宙中微子 2学时
主要内容:介绍中微子的概念和种类,包括无质量和有质量中微子及其特性。
教学要求:掌握中微子的概念、种类和特性。
重点、难点:本章重点是中微子的概念;难点是中微子的特性。
第8章. 早期宇宙 2学时
主要内容:介绍热历史;核合成之轻元素的起源。
教学要求:掌握宇宙早期的热历史过程和轻元素的起源。
重点、难点:本章重点是热历史;难点是轻元素起源。
第9章. 初始奇点和宇宙创生 2学时
主要内容:介绍介绍宇宙的奇点和量子创生。宇宙在无边界的边界条件下,在标量场的有效势阱中量子创生——WD方程的建立。进一步求解宇宙波函数,给出宇宙创生的几率。
教学要求:掌握WD方程的建立和宇宙波函数。
重点、难点:本章重点是表征宇宙的量子创生—WD方程的建立;难点是奇点的概念。
(1). <<An introduction to modern cosmology>> written by Liddle 2003;
(2).《现代宇宙学》 科学出版社2016年9月 张同杰 于浩然译著
本科生没有学过广义相对论的知识,能学习宇宙学吗?