粒子物理与宇宙学

1、课程：粒子物理与宇宙学题目： 姓名： 学号： 学院： 专业：题目： 摘要：在宇宙大爆炸发生前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大哟 150 亿年前，一个体积无限小的点爆炸了，时空从这一刻开始，人类在这一刻孕育，千百年来，人们对宇宙的探索从未止步，牛顿、爱因斯坦等一系列伟人为我们揭开了宇宙神秘的面纱，而哈勃发现了宇宙正在膨胀，可是最后宇宙是否能逃脱收缩的命运呢？本文这么一个神秘的宇宙。前言：作为一位核自院的学生，由于专业的原因，自己很少接著道宇宙学。自己所有的宇宙学知识，只是在高考前学习的一些经典宇宙学的皮毛，再加上平时书籍上的一点积累。因此不敢妄称此篇文章为论文，只能说是谈谈上完整个学期的宇宙学浅谈的一点感想。从小在农村生活的原因，看着明亮的星空，我产生了求知的欲望。其实观察星空只是天文学的表象，离真正的宇宙学和物理学差的很远。在高中的时候我读到了霍金的时间简史的普及版。于是对相对论和量子理论以及宇宙的演化有了浅显的认识。但是在读霍金的果壳中的宇宙时，却很难读懂，再加上课业的繁重也就只能作罢。 在本学期选修了粒子物理与宇宙学，又燃起了我对于宇宙及物理学的强烈渴望。虽然我此生也许并

2、不会投身于对于宇宙的探索及对物理学的研究。但是只要在条件允许的前提下，我一定会主动为那些研究者提供各方面的支持，也当是圆了我儿时的梦想。发展：宇宙是我们这个物质世界的整体，是物理学和天文学的最大研究对象。了解甚至弄清它的性质、结构和演化规律，一直是人类的梦想。可以说，人类试图认识宇宙的历史与人类认识史本身同样古老。但是，要认识整个宇宙实在是太难了，以致在相当长的时间内，只是停留在哲学性的、思辨性的思考上。宇宙学真正成为一门具有现代意义的独立的学科，那还是在近 100 年内的事。 在半个世纪以前，大多数人对宇宙学还是抱有怀疑态度的。这半个世纪，宇宙学的发展，经历了彷徨、徘徊，经历了数据积累，经历了异军突起，经历了长足进步。时至今日，宇宙学已经成为了一门精确科学，它差不多达到了半个世纪之前粒子物理在人们心目中的地位。正是半个世纪以前，粒子物理领域新现象不断出现、新粒子不断被发现。新的发现触动了物理学的基本问题，就使物理学来了一个重大的飞跃。特别是吴健雄首次实验证明了李政道、杨振宁的理论，推翻了弱作用中的宇称守恒定律，使弱作用的正确机制很快确立。粒子物理成为了当时最前沿、也最活跃的学科。现在

3、的宇宙学已经与半个世纪以前大不一样，它已经被普遍接受，成为了当今最前沿，最活跃的学科之一。 人生活在地球上。在地球之外，首先看到的当推太阳，其次是月亮，此外就是众多的星星了。起初，人们弄不清楚太阳、月亮和星星之间是怎样的关系，甚至孰大孰小孰远孰近也一无所知，对宇宙的认识是极为肤浅的。中国古代关于宇宙有三种学说，即盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说认为大地是平坦的，天就像一把伞罩着大地。浑天说认为天地像一只蛋，中心是地，周围是天。宣夜说认为天是无限的、虚空的，星辰浮在虚空中。国外，亚里士多德、托勒密等人建立的宇宙模型是以地球为中心的(简称地心说)。直到约 500 年前，哥白尼提出了以太阳为中心的日心说，才推翻了至少统治了 1800 多年的地心说。这一步极其艰难，哥白尼的著作天体运行论直到他临终之前才得以出版面世；伽利略因为支持哥白尼的观点而被罗马宗教裁判所囚禁；支持并发展哥白尼观点的布鲁诺更被烧死在罗马的鲜花广场。这一步却十分重要，地球也就从宇宙中心的宝座上跌了下来，成为宇宙中普通的一员。有了这个认识，地球上的人才获得了客观研究宇宙学的真正资格。 哥白尼走的这一步，十分关键。以太阳为基础来研

4、究宇宙是正确的。有了开头的一步，也就会有接着的一步，并一步一步继续发展下去。布鲁诺进一步提出，宇宙中还有许许多多的太阳。抬头仰望晴朗的夜空，如果空气没有污染，就可以看到满天星斗，可以说这些星星每一个都是像太阳那样的恒星。太阳与地球之间的距离约有 1.5 亿千米，相当于光走 8.3 分钟的路程。我们看到的亮的恒星，其实是些离我们很近的星。比如牛郎星，离我们的距离约有 16 光年(即光走 16 年的距离)；织女星，约有 27 光年。除太阳以外，离我们最近的恒星，叫比邻星，距离约为 4.3 光年。天上亮星的分布差不多是各向同性的，就是说，仰望天空，向各个方向看到的亮星在天上分布的密集程度都差不多。但是，如果我们只看很暗(也就是较远)的星，就会发现它们的分布不是各向同性，而是集中分布在一个带状区域内的。这个观测特征告诉我们，我们这个太阳系实际上是处在一个呈盘状分布的恒星系统内，离盘中心较远，约有 2 万 6千光年。这个恒星系统就是银河系，它包含有一千多亿颗恒星。其实，银河系外面还有许许多多类似银河系的恒星系统(称之为星系)。银河系是我们这个地球所在的星系的特别名称。银河系外，最靠近我们的星系是

5、大麦哲伦云和小麦哲伦云，它们离我们的距离约为 16 万光年。我们现在所能观测到的距离已到百亿光年的尺度。尽管还可看到一些有许多星系组成的星系团，但总的说，星系在宇宙中的分布是比较均匀的。由于星系离我们很远，得用更大的望远镜来观测它们。与恒星呈现的是一个点不同，星系呈现的是一个有限大小的斑。星系的发现使我们走出了银河系，这是走向宇宙的极其重要的一步。粗略地说，宇宙可以看作以星系为“分子”的均匀气体。由此我们可以总结出一个原理，称作“宇宙学原理”从大尺度来看，宇宙物质的分布是各向同性的、均匀的；宇宙既没有中心，也没有边缘；观测者从宇宙任何一个地方来看，宇宙的性质、运动和规律都是完全一样的。 观测并研究恒星、星系、星系团是天文学研究的主方向，这个领域的观测数据在不断积累，理论研究也在不断深入。在“宇宙学原理”的基础上，宇宙大尺度结构的各种偏离均匀和偏离各向同性的特征，也已经有了十分丰富的积累。 应用：人们对恒星、星系、星系团的认识积累为宇宙学的研究奠定了第一块里程碑。其实，对恒星、星系、星系团的研究，不仅是天文学研究和宇宙学研究的基本出发点，也是工作量最大而且贯彻始终、不断改进的基础。所以，

6、它不仅是第一块里程碑，也在以后各个里程碑的创建过程中不断起作用。 宇宙是天文学的主要研究对象。天文学是自然科学中的一门基础学科：作为基础学科的天文学，它在人类认识自然、 探索物质世界的客观规律中发挥着重要的作用。天文学所取得的辉煌成果不仅使人类对宇宙的各个层次有了清晰的了解，并认识到自己在宇宙中所处的地位，而且也推动了其他学科的发展。它提出的许多新课题常常成为其他学科研究的前沿，甚至对既有的理论提出了挑战。用历史上的天象记录考证历史事件发生的年代，是天文学在历史和考古中的应用。典型的例证是在我国于 20 世纪末完成的国家重点科技攻关项目“夏商周断代工程”中，夏商周断代工程对传世的古代文献和出土的甲骨文、金文等材料进行了搜集、整理、鉴定和研究；对其中有关的天文现象和历法记录通过现代天文学给予计算从而推定其年代；对古代记录的彗星、日月食等天象,用天体力学方法算出其发生的年代，结合考古发掘和历史文献，确定一些重大历史事件如武王伐纣等的确切年代，把中国的历史纪年向前延伸 1200 多年，使中华文明发展的重要时期夏、商、周三代有了年代学标尺。 综上，天文学对于人类的意义绝非一个“不简单”可以形容的。他的重要性也决不仅仅体现于我上面所说的几个方面。天文学这一学科就像天空一样广袤无边，人类要走的路还很长，要探索的旅程还很远。而人是一切发现的原动力，所以对于天文学爱好者及专门从事天文学的职业工作者来说，任重而道远！

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