理学类2006年诺贝尔物理学奖.ppt

Nankai University2006年诺贝尔物理学奖微波背景辐射和热大爆炸宇宙学 Microwave background Radiation参考书： 1. 俞允强， 物理宇宙学讲义 , 热大爆炸宇宙学2. J. Peacock, Cosmological Physics3. S. Dodelson, Modern CosmologyNankai University2006年物理学诺贝尔奖• 两位诺贝尔奖获得者： 1.John Mather, Senior astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center 2. George Smoot, Professor of Physics at University of California, Berkeley • 2006年物理学诺贝尔奖是关于：Nobel prize for Big Bang researchNankai UniversityJ. Matehr and G.SmootJ. Mather et al., 1990, Astrophys. J (Letter) 354, 37; G. Smoot et al., 1992, Astrophys. J (Letter) 396, 1Nankai UniversityNobel 奖提名Nankai UniversityNobel Prize10-5KNankai UniversityThe main contents• 1。

大爆炸宇宙学 • 2早期宇宙概况 • 3几个简单公式 • 4光子的退耦 • 5光子的背景辐射 • 6多极各向异性和星系形成条件 • 7宇宙中正反物质的不对称的形成 • 8暗物质与暗能量 • 9粒子物理，LHC与ILC • 10展望Nankai University热大爆炸宇宙学• 1热大爆炸宇宙学 • 宇宙介质可以看成由星系为“分子”所构成的 “气体”，宇宙学原理认为宇宙介质在大尺度 下是均匀的 • Hubble膨胀 • 哈伯发现星系对银河中心的退行速度与距 离成正比Nankai UniversityHubble 定理1+z 是红移，是光的Doppler 效应， v 是天体 相对我们地球观测者的速度，Hubble 观测到 的公式仅是近似但这个观测的意义是否定 了静止宇宙的理论，指出宇宙在膨胀，从而 导致了热大爆炸理论Nankai University宇宙学• H是hubble 常数 • 牛顿认为成团 • 爱因斯坦开始认为静止宇宙 • 宇宙应起源于120－150亿年前，能量高度 密集的小区域通过热大爆炸形成今天的观 测宇宙Nankai University宇宙形成于热大爆炸• 2早期宇宙概况 （1）远古的宇宙中不可能有星系 （2）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物微小扰动会发展成局域结团 （3）膨胀的宇宙来自大爆炸 （密度，温度无限？） “Big Bang”! （4）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物， E＝200 MeV (T=1012K) t=10-4 s （5）化学元素也是演化的产物, E=1-10 MeV (T=1010K)3-30 min（6）原子和分子是宇宙演化中产生的, E＝13.6 eV (T=104 K)Nankai University几个简单公式• 3。

几个简单公式 • 爱因斯坦广义相对论空间,时间和物质,真空能的关系 λ为宇宙常数RW度规Nankai University几个简单公式• 起到斥力的作用，和普通物质的 引力正好相反 • 在辐射为主的早期宇宙 • 在物质为主的今天宇宙 Nankai UniversityDecoupling• 4光子的退耦 • 原子的复合过程气体中的电子在与质子的热碰撞中会结合成 氢原子，同时放出光子，这过程是可逆的 氢的结合能是13.6 eV, 要把氢电离，光子能 量要大于它 只要高能光子足够多，反过 程的发生率大于宇宙膨胀率，电离和复合 达到统计平衡Nankai UniversityDecoupling• 当温度下降后，(T=1eV), 高能光子处于 Planck分布的高频尾巴， • 能量超过13.6eV 的光子只有10－4，但光子数比质子数多9个量级， 因而一个氢核仍被105高能光子包围，不会 出现中性氢但温度出现在指数上，温度 再下降不多，但氢核周围的高能光子迅速 减少，在T＝1eV下复合过程变得重要Nankai University｀Planck 分布Planck 分布中的高能光子数Nankai UniversityTemperature今天的背景光子温度在复合时的红移,那时宇宙年龄大约为 2 X105年在这段时间内变化非常快Nankai UniversityDecoupling of Photon• 等离子体气体中光子的退耦光子主要是和自由电子散射每个光子在单位时间内的碰撞次数是在复合开始后自由电子密度的骤然下降使光 子碰撞频率下降,光子开始退耦.Nankai University光子得完全退耦• 退耦的发生使碰撞率Γ与宇宙膨胀率H竞争 的结果当复合率Xp=0.1(np/(np+nH)) 时 Γ/H=15,90%原子已复合,但仍有足够的自 由电子以维持光子的热平衡,退耦发生在复 合之后当Xp=4X10-3时光子退耦,2.4X105年,从这时 起光子成了无碰撞组分,它将在由中性原子 组成的气体中飞行,当然它今天应当存在。

Nankai University黑体辐射• 黑体辐射光在黑体中多次散射，成热平衡状态 黑体辐射的光源是 t=2.4X105年时星系为形成前中 性原子气体 由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景 辐射应高度各向同性由于光子从有频繁碰撞到 失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子 动量分布是Planck分布 我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射Nankai University一个故事那么今天的Teff 大约为2.3-2.7K发现和证实： Princeton 大学的 Dicke 和 Peebles 认识到背景 辐射对热大爆炸宇宙学的重要，准备寻找， Penzias 和 Wilson在调试频率为4080MHz的角形天线，在没有 信号时测定了本底，拟合温度为T(θ)=(4.4+2.3secθ)K发现它是无法排除的来自远处的噪声从而得到诺贝尔奖但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除 ，不能在地球上完成Nankai University新的Nobel 奖这是COBE 测量的最后结果在星系形成后 的宇宙中，不同部分有了不同温度，宇宙 介质已没有了统一的热平衡例如太阳的 热辐射谱合黑体辐射谱相差很大。

只有在 早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡 的系统背景辐射谱与黑体辐射谱的高度 一致指出它是来自早期宇宙，支持了热 大爆炸理论Nankai University星体起源• COBE的另一个结果多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银 河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质 不能完全均匀早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它 是后来结构形成的种子正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星 体Nankai UniversityNobel奖的工作• 然而从1977年起的十年中，分析四极各向 异性的强度，受到精度限制得到零的结果 到80年代末，这上限异缩小到如果测量精度再高一个数量级后仍然得到零结果，那么这样过小的密 度起伏奖来不及再今天形成星系，也就没有我们了COBE使用仪器DMR在1992年测到了微波背景温度的四极各向异性为完全支持了热大爆炸宇宙学理论Nankai University宇宙中元素• 大爆炸核合成BBN这是一个比较复杂的核反应链 但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为 1：7， 这个比例是由于中子与质子的质量差 为1.29 MeV，转化停止的冻结温度为0.8 MeV这结果意味今天He丰度为质子的1/4 。

测量之为大约0.23-0.25Nankai University正反物质不对称性7宇宙中正反物质的不对称性观测宇宙中只有质子，中子和带负电的电子 ，而不存在它们的反粒子从热大爆炸理 论它们应该存在 Sakharov 提出三个必须的条件 1 存在破坏重子数（轻子数)守恒的相互作用 2 CP破坏 3 宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶 段）Nankai UniversityAMS计划但也存在其他可能性，反物质存在于我们广 阔宇宙的另一部分，它是和我们居住的部 分完全分开的那么就有可能一些暗物质 颗粒会脱离它们的世界而飞到我们这儿来 我们的任务是找到它们 AMS 计划 Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 由丁肇 中领导的庞大的计划在太空中寻找反物质 流Nankai University宇宙学的困难8暗物质与暗能量 宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占 宇宙总能量的5％以下，暗物质（冷暗物质 ）占23％，70％以上是所谓的暗能量 暗物质是什么？历史上开始认为是中微子（ 热暗物质），现在认为最可能是超对称粒 子neutralino， 或axion, axionino 等。

如何在地球上的探测器上检验暗物质流？Nankai University宇宙学的困难方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子 碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲 轨道测量是非常困难的 1972年我国云南高山宇宙线观测站看到的一 个特别事例Nankai University宇宙学的困难暗能量更是一个非常难以理解的问题 新的观测结果指出宇宙在加速膨胀！ 那么必须存在相当于斥力的作用，从前面公 式可以看出，宇宙常数和真空能都可以起 到斥力作用但这有带来新的问题， (hierarchy problem)是否应该有人择原理 ？新的探讨, quintessense, quintessensino, phantom, varying-mass neutrinos 等等Nankai UniversityNankai University哲学，物理学图：大蛇图 宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量， 非常长的时间，是超出宏观的宇观物理 粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的 能量（相对而言），非常短的时间，是微 观物理 但它们却是紧密相关的因而我们有可能在 地球的探测器上对宇宙学进行研究Nankai University粒子物理宇宙学LHC，ILC 和 RHIC LHC， 14 TeV, 2007年开始运行，寻找 Higgs， 超对称粒子， 等新物理的信号 ILC， 1－2 TeV， ？，精确研究新物理的性 质，探索更新的物理世界 RHIC， 寻找夸克－胶子等离子体，模拟早期 宇宙 (Little bang) 为进一步检验理论，提出新的物理思想奠定 实验基础Nankai University粒子物理宇宙学10。

展望 热大爆炸宇宙学取得了巨大成功，得到了天 文学观测的支持，今天没有人怀疑这个理 论的正确性 还有许多未解决的问题， 宇宙早期的Inflation 阶段，暗物质，暗能量，正反物质的不对 称等 留给21世纪年轻学者去探索和解决！Nankai University物理细推物理须行乐 何用浮名绊此身 杜甫， 曲江二首细推物理日复日 疑难得解乐上乐李政道， 借杜甫诗意Nankai University谢谢ThanksNankai University更多资源初一语文 初一英语 初一数学 初一政治 初一历史 初一地理 初一生物 。