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天体与地球第一章宇宙￿￿￿￿Still￿waters￿run￿deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深￿￿￿￿Where￿there￿is￿life,￿there￿is￿hope有生命必有希望有生命必有希望 第一节第一节第一节第一节     宇宙宇宙宇宙宇宙一、宇宙的基本概念一、宇宙的基本概念一、宇宙的基本概念一、宇宙的基本概念1 1、科学的宇宙概念、科学的宇宙概念、科学的宇宙概念、科学的宇宙概念————客观性客观性客观性客观性      中国战国鲁人中国战国鲁人中国战国鲁人中国战国鲁人: : : :      四方上下曰宇四方上下曰宇四方上下曰宇四方上下曰宇————————空间空间空间空间                                                                往古来今曰宙往古来今曰宙往古来今曰宙往古来今曰宙————————时间时间时间时间 现代科学的宇宙定义：现代科学的宇宙定义：现代科学的宇宙定义：现代科学的宇宙定义：宇宙是广漠空间宇宙是广漠空间宇宙是广漠空间宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称。

和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称                                                    时时时时 间间间间 宇宙是宇宙是宇宙是宇宙是 空空空空 间间间间          的最大范畴的最大范畴的最大范畴的最大范畴                                                    物物物物 质质质质                                      2.2.可观测宇宙的概念可观测宇宙的概念可观测宇宙的概念可观测宇宙的概念————相对性相对性相对性相对性 人类对宇宙的认识：人类对宇宙的认识：人类对宇宙的认识：人类对宇宙的认识：            ①①①①古代宇宙观古代宇宙观古代宇宙观古代宇宙观————————地心说地心说地心说地心说            ②②②②近代宇宙观近代宇宙观近代宇宙观近代宇宙观————————日心体系日心体系日心体系日心体系                                                                ————————银河系宇宙银河系宇宙银河系宇宙银河系宇宙            ③③③③现代宇宙观现代宇宙观现代宇宙观现代宇宙观————————总星系总星系总星系总星系（可观测宇宙）（可观测宇宙）（可观测宇宙）（可观测宇宙） 由哈勃半径（由哈勃半径（由哈勃半径（由哈勃半径（150150150150亿光年亿光年亿光年亿光年）的数倍为度量）的数倍为度量）的数倍为度量）的数倍为度量 宇宙的范围宇宙的范围宇宙的范围宇宙的范围: : : : 数百亿光年数百亿光年数百亿光年数百亿光年哈哈哈哈 勃勃勃勃 太太太太 空空空空 望望望望 远远远远 镜镜镜镜天天  体体   与与地地  球球人人人人类类类类认认认认识识识识宏宏宏宏观观观观物物物物质质质质世世世世界界界界的的的的尺尺尺尺度度度度人人人人类类类类认认认认识识识识宏宏宏宏观观观观物物物物质质质质世世世世界界界界的的的的尺尺尺尺度度度度人类认识微观物质世界的尺度人类认识微观物质世界的尺度                                    3 3．两类宇宙模型．两类宇宙模型．两类宇宙模型．两类宇宙模型 ① ① ① ①稳恒态宇宙模型稳恒态宇宙模型稳恒态宇宙模型稳恒态宇宙模型              宇宙的平均性质处处相同，并且永远宇宙的平均性质处处相同，并且永远宇宙的平均性质处处相同，并且永远宇宙的平均性质处处相同，并且永远不会随时间变化。

在该学说中，为了在宇不会随时间变化在该学说中，为了在宇不会随时间变化在该学说中，为了在宇不会随时间变化在该学说中，为了在宇宙膨胀时保持宇宙的密度不变，必须不断宙膨胀时保持宇宙的密度不变，必须不断宙膨胀时保持宇宙的密度不变，必须不断宙膨胀时保持宇宙的密度不变，必须不断地创生物质地创生物质地创生物质地创生物质            创始人：邦迪、戈尔德、霍伊尔创始人：邦迪、戈尔德、霍伊尔创始人：邦迪、戈尔德、霍伊尔创始人：邦迪、戈尔德、霍伊尔            ②②②②   演化态宇宙模型演化态宇宙模型演化态宇宙模型演化态宇宙模型        宇宙体积、密度、温度、压力随时间而宇宙体积、密度、温度、压力随时间而宇宙体积、密度、温度、压力随时间而宇宙体积、密度、温度、压力随时间而变化宇宙有一个开始，也可能有结束宇宙有一个开始，也可能有结束宇宙有一个开始，也可能有结束宇宙有一个开始，也可能有结束            代表理论：代表理论：代表理论：代表理论：大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）                                          ----------------------------从牛顿到爱因斯坦从牛顿到爱因斯坦从牛顿到爱因斯坦从牛顿到爱因斯坦 坡普坡普坡普坡普(1726,(1726,(1726,(1726,威斯特敏斯特大教堂牛顿墓志铭威斯特敏斯特大教堂牛顿墓志铭威斯特敏斯特大教堂牛顿墓志铭威斯特敏斯特大教堂牛顿墓志铭):):):): 大自然大自然大自然大自然 和它的规律深藏在黑夜里和它的规律深藏在黑夜里和它的规律深藏在黑夜里和它的规律深藏在黑夜里. . . . 上帝说上帝说上帝说上帝说, , , , 让牛顿出世吧让牛顿出世吧让牛顿出世吧让牛顿出世吧! ! ! ! 于是一切就都在光明之中于是一切就都在光明之中于是一切就都在光明之中于是一切就都在光明之中. . . . 斯夸尔爵士斯夸尔爵士斯夸尔爵士斯夸尔爵士(1920(1920(1920(1920thththth):):):): 光明不再继续了光明不再继续了光明不再继续了光明不再继续了: : : : 恶魔在高声地嚎叫恶魔在高声地嚎叫恶魔在高声地嚎叫恶魔在高声地嚎叫; ; ; ; 让爱因斯坦出世吧让爱因斯坦出世吧让爱因斯坦出世吧让爱因斯坦出世吧, , , , 使世界重现光明使世界重现光明使世界重现光明使世界重现光明. . . .二、现代宇宙时、空观二、现代宇宙时、空观二、现代宇宙时、空观二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）（相对论宇宙时、空观）（相对论宇宙时、空观）（相对论宇宙时、空观）                1. 1. 牛顿经典力学的时、空观牛顿经典力学的时、空观牛顿经典力学的时、空观牛顿经典力学的时、空观              （（（（1 1）牛顿的空间概念）牛顿的空间概念）牛顿的空间概念）牛顿的空间概念        是日常经验的空间，有三维是日常经验的空间，有三维是日常经验的空间，有三维是日常经验的空间，有三维        南南南南-- --北北北北                                                                                                                东东东东-- --西西西西                                                                                                                                                                                                                                                                                                    上上上上-- --下下下下                                                                                                                                                              是绝对的空间，人类、太阳、行星是绝对的空间，人类、太阳、行星是绝对的空间，人类、太阳、行星是绝对的空间，人类、太阳、行星和恒星共同拥有的空和恒星共同拥有的空和恒星共同拥有的空和恒星共同拥有的空   间，间，间，间，   空间的坐标空间的坐标空间的坐标空间的坐标是不变的、绝对的。

是不变的、绝对的是不变的、绝对的是不变的、绝对的                                                                                                                                                                        （（（（2 2）牛顿的时间概念）牛顿的时间概念）牛顿的时间概念）牛顿的时间概念               是是是是日日日日常常常常经经经经验验验验的的的的时时时时间间间间，，，，人人人人类类类类、、、、太太太太阳阳阳阳、、、、行行行行星星星星和和和和恒恒恒恒星星星星共共共共同同同同经经经经历历历历着着着着时时时时间间间间的的的的流流流流逝逝逝逝是是是是绝绝绝绝对的时间，时间的坐标不变对的时间，时间的坐标不变对的时间，时间的坐标不变对的时间，时间的坐标不变   牛牛牛牛顿顿顿顿16871687年年年年《《《《自自自自然然然然哲哲哲哲学学学学的的的的数数数数学学学学原原原原理理理理》》》》   “ “绝绝绝绝对对对对的的的的、、、、真真真真实实实实的的的的数数数数学学学学时时时时间间间间，，，，就就就就其其其其自自自自身身身身及及及及其其其其本本本本质质质质而而而而言言言言，，，，是是是是永永永永远远远远均均均均匀匀匀匀流流流流动动动动的的的的，，，，它它它它不不不不依赖于任何外界事物。

依赖于任何外界事物依赖于任何外界事物依赖于任何外界事物 ”          牛顿时、空观的本质：牛顿时、空观的本质：牛顿时、空观的本质：牛顿时、空观的本质：割裂了时间、空间和物质的联系；割裂了时间、空间和物质的联系；割裂了时间、空间和物质的联系；割裂了时间、空间和物质的联系；仅适用于地球及其周围的有限区域仅适用于地球及其周围的有限区域仅适用于地球及其周围的有限区域仅适用于地球及其周围的有限区域2 2．相对论宇宙时、空观．相对论宇宙时、空观．相对论宇宙时、空观．相对论宇宙时、空观          时间时间时间时间- -空间空间空间空间- -物质的物质的物质的物质的三角关系三角关系三角关系三角关系：：：：      时间用空间和物质运动来测量；时间用空间和物质运动来测量；时间用空间和物质运动来测量；时间用空间和物质运动来测量；      物质运动用时间和空间来测量；物质运动用时间和空间来测量；物质运动用时间和空间来测量；物质运动用时间和空间来测量；      空间用物质运动和时间来空间用物质运动和时间来空间用物质运动和时间来空间用物质运动和时间来测量   ①①①①     运动的相对性运动的相对性运动的相对性运动的相对性-- --从牛顿从牛顿从牛顿从牛顿- -伽里略伽里略伽里略伽里略相对论到爱因斯坦狭义相对论：相对论到爱因斯坦狭义相对论：相对论到爱因斯坦狭义相对论：相对论到爱因斯坦狭义相对论：          运动物体的测量运动物体的测量运动物体的测量运动物体的测量————参照系参照系参照系参照系            ①①①①     时间的相对性时间的相对性时间的相对性时间的相对性————广义相对论广义相对论广义相对论广义相对论          A.A.时间随物质运动而变化时间随物质运动而变化时间随物质运动而变化时间随物质运动而变化时钟矛盾时钟矛盾时钟矛盾时钟矛盾：不同速度运动的物体上的：不同速度运动的物体上的：不同速度运动的物体上的：不同速度运动的物体上的                                        时钟相互矛盾。

时钟相互矛盾时钟相互矛盾时钟相互矛盾相对论时间公式（相对论时间公式（相对论时间公式（相对论时间公式（时钟变慢时钟变慢时钟变慢时钟变慢）：）：）：）：                例如：相对于地球以例如：相对于地球以例如：相对于地球以例如：相对于地球以0.980.98倍光速倍光速倍光速倍光速运行的飞船，内部时钟仅为地面时钟运行的飞船，内部时钟仅为地面时钟运行的飞船，内部时钟仅为地面时钟运行的飞船，内部时钟仅为地面时钟的的的的1∕51∕5：：：：                          双生子佯谬（悖论）双生子佯谬（悖论）双生子佯谬（悖论）双生子佯谬（悖论）双生子佯谬（悖论）双生子佯谬（悖论）                    B.B.时间随物质引力而变化时间随物质引力而变化时间随物质引力而变化时间随物质引力而变化     运动物体在中心物体的引力场中运动时，运动物体在中心物体的引力场中运动时，运动物体在中心物体的引力场中运动时，运动物体在中心物体的引力场中运动时，对于同一经历过程，在运动物体上测得对于同一经历过程，在运动物体上测得对于同一经历过程，在运动物体上测得对于同一经历过程，在运动物体上测得时间间隔，要比在中心物体上的测定值大。

时间间隔，要比在中心物体上的测定值大时间间隔，要比在中心物体上的测定值大时间间隔，要比在中心物体上的测定值大                        偏大的数值：偏大的数值：偏大的数值：偏大的数值：                    地球上的原子钟（铯原子钟）地球上的原子钟（铯原子钟）地球上的原子钟（铯原子钟）地球上的原子钟（铯原子钟）     每升高每升高每升高每升高100m100m，快百万亿分之一秒快百万亿分之一秒快百万亿分之一秒快百万亿分之一秒铯铯原原子子钟钟互联网时互联网时                                        ③③③③     空间的相对性空间的相对性空间的相对性空间的相对性——广义相对论广义相对论广义相对论广义相对论          A.A.空间坐标的平直空间坐标的平直空间坐标的平直空间坐标的平直：仅适用于地球：仅适用于地球：仅适用于地球：仅适用于地球（天体）表面有限的局部（天体）表面有限的局部（天体）表面有限的局部（天体）表面有限的局部          B.B.空间坐标的弯曲空间坐标的弯曲空间坐标的弯曲空间坐标的弯曲：在大尺度的宇宙：在大尺度的宇宙：在大尺度的宇宙：在大尺度的宇宙空间内，空间坐标的弯曲是绝对的。

空空间内，空间坐标的弯曲是绝对的空空间内，空间坐标的弯曲是绝对的空空间内，空间坐标的弯曲是绝对的空间随物质引力而变化，即空间被引力所间随物质引力而变化，即空间被引力所间随物质引力而变化，即空间被引力所间随物质引力而变化，即空间被引力所弯曲弯曲弯曲弯曲——引力透镜引力透镜引力透镜引力透镜     大质量天体与时空弯曲大质量天体与时空弯曲大质量天体与时空弯曲大质量天体与时空弯曲重力不仅改变空间重力不仅改变空间, ,也改变时间也改变时间时空弯曲与引力透镜时空弯曲与引力透镜光光不不再再以以直直线线行行进进“卡卡西西尼尼号号”进进入入土土星星弯弯曲曲的的时时空空时空弯曲时空弯曲引力透镜引力透镜宇宙中的海市蜃楼宇宙中的海市蜃楼引引力力透透镜镜与与爱爱因因斯斯坦坦十十字字星星 运行中的运行中的运行中的运行中的MachosMachosMachosMachos 相对论宇宙时、空观的基本认识：相对论宇宙时、空观的基本认识：相对论宇宙时、空观的基本认识：相对论宇宙时、空观的基本认识： ① ① ① ①时间、空间与物质密不可分，时间、空间与物质密不可分，时间、空间与物质密不可分，时间、空间与物质密不可分，时间、空间随物质的运动而变化时间、空间随物质的运动而变化时间、空间随物质的运动而变化时间、空间随物质的运动而变化 ②②②②在宇宙大尺度范畴内，在宇宙大尺度范畴内，在宇宙大尺度范畴内，在宇宙大尺度范畴内， 时间、时间、时间、时间、空间坐标的弯曲（扭曲）是绝对的、普遍空间坐标的弯曲（扭曲）是绝对的、普遍空间坐标的弯曲（扭曲）是绝对的、普遍空间坐标的弯曲（扭曲）是绝对的、普遍的的的的, , , , 而其坐标的平直则是相对的、局部而其坐标的平直则是相对的、局部而其坐标的平直则是相对的、局部而其坐标的平直则是相对的、局部的。

的 —— —— —— ——时、空弯曲时、空弯曲时、空弯曲时、空弯曲 ③③③③时间、空间时间、空间时间、空间时间、空间坐标系统：平面几坐标系统：平面几坐标系统：平面几坐标系统：平面几何何何何→→→→黎曼几何黎曼几何黎曼几何黎曼几何        广义相对论的基本内容广义相对论的基本内容广义相对论的基本内容广义相对论的基本内容：三维空间和：三维空间和：三维空间和：三维空间和一维时间构成一维时间构成一维时间构成一维时间构成四维时空连续统四维时空连续统四维时空连续统四维时空连续统；物理事件；物理事件；物理事件；物理事件由四维时空连续统中的点表示；四维时空由四维时空连续统中的点表示；四维时空由四维时空连续统中的点表示；四维时空由四维时空连续统中的点表示；四维时空连续统的几何性质由连续统的几何性质由连续统的几何性质由连续统的几何性质由四维黎曼几何四维黎曼几何四维黎曼几何四维黎曼几何描述空间的度规张量和曲率可通过空间的度规张量和曲率可通过空间的度规张量和曲率可通过空间的度规张量和曲率可通过引力场程引力场程引力场程引力场程，，，，由物质的能量由物质的能量由物质的能量由物质的能量- -动量张量决定。

动量张量决定动量张量决定动量张量决定                引力场方程：引力场方程：引力场方程：引力场方程：  R  Rμυ—μυ—μυ—μυ—1 1／／／／2g2gμυμυμυμυR R＝＝＝＝-8-8ππππGTGTμυμυμυμυ   R Rμυμυμυμυ为里齐张量；为里齐张量；为里齐张量；为里齐张量； R R为标量曲率；为标量曲率；为标量曲率；为标量曲率；    g    gμυμυμυμυ为为为为度规张量；度规张量；度规张量；度规张量；              T Tμυμυμυμυ为为为为能量能量能量能量- -动量张量；动量张量；动量张量；动量张量；    G    G为引力常数为引力常数为引力常数为引力常数广义相对论的验证广义相对论的验证广义相对论的验证广义相对论的验证：：：： ①①①①水星近日点的轨道反常进动水星近日点的轨道反常进动水星近日点的轨道反常进动水星近日点的轨道反常进动水星是最近太阳的行星，它的椭圆轨道并不回到最近太阳的行星，它的椭圆轨道并不回到最近太阳的行星，它的椭圆轨道并不回到最近太阳的行星，它的椭圆轨道并不回到同一起点，观测近日点每百年进动同一起点，观测近日点每百年进动同一起点，观测近日点每百年进动同一起点，观测近日点每百年进动5601“5601“，，，，用牛顿力学只能解释用牛顿力学只能解释用牛顿力学只能解释用牛顿力学只能解释5558“5558“，还差，还差，还差，还差43".1143".11，，，，用用用用广义相对论计算的广义相对论计算的广义相对论计算的广义相对论计算的反常进动为反常进动为反常进动为反常进动为43“.0343“.03。

金星、地球也有近日点的反常进动金星、地球也有近日点的反常进动金星、地球也有近日点的反常进动金星、地球也有近日点的反常进动        ②②②②光线偏转光线偏转光线偏转光线偏转广义相对论预言，当光线广义相对论预言，当光线广义相对论预言，当光线广义相对论预言，当光线经过太阳引力场后，其方向要发生经过太阳引力场后，其方向要发生经过太阳引力场后，其方向要发生经过太阳引力场后，其方向要发生偏转19191919年日食期间的观测证实了太阳引力造年日食期间的观测证实了太阳引力造年日食期间的观测证实了太阳引力造年日食期间的观测证实了太阳引力造成了星光弯曲成了星光弯曲成了星光弯曲成了星光弯曲广广义义相相对对论论的的验验证证广义相对论的验证广义相对论的验证GPSGPS全球卫星定位系统全球卫星定位系统物质的引力使时间发生变化物质的引力使时间发生变化我们无缘一睹的风景我们无缘一睹的风景        ③③③③引力红移引力红移引力红移引力红移广义相对论预言，从太阳广义相对论预言，从太阳广义相对论预言，从太阳广义相对论预言，从太阳表面发出的谱线与地球上同种原子的谱线表面发出的谱线与地球上同种原子的谱线表面发出的谱线与地球上同种原子的谱线表面发出的谱线与地球上同种原子的谱线相比，波长较长（红移），移动量等于速相比，波长较长（红移），移动量等于速相比，波长较长（红移），移动量等于速相比，波长较长（红移），移动量等于速度为度为度为度为0 0. . . .6 6千米千米千米千米/ /秒的多普勒效应移动量。

秒的多普勒效应移动量秒的多普勒效应移动量秒的多普勒效应移动量19601960thth观测结果是：观测结果是：观测结果是：观测结果是： 观测值＝（观测值＝（观测值＝（观测值＝（1 1. . . .0505±±±±0 0. . . .0505））））××××理论值      ④④④④雷达回波的延迟雷达回波的延迟雷达回波的延迟雷达回波的延迟广义相对论预言，广义相对论预言，广义相对论预言，广义相对论预言，当从地球向地内行星发射雷达信号并接收当从地球向地内行星发射雷达信号并接收当从地球向地内行星发射雷达信号并接收当从地球向地内行星发射雷达信号并接收其回波时，如果雷达波在太阳附近通过，其回波时，如果雷达波在太阳附近通过，其回波时，如果雷达波在太阳附近通过，其回波时，如果雷达波在太阳附近通过，则回波的时间要比不在太阳附近通过时有则回波的时间要比不在太阳附近通过时有则回波的时间要比不在太阳附近通过时有则回波的时间要比不在太阳附近通过时有所延迟对水星、金星和所延迟对水星、金星和所延迟对水星、金星和所延迟对水星、金星和““““水手水手水手水手””””6 6、、、、7 7号号号号探测器的观测结果均与理论值相符。

探测器的观测结果均与理论值相符探测器的观测结果均与理论值相符探测器的观测结果均与理论值相符            宇宙的曲率宇宙的曲率宇宙的曲率宇宙的曲率：在一个闭合的宇宙里，：在一个闭合的宇宙里，：在一个闭合的宇宙里，：在一个闭合的宇宙里，宇宙自我合拢这是由于物质密度很大，宇宙自我合拢这是由于物质密度很大，宇宙自我合拢这是由于物质密度很大，宇宙自我合拢这是由于物质密度很大，空间轨道绘成一个圆空间轨道绘成一个圆空间轨道绘成一个圆空间轨道绘成一个圆              ——              ——即有限、无界的宇宙即有限、无界的宇宙即有限、无界的宇宙即有限、无界的宇宙        爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦:“:“我们或许生活在一个有限、我们或许生活在一个有限、我们或许生活在一个有限、我们或许生活在一个有限、无界的宇宙中无界的宇宙中无界的宇宙中无界的宇宙中.”.”闭合的宇宙闭合的宇宙闭合的宇宙闭合的宇宙                    三、微观物质世界的基本法则三、微观物质世界的基本法则三、微观物质世界的基本法则三、微观物质世界的基本法则                   ----                   ----量子力学的基本原理量子力学的基本原理量子力学的基本原理量子力学的基本原理                              1 1．波粒二象性．波粒二象性．波粒二象性．波粒二象性    1905    1905年，爱因斯坦提出年，爱因斯坦提出年，爱因斯坦提出年，爱因斯坦提出“ “光电效应光电效应光电效应光电效应” ”，即，即，即，即波动的光，是由粒子波动的光，是由粒子波动的光，是由粒子波动的光，是由粒子—“—“光量子光量子光量子光量子” ”（光子）（光子）（光子）（光子）构成。

光子的能量与频率成正比：构成光子的能量与频率成正比：构成光子的能量与频率成正比：构成光子的能量与频率成正比：      E      E＝＝＝＝hγ         hhγ         h为普朗克常数为普朗克常数为普朗克常数为普朗克常数     1923     1923年法国德布罗意提出：所有物质都年法国德布罗意提出：所有物质都年法国德布罗意提出：所有物质都年法国德布罗意提出：所有物质都具有具有具有具有“ “物质波物质波物质波物质波” ”，即，即，即，即“ “波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性” ”               波动的意义：波动的意义：波动的意义：波动的意义：电子存在（到达）某个部电子存在（到达）某个部电子存在（到达）某个部电子存在（到达）某个部位，是电子位，是电子位，是电子位，是电子“ “存在于该处的比率存在于该处的比率存在于该处的比率存在于该处的比率” ”H H 电子云电子云                                2. 2. 测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理         1930th,          1930th, 海森堡和薛定谔提出：微观海森堡和薛定谔提出：微观海森堡和薛定谔提出：微观海森堡和薛定谔提出：微观世界中世界中世界中世界中,  , 不可能同时对基本粒子不可能同时对基本粒子不可能同时对基本粒子不可能同时对基本粒子 (  (如电子如电子如电子如电子) )的位置和动量进行精确测定。

的位置和动量进行精确测定的位置和动量进行精确测定的位置和动量进行精确测定              例如，观测粒子时，用能量小的光照例如，观测粒子时，用能量小的光照例如，观测粒子时，用能量小的光照例如，观测粒子时，用能量小的光照射，射，射，射，E E＝＝＝＝hγ,  hγ,  光的频率很低光的频率很低光的频率很低光的频率很低,   ,   波长很长，波长很长，波长很长，波长很长，粒子的位置不可能测准；粒子的位置不可能测准；粒子的位置不可能测准；粒子的位置不可能测准；              反之，若为了精确测位而减少波长而反之，若为了精确测位而减少波长而反之，若为了精确测位而减少波长而反之，若为了精确测位而减少波长而增加能量时，粒子的动量将发生变化增加能量时，粒子的动量将发生变化增加能量时，粒子的动量将发生变化增加能量时，粒子的动量将发生变化测测   不不   准准测测 不不准准        对对对对“ “波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性” ”和和和和“ “测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理” ”的评的评的评的评论：论：论：论：                  爱因斯坦：爱因斯坦：爱因斯坦：爱因斯坦：“ “上帝是不掷骰子的上帝是不掷骰子的上帝是不掷骰子的上帝是不掷骰子的” ”                霍金：霍金：霍金：霍金：“ “上帝不光掷骰子，还常常上帝不光掷骰子，还常常上帝不光掷骰子，还常常上帝不光掷骰子，还常常     把骰子掷到你看不见的地方去把骰子掷到你看不见的地方去把骰子掷到你看不见的地方去把骰子掷到你看不见的地方去” ”用概率来解释用概率来解释---薛定谔之猫薛定谔之猫               3.  3. 隧道效应隧道效应隧道效应隧道效应            根据根据根据根据“ “测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理” ”，在量子力学，在量子力学，在量子力学，在量子力学范畴内范畴内范畴内范畴内,  , 提供了极短时间内能量变动提供了极短时间内能量变动提供了极短时间内能量变动提供了极短时间内能量变动的可能性：电子可以在极短时间内的可能性：电子可以在极短时间内的可能性：电子可以在极短时间内的可能性：电子可以在极短时间内“ “借来借来借来借来” ”能量，迁移到它原来无法到达能量，迁移到它原来无法到达能量，迁移到它原来无法到达能量，迁移到它原来无法到达的地方。

即电子可以穿透壁垒的地方即电子可以穿透壁垒的地方即电子可以穿透壁垒的地方即电子可以穿透壁垒                                —                                —“ “电子隧道电子隧道电子隧道电子隧道” ”隧隧   道道   效效   应应                                      4. 4. 真空不空真空不空真空不空真空不空          狄拉克指出：根据狄拉克指出：根据狄拉克指出：根据狄拉克指出：根据“ “测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理”,  ”,  在极在极在极在极短的瞬间短的瞬间短的瞬间短的瞬间,   ,   真空中处于负能量状态的电子真空中处于负能量状态的电子真空中处于负能量状态的电子真空中处于负能量状态的电子可以从某处可以从某处可以从某处可以从某处 “ “借来借来借来借来” ” 能量能量能量能量,  , 变为正能量的电变为正能量的电变为正能量的电变为正能量的电子子子子, ,即即即即电子与正电子成对产生电子与正电子成对产生电子与正电子成对产生电子与正电子成对产生; ;然而然而然而然而,“,“借来借来借来借来” ”的能量必须立刻偿还，正电子必须还掉入的能量必须立刻偿还，正电子必须还掉入的能量必须立刻偿还，正电子必须还掉入的能量必须立刻偿还，正电子必须还掉入负能量状态，即负能量状态，即负能量状态，即负能量状态，即电子与正电子成对湮灭电子与正电子成对湮灭电子与正电子成对湮灭电子与正电子成对湮灭。

          量子力学描绘的真空：量子力学描绘的真空：量子力学描绘的真空：量子力学描绘的真空：          物质不断地产生和湮灭；能量不断涨落物质不断地产生和湮灭；能量不断涨落物质不断地产生和湮灭；能量不断涨落物质不断地产生和湮灭；能量不断涨落起伏的起伏的起伏的起伏的“ “狄拉克海洋狄拉克海洋狄拉克海洋狄拉克海洋” ”能量不断涨落起伏的能量不断涨落起伏的“狄拉克海洋狄拉克海洋”              四、物质宇宙的一些基本特征四、物质宇宙的一些基本特征四、物质宇宙的一些基本特征四、物质宇宙的一些基本特征          1 .           1 . 宇宙大尺度系统性特征宇宙大尺度系统性特征宇宙大尺度系统性特征宇宙大尺度系统性特征            ①①①①天体的谱线红移天体的谱线红移天体的谱线红移天体的谱线红移 哈勃定律哈勃定律哈勃定律哈勃定律：随着时间的推移，所有：随着时间的推移，所有：随着时间的推移，所有：随着时间的推移，所有 河外天体（星系）光谱都向红外方向移河外天体（星系）光谱都向红外方向移河外天体（星系）光谱都向红外方向移河外天体（星系）光谱都向红外方向移 动，并且红移量与距离成正比。

动，并且红移量与距离成正比动，并且红移量与距离成正比动，并且红移量与距离成正比             ②②②②宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射：：：： K=2.7k K=2.7k                 ——                 ——宇宙同此凉热宇宙同此凉热宇宙同此凉热宇宙同此凉热! ! ! !天体的谱线红移天体的谱线红移 天体的谱线红移天体的谱线红移天天体体的的谱谱线线红红移移      天天体体的的谱谱线线红红移移 哈哈勃勃定定律律|                          ③③③③星系是宇宙的基本单元星系是宇宙的基本单元星系是宇宙的基本单元星系是宇宙的基本单元，宇宙宏观，宇宙宏观，宇宙宏观，宇宙宏观 形态呈形态呈形态呈形态呈泡沫空心状结构泡沫空心状结构泡沫空心状结构泡沫空心状结构                  ④④④④天体时标天体时标天体时标天体时标：所有观测到天体的年龄：所有观测到天体的年龄：所有观测到天体的年龄：所有观测到天体的年龄 都小于都小于都小于都小于150150亿光年。

亿光年                  ⑤⑤⑤⑤HeHe丰度丰度丰度丰度：宇宙基本化学元素由氢和：宇宙基本化学元素由氢和：宇宙基本化学元素由氢和：宇宙基本化学元素由氢和 氦构成其中氦构成其中氦构成其中氦构成其中: : : :                              HH：：：：7575℅℅℅℅；；；； HeHe：：：：2525℅℅℅℅ 或或或或              HeHe原子︰原子︰原子︰原子︰ H H原子＝原子＝原子＝原子＝1 1︰︰︰︰ 12 122．微观物质世界的基本特征．微观物质世界的基本特征①①基本粒子家族的成员基本粒子家族的成员  构成普通物质（正物质）的构成普通物质（正物质）的12种粒子种粒子基基本本粒粒子子家家族族基本粒子家族和希格斯子基本粒子家族和希格斯子12 12 12 12 种种种种 基基基基 本本本本 粒粒粒粒 子子子子 ②②②②最基本层次上统治宇宙的五大角色：最基本层次上统治宇宙的五大角色：最基本层次上统治宇宙的五大角色：最基本层次上统治宇宙的五大角色： ⅰ ⅰ ⅰ ⅰ 上夸克上夸克上夸克上夸克 u(+2/3) u(+2/3) u(+2/3) u(+2/3) 质子：质子：质子：质子：2u+d(+1)2u+d(+1)2u+d(+1)2u+d(+1) ⅱ ⅱ ⅱ ⅱ 下夸克下夸克下夸克下夸克 d(-1/3) d(-1/3) d(-1/3) d(-1/3) 中子：中子：中子：中子：u+2d(0)u+2d(0)u+2d(0)u+2d(0) ⅲ ⅲ ⅲ ⅲ 电子电子电子电子（（（（-1-1-1-1）））） ⅵ ⅵ ⅵ ⅵ 中微子中微子中微子中微子 (0)(0)(0)(0) ⅴ ⅴ ⅴ ⅴ 光子光子光子光子日日本本神神冈冈中中微微子子探探测测装装置置震震荡荡的的中中微微子子 ③③③③宇宙物质作用宇宙物质作用宇宙物质作用宇宙物质作用4 4 4 4种基本力种基本力种基本力种基本力ⅰ ⅰ ⅰ ⅰ 强力（核力）强力（核力）强力（核力）强力（核力） 作用范围：原子核半径作用范围：原子核半径作用范围：原子核半径作用范围：原子核半径 宇宙中宇宙中宇宙中宇宙中最强大最强大最强大最强大的力（束缚强子）！的力（束缚强子）！的力（束缚强子）！的力（束缚强子）！ⅱ ⅱ ⅱ ⅱ 电磁力电磁力电磁力电磁力 作用范围：无限作用范围：无限作用范围：无限作用范围：无限 宇宙中第二强大的力，为强力的宇宙中第二强大的力，为强力的宇宙中第二强大的力，为强力的宇宙中第二强大的力，为强力的1/1371/1371/1371/137 —— —— —— ——正负相吸，正负相吸，正负相吸，正负相吸，阴阳生万物阴阳生万物阴阳生万物阴阳生万物！！！！强力被电磁力封闭强力被电磁力封闭 ⅲ ⅲ ⅲ ⅲ（电）弱力（电）弱力（电）弱力（电）弱力 作用范围：原子核半径作用范围：原子核半径作用范围：原子核半径作用范围：原子核半径 强度为强力的强度为强力的强度为强力的强度为强力的10101010-5-5-5-5 —— —— —— ——可使中子可使中子可使中子可使中子ββββ衰变衰变衰变衰变为质子为质子为质子为质子 ⅳ ⅳ ⅳ ⅳ 引力（重力）引力（重力）引力（重力）引力（重力） 作用范围：无限作用范围：无限作用范围：无限作用范围：无限 强度强度强度强度最弱最弱最弱最弱，仅为强力的，仅为强力的，仅为强力的，仅为强力的10101010-39-39-39-39 --- --- --- ---但引力可但引力可但引力可但引力可以多胜少以多胜少以多胜少以多胜少，最终统治宇宙！，最终统治宇宙！，最终统治宇宙！，最终统治宇宙！ 弱弱弱弱电电电电统统统统一一一一理理理理论论论论 ④ ④ ④ ④ 宇宙宇宙宇宙宇宙4 4 4 4种基本力的传递粒子种基本力的传递粒子种基本力的传递粒子种基本力的传递粒子 ⅰ ⅰ ⅰ ⅰ强力强力强力强力→→→→胶子胶子胶子胶子 ⅱ ⅱ ⅱ ⅱ电磁力电磁力电磁力电磁力→→→→光子光子光子光子 ⅲ ⅲ ⅲ ⅲ（电）弱力（电）弱力（电）弱力（电）弱力→→→→中间玻色子中间玻色子中间玻色子中间玻色子 ⅳ ⅳ ⅳ ⅳ 引力（重力）引力（重力）引力（重力）引力（重力）→→→→引力子（重力子）引力子（重力子）引力子（重力子）引力子（重力子） 胶子、光子、中间玻色子已被测到！胶子、光子、中间玻色子已被测到！胶子、光子、中间玻色子已被测到！胶子、光子、中间玻色子已被测到！夸夸克克囚囚禁禁3.3.3.3.宇宙物质基本形态宇宙物质基本形态宇宙物质基本形态宇宙物质基本形态 ① ① ① ①正物质正物质正物质正物质: : : : ⅰ ⅰ ⅰ ⅰ固态固态固态固态 ⅱ ⅱ ⅱ ⅱ液态液态液态液态 ⅲ ⅲ ⅲ ⅲ气态气态气态气态 ⅳ ⅳ ⅳ ⅳ等离子态等离子态等离子态等离子态 ⅴ ⅴ ⅴ ⅴ场场场场 ⅵ ⅵ ⅵ ⅵ中子态中子态中子态中子态（超固态）（超固态）（超固态）（超固态） ⅶ ⅶ ⅶ ⅶ夸克态夸克态夸克态夸克态 ( ( ( (奇异暗物质：黑洞）奇异暗物质：黑洞）奇异暗物质：黑洞）奇异暗物质：黑洞）    ② ② ② ②反物质反物质反物质反物质太空中最奇特物体和现象太空中最奇特物体和现象第二节第二节  大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学盘古开天地盘古开天地 第二节第二节第二节第二节     大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学 一、大爆炸学说思想体系的形成一、大爆炸学说思想体系的形成一、大爆炸学说思想体系的形成一、大爆炸学说思想体系的形成1915  1915  爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦:  :  广义相对论广义相对论广义相对论广义相对论     引力场方程引力场方程引力场方程引力场方程                                    ““““有限无界有限无界有限无界有限无界””””宇宙概念宇宙概念宇宙概念宇宙概念1922  1922  弗里德曼弗里德曼弗里德曼弗里德曼: : : :     ““““宇宙蛋宇宙蛋宇宙蛋宇宙蛋””””1927  1927  勒梅特勒梅特勒梅特勒梅特: : : :   宇宙早期宇宙早期宇宙早期宇宙早期““““初生原子初生原子初生原子初生原子””””1929  1929  哈勃哈勃哈勃哈勃: : : :   发现发现发现发现““““红移定律红移定律红移定律红移定律””””与宇宙膨胀与宇宙膨胀与宇宙膨胀与宇宙膨胀1948~1952  1948~1952  伽莫夫伽莫夫伽莫夫伽莫夫: : : : 提出提出提出提出αβγαβγαβγαβγ理论理论理论理论，，，， 预言：早期元素核合成丰度预言：早期元素核合成丰度预言：早期元素核合成丰度预言：早期元素核合成丰度                                            宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射1981   1981   古斯古斯古斯古斯: : : : 暴涨模型暴涨模型暴涨模型暴涨模型1985   1985   霍金霍金霍金霍金: : : :     量子宇宙创生量子宇宙创生量子宇宙创生量子宇宙创生与黑洞与黑洞与黑洞与黑洞史史蒂蒂芬芬˙˙霍霍金金教皇向霍金致敬教皇向霍金致敬教皇向霍金致敬教皇向霍金致敬 二、宇宙最早期演化（最初三分钟）二、宇宙最早期演化（最初三分钟）二、宇宙最早期演化（最初三分钟）二、宇宙最早期演化（最初三分钟） 大爆炸大爆炸大爆炸大爆炸：宇宙起源的事件，约在：宇宙起源的事件，约在：宇宙起源的事件，约在：宇宙起源的事件，约在150150亿亿亿亿年前年前年前年前, , , ,宇宙由极其高热宇宙由极其高热宇宙由极其高热宇宙由极其高热、、、、极其高密度的奇点极其高密度的奇点极其高密度的奇点极其高密度的奇点处爆发产生。

宇宙的时间、空间和质量均处爆发产生宇宙的时间、空间和质量均处爆发产生宇宙的时间、空间和质量均处爆发产生宇宙的时间、空间和质量均从虚无的真空中产生从虚无的真空中产生从虚无的真空中产生从虚无的真空中产生              0.  0.  宇宙宇宙宇宙宇宙创生的创生的创生的创生的量子背景量子背景量子背景量子背景                                                             ﹤﹤1010-35-35~10~10-44-44秒秒秒秒     普朗克时间普朗克时间普朗克时间普朗克时间     普朗克时代普朗克时代普朗克时代普朗克时代            ﹤﹤﹤﹤1010-32-32厘米厘米厘米厘米              普朗克长度普朗克长度普朗克长度普朗克长度（（（（大统一大统一大统一大统一时代）时代）时代）时代）﹥﹥﹥﹥10109494克克克克/ /厘米厘米厘米厘米3 3  普朗克密度普朗克密度普朗克密度普朗克密度 大统一大统一大统一大统一：四种宇宙基本力统一为：四种宇宙基本力统一为：四种宇宙基本力统一为：四种宇宙基本力统一为 一种，称量子引力。

一种，称量子引力一种，称量子引力一种，称量子引力    宇宙的宇宙的宇宙的宇宙的量子创生量子创生量子创生量子创生：宇宙由奇点处：宇宙由奇点处：宇宙由奇点处：宇宙由奇点处诞生于诞生于诞生于诞生于真空的真空的真空的真空的“ “狄拉克海洋狄拉克海洋狄拉克海洋狄拉克海洋” ”                                              时间时间时间时间                  奇点奇点奇点奇点 空间空间空间空间    宇宙时空管宇宙时空管宇宙时空管宇宙时空管                                              物质物质物质物质宇宇宙宙时时空空管管霍金和霍金和“零零”的振动的振动宇宇宇宇宙宙宙宙的的的的量量量量子子子子创创创创生生生生和和和和并并并并列列列列宇宇宇宇宙宙宙宙时间的起点时间的起点1 1 1 1．强子时代．强子时代．强子时代．强子时代（（（（10101010-35-35-35-35秒秒秒秒-1-1-1-1秒）秒）秒）秒）① ① ① ① 基本粒子诞生：夸克、电子、基本粒子诞生：夸克、电子、基本粒子诞生：夸克、电子、基本粒子诞生：夸克、电子、 中微子、光子中微子、光子中微子、光子中微子、光子 ---- ---- ---- ----五大角色出场五大角色出场五大角色出场五大角色出场！！！！② ② ② ② 夸克囚禁：夸克囚禁：夸克囚禁：夸克囚禁：质子、中子产生（质子、中子产生（质子、中子产生（质子、中子产生（1010101015151515K K K K））））  2 2 2 2．轻子时代．轻子时代．轻子时代．轻子时代（（（（1 1 1 1秒秒秒秒-3-3-3-3分钟）分钟）分钟）分钟） ① ① ① ① 中微子脱耦（中微子脱耦（中微子脱耦（中微子脱耦（1 1 1 1秒，秒，秒，秒，1010101011111111K K K K）））） —— —— —— ——宇宙对其透明宇宙对其透明宇宙对其透明宇宙对其透明 ② ② ② ② 中子冻结中子冻结中子冻结中子冻结 n/p=1/6.5 n/p=1/6.5 n/p=1/6.5 n/p=1/6.5 ③ ③ ③ ③ 原初核核合成原初核核合成原初核核合成原初核核合成 质子、中子合成轻原子核质子、中子合成轻原子核质子、中子合成轻原子核质子、中子合成轻原子核 — H — H — H — H、、、、HeHeHeHe、、、、Li:Li:Li:Li:宇宙物质演化单调的开始！宇宙物质演化单调的开始！宇宙物质演化单调的开始！宇宙物质演化单调的开始！  原初核核合成原初核核合成原初核核合成原初核核合成: : : :    ⅰ.      ⅰ.  氕核氕核氕核氕核 :              p :              p    ⅱ.      ⅱ.  氘核氘核氘核氘核:   n+p :   n+p D D+ +        ⅲ.      ⅲ.  氚核氚核氚核氚核:   D+n :   D+n    3 3H         H         寿命寿命寿命寿命17.717.7年年年年                                                                                                                        ↘ ↘ ↘ ↘                                                                    3                                                                 3HeHe    ⅳ.      ⅳ.  氦氦氦氦3 3核核核核:   D+D :   D+D →→→→   3 3HeHe + n + n                                                                    →→→→   3 3HeHe + p + p    ⅴ.      ⅴ.  氦氦氦氦4 4核核核核:   :   3 3He +D He +D →→→→   4 4HeHe + n + n                                                  3 3He +D He +D →→→→   4 4HeHe + p + p            氦丰度氦丰度氦丰度氦丰度:   :   4 4He = 1/4  (He = 1/4  (核核核核%) ;  25%%) ;  25%氦氦氦氦                  ⅵ.   ⅵ.   氦氦氦氦5 5核核核核:   :   4 4He +n He +n →→→→   5 52 2He        He        半衰期为半衰期为半衰期为半衰期为                      锂锂锂锂5 5核核核核:   :   4 4He +p He +p →→→→   5 53 3Li           10 Li           10 -21-21-21-21秒秒秒秒                ----------                 ---------- 氦沟！氦沟！氦沟！氦沟！------------------------   ⅶ.   Li 7   ⅶ.   Li 7核：核：核：核：   宇宙温度降到宇宙温度降到宇宙温度降到宇宙温度降到101010 10 K~10K~108 8K ,K ,                                                      只允许合成极少量只允许合成极少量只允许合成极少量只允许合成极少量   7 7LiLi                                   3                                    3 He +He +4 4He He →→→→7 7LiLi +  +                                                    3 3He +He +4 4He He →→→→7 7Be + Be +                                                                                              7 7Be +e Be +e →→→→7 7LiLi +  +                宇宙第一次物质起源合成四种轻核宇宙第一次物质起源合成四种轻核宇宙第一次物质起源合成四种轻核宇宙第一次物质起源合成四种轻核: :                          D       D       3 3He     He     4 4He     He     7 7LiLi 3.3.3.3.辐射时代辐射时代辐射时代辐射时代（（（（3 3 3 3分钟分钟分钟分钟-30-30-30-30万年）万年）万年）万年） ① ① ① ① 光子脱耦光子脱耦光子脱耦光子脱耦 —— —— —— ——宇宙的第一缕光芒宇宙的第一缕光芒宇宙的第一缕光芒宇宙的第一缕光芒 ② ② ② ② 宇宙宇宙宇宙宇宙微波背景辐射微波背景辐射微波背景辐射微波背景辐射 —— —— —— ——原始火炉的余温原始火炉的余温原始火炉的余温原始火炉的余温 —— —— —— ——现在现在现在现在2.7K!2.7K!2.7K!2.7K!4.4.4.4.原子时代原子时代原子时代原子时代（（（（30303030万年万年万年万年-100-100-100-100万年）万年）万年）万年） 中性原子中性原子中性原子中性原子H H H H、、、、HeHeHeHe形成（形成（形成（形成（1000K1000K1000K1000K）））） —— —— —— ——原始弥漫星云原始弥漫星云原始弥漫星云原始弥漫星云5.5.5.5.引力时代引力时代引力时代引力时代 最初最初最初最初10101010亿年：古老星系、恒星形成亿年：古老星系、恒星形成亿年：古老星系、恒星形成亿年：古老星系、恒星形成 目前可探测星系（类星体）目前可探测星系（类星体）目前可探测星系（类星体）目前可探测星系（类星体）130 130 130 130 亿光年亿光年亿光年亿光年 宇宙的早期演化与时空管宇宙的早期演化与时空管宇宙的早期演化与时空管宇宙的早期演化与时空管宇宙的诞生和演化宇宙的诞生和演化温度温度年代年代宇宙编年表宇宙编年表          三、大爆炸宇宙学的证据三、大爆炸宇宙学的证据三、大爆炸宇宙学的证据三、大爆炸宇宙学的证据     1.       1.  目前发现天体年龄时限＜目前发现天体年龄时限＜目前发现天体年龄时限＜目前发现天体年龄时限＜130130亿年亿年亿年亿年     2.       2.  河外天体谱线红移河外天体谱线红移河外天体谱线红移河外天体谱线红移————宇宙膨胀宇宙膨胀宇宙膨胀宇宙膨胀     3.       3.  宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射     4.       4.  最初三分钟原初核核合成理论的验证：最初三分钟原初核核合成理论的验证：最初三分钟原初核核合成理论的验证：最初三分钟原初核核合成理论的验证：                ①①①①  1/4  1/4的氦丰度的氦丰度的氦丰度的氦丰度                ②②②②     四种轻核丰度的预测与实际检验四种轻核丰度的预测与实际检验四种轻核丰度的预测与实际检验四种轻核丰度的预测与实际检验     5.       5.  现代基本粒子物理学研究现代基本粒子物理学研究现代基本粒子物理学研究现代基本粒子物理学研究                ①①①①     基本粒子家族：大爆炸理论预测基本粒子家族：大爆炸理论预测基本粒子家族：大爆炸理论预测基本粒子家族：大爆炸理论预测                            只有三族只有三族只有三族只有三族; ;与发现相符合与发现相符合与发现相符合与发现相符合                ②②②②     夸克夸克夸克夸克- -胶子胶子胶子胶子、、、、等离子体的获得等离子体的获得等离子体的获得等离子体的获得  ：宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙的温度宇宙的温度宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宇宇宇宙宙宙宙童童童童年年年年的的的的快快快快照照照照星星星星系系系系祖祖祖祖母母母母四四四四种种种种轻轻轻轻核核核核核核核核合合合合成成成成丰丰丰丰度度度度预预预预测测测测与与与与验验验验证证证证三三三三种种种种中中中中微微微微子子子子的的的的预预预预测测测测与与与与观观观观测测测测验验验验证证证证宇宇宙宙早早期期基基本本粒粒子子的的产产生生再现大爆炸再现大爆炸再现大爆炸再现大爆炸原始汤原始汤原始汤原始汤------在高温高压下物质在高温高压下物质在高温高压下物质在高温高压下物质破裂成夸克胶子破裂成夸克胶子破裂成夸克胶子破裂成夸克胶子等离子体子。

等离子体子等离子体子等离子体子物理学家们认为物理学家们认为物理学家们认为物理学家们认为宇宙大爆炸之初宇宙大爆炸之初宇宙大爆炸之初宇宙大爆炸之初物质就处于这种状态物质就处于这种状态物质就处于这种状态物质就处于这种状态 第三节第三节第三节第三节        宇宙未来命运和宇宙未来命运和宇宙未来命运和宇宙未来命运和 暗物质、反物质暗物质、反物质暗物质、反物质暗物质、反物质      一、一、一、一、宇宙未来与宇宙未来与宇宙未来与宇宙未来与弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型     1.       1.  弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型弗里德曼宇宙模型                                                            开放的宇宙开放的宇宙开放的宇宙开放的宇宙 ΩΩΩΩ＜＜＜＜1 1 1 1 三个解三个解三个解三个解 平直的宇宙平直的宇宙平直的宇宙平直的宇宙 ΩΩΩΩ＝＝＝＝1 1 1 1 闭合的宇宙闭合的宇宙闭合的宇宙闭合的宇宙    ΩΩΩΩ＞＞＞＞1 1 1 1                                       Ω Ω Ω Ω ＝＝＝＝ 宇宙的物质总量宇宙的物质总量宇宙的物质总量宇宙的物质总量                                                        宇宙坍缩的临界质量宇宙坍缩的临界质量宇宙坍缩的临界质量宇宙坍缩的临界质量 弗弗里里德德曼曼宇宇宙宙模模型型宇宇宙宙膨膨胀胀与与生生命命演演化化                  2 2．．．．宇宙未来的命运宇宙未来的命运宇宙未来的命运宇宙未来的命运        ①①①①   大坍缩（大挤压）大坍缩（大挤压）大坍缩（大挤压）大坍缩（大挤压）————闭合的宇宙闭合的宇宙闭合的宇宙闭合的宇宙        ②②②②     热寂热寂热寂热寂————平直的、开放的宇宙平直的、开放的宇宙平直的、开放的宇宙平直的、开放的宇宙            热寂宇宙的结局：质子衰变为正电子，热寂宇宙的结局：质子衰变为正电子，热寂宇宙的结局：质子衰变为正电子，热寂宇宙的结局：质子衰变为正电子，宇宙最终变成大的无法想象的轻子薄云宇宙最终变成大的无法想象的轻子薄云宇宙最终变成大的无法想象的轻子薄云宇宙最终变成大的无法想象的轻子薄云      ——      ——电子和正电子、光子、中微子。

电子和正电子、光子、中微子电子和正电子、光子、中微子电子和正电子、光子、中微子            质子的寿命：质子的寿命：质子的寿命：质子的寿命：10103131年年年年 (1000 (1000万亿亿亿年万亿亿亿年万亿亿亿年万亿亿亿年), ),相当目前宇宙年龄的相当目前宇宙年龄的相当目前宇宙年龄的相当目前宇宙年龄的7 7   × ×10102222倍！倍！倍！倍！   宇宙的三种未来：开放、平坦、闭合宇宙的三种未来：开放、平坦、闭合大大坍坍缩缩                              二、暗物质、反物质二、暗物质、反物质二、暗物质、反物质二、暗物质、反物质 宇宙物质总量宇宙物质总量宇宙物质总量宇宙物质总量: : : :可探测物质可探测物质可探测物质可探测物质10% 10% 10% 10% 未知物质未知物质未知物质未知物质90%:90%:90%:90%:暗物质暗物质暗物质暗物质\ \ \ \反物质反物质反物质反物质     1.1.1.1.暗物质暗物质暗物质暗物质 不发出可见光不发出可见光不发出可见光不发出可见光, , , ,但能施加引力作用的但能施加引力作用的但能施加引力作用的但能施加引力作用的 不可视物质不可视物质不可视物质不可视物质. . . . ① ① ① ① 大质量致密晕天体大质量致密晕天体大质量致密晕天体大质量致密晕天体(MACHO(MACHO(MACHO(MACHOS)S)S)S) ⅰ ⅰ ⅰ ⅰ 黑洞黑洞黑洞黑洞 ⅱ ⅱ ⅱ ⅱ 中子星中子星中子星中子星    ⅲ ⅲ ⅲ ⅲ 白矮星白矮星白矮星白矮星 黑矮星黑矮星黑矮星黑矮星 ⅳ ⅳ ⅳ ⅳ 褐矮星褐矮星褐矮星褐矮星 黑矮星黑矮星黑矮星黑矮星 ⅴ ⅴ ⅴ ⅴ行星行星行星行星 ② ② ② ② 弱相互作用重粒子弱相互作用重粒子弱相互作用重粒子弱相互作用重粒子(WIMPs(WIMPs(WIMPs(WIMPs) ) ) ) 非重子基本粒子非重子基本粒子非重子基本粒子非重子基本粒子        ③③③③   中微子中微子中微子中微子 非重子基本粒子非重子基本粒子非重子基本粒子非重子基本粒子( ( ( (轻子轻子轻子轻子) ) ) )的一种的一种的一种的一种 ⅰ ⅰ ⅰ ⅰ中微子天文学中微子天文学中微子天文学中微子天文学 ⅱ ⅱ ⅱ ⅱ宇宙物质研究宇宙物质研究宇宙物质研究宇宙物质研究        ④④④④奇异暗物质奇异暗物质奇异暗物质奇异暗物质现今宇宙的框架结构证实了暗物质的存在 2.2.2.2.反物质反物质反物质反物质 与正常物质带相反电荷的基本粒子与正常物质带相反电荷的基本粒子与正常物质带相反电荷的基本粒子与正常物质带相反电荷的基本粒子1928192819281928年年年年 狄拉克预言狄拉克预言狄拉克预言狄拉克预言 反粒子反粒子反粒子反粒子1932193219321932年年年年 安德森发现正电子安德森发现正电子安德森发现正电子安德森发现正电子1996~19971996~19971996~19971996~1997年年年年 反氢原子被制造反氢原子被制造反氢原子被制造反氢原子被制造1998199819981998年年年年 丁肇中设计丁肇中设计丁肇中设计丁肇中设计AlphaAlphaAlphaAlpha空间站磁谱仪空间站磁谱仪空间站磁谱仪空间站磁谱仪 (AMS)(AMS)(AMS)(AMS)升空试验升空试验升空试验升空试验, , , ,可在可在可在可在10101010-10-10-10-10水平上水平上水平上水平上 探测反物质探测反物质探测反物质探测反物质2002200220022002年年年年9 9 9 9月月月月 大批量制造低能状态反氢原子大批量制造低能状态反氢原子大批量制造低能状态反氢原子大批量制造低能状态反氢原子 ---5 ---5 ---5 ---5万个万个万个万个, , , ,受控条件下制造受控条件下制造受控条件下制造受控条件下制造大爆炸是空间本身的爆炸大爆炸是空间本身的爆炸空空间间的的膨膨胀胀拉拉大大了了光光的的波波长长可可观观测测宇宇宙宙半半径径要要大大于于150亿亿光光年年由由于于空空间间膨膨胀胀星星系系可可以以超超光光速速退退行行宇宇宇宇宙宙宙宙在在在在膨膨膨膨胀胀胀胀, ,但但但但宇宇宇宇宙宙宙宙中中中中的的的的凝凝凝凝聚聚聚聚物物物物体体体体并并并并不不不不膨膨膨膨胀胀胀胀如果新生的宇宙物质分布不均匀的话如果新生的宇宙物质分布不均匀的话……如果宇宙中强相互作用力稍弱些的话如果宇宙中强相互作用力稍弱些的话……如果是那样，如果是那样，宇宙中将没有太阳宇宙中将没有太阳!如果宇宙中不存在碳共振现象的话如果宇宙中不存在碳共振现象的话……如果是那样，宇宙中将如果是那样，宇宙中将没有碳和比碳更重的元素没有碳和比碳更重的元素!如果中子和质子具有相同质量的话如果中子和质子具有相同质量的话……如果是那样，宇宙如果是那样，宇宙将没有氢元素将没有氢元素,而而用氦作燃料的太阳用氦作燃料的太阳的寿命将很短暂的寿命将很短暂!如果太阳系有两颗恒星或三颗行星的话如果太阳系有两颗恒星或三颗行星的话……如果是那样，形成如果是那样，形成不久的地球的轨道不久的地球的轨道将极其不稳定将极其不稳定,并很并很快就会被太阳所吸入快就会被太阳所吸入!。