天体与地球-第一章宇宙.ppt

第一节 宇宙 一、宇宙的基本概念 二、相对论宇宙时、空观 三、微观世界的基本法则 四、宇宙物质世界的基本特征 第二节 大爆炸宇宙学 一、大爆炸学说思想体系的形成 二、宇宙最早期演化 三、大爆炸的证据 第三节 宇宙的未来和暗物质、反物质 一、弗里德曼宇宙模型 二、暗物质、反物质,第一章 大爆炸宇宙学,第一节 宇宙 一、宇宙的基本概念 1、科学的宇宙概念—客观性 中国战国鲁人: 四方上下曰宇——空间 往古来今曰宙——时间 现代科学的宇宙定义：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 时 间 宇宙是 空 间 的最大范畴 物 质,,,2.可观测宇宙的概念—相对性 人类对宇宙的认识： ①古代宇宙观——地心说 ②近代宇宙观——日心体系 ——银河系宇宙 ③现代宇宙观——总星系（可观测宇宙） 由哈勃半径（150亿光年）的数倍为度量 宇宙的范围: 数百亿光年,哈 勃 太 空 望 远 镜,天 体 与 地 球,人 类 认 识 宏 观 物 质 世 界 的 尺 度,人 类 认 识 宏 观 物 质 世 界 的 尺 度,人类认识微观物质世界的尺度,3．两类宇宙模型 ①稳恒态宇宙模型 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 宙膨胀时保持宇宙的密度不变，必须不断 地创生物质 创始人：邦迪、戈尔德、霍伊尔 ② 演化态宇宙模型 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 代表理论：大爆炸宇宙学,二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观） -------从牛顿到爱因斯坦 坡普(1726,威斯特敏斯特大教堂牛顿墓志铭): 大自然 和它的规律深藏在黑夜里. 上帝说, 让牛顿出世吧! 于是一切就都在光明之中. 斯夸尔爵士(1920th): 光明不再继续了: 恶魔在高声地嚎叫; 让爱因斯坦出世吧, 使世界重现光明.,二、现代宇宙时、空观 （相对论宇宙时、空观） 1. 牛顿经典力学的时、空观 （1）牛顿的空间概念 是日常经验的空间，有三维 南--北 东--西 上--下 是绝对的空间，人类、太阳、行星和恒星共同拥有的空 间， 空间的坐标是不变的、绝对的2）牛顿的时间概念 是日常经验的时间，人类、太阳、行星和恒星共同经历着时间的流逝。

是绝对的时间，时间的坐标不变 牛顿1687年《自然哲学的数学原理》 “绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀流动的，它不依赖于任何外界事物 牛顿时、空观的本质： 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2．相对论宇宙时、空观 时间-空间-物质的三角关系： 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； 空间用物质运动和时间来测量 ① 运动的相对性--从牛顿-伽里略 相对论到爱因斯坦狭义相对论： 运动物体的测量—参照系,,,① 时间的相对性—广义相对论 A.时间随物质运动而变化 时钟矛盾：不同速度运动的物体上的 时钟相互矛盾 相对论时间公式（时钟变慢）：,例如：相对于地球以0.98倍光速 运行的飞船，内部时钟仅为地面时钟 的1∕5： 双生子佯谬（悖论）,双生子佯谬（悖论）,B.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， 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 偏大的数值： 地球上的原子钟（铯原子钟） 每升高100m，快百万亿分之一秒铯 原 子 钟,互联网时,③ 空间的相对性—广义相对论 A.空间坐标的平直：仅适用于地球 （天体）表面有限的局部 B.空间坐标的弯曲：在大尺度的宇宙 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 弯曲—引力透镜大质量天体与时空弯曲,重力不仅改变空间,也改变时间,时空弯曲与引力透镜,光不再以直线行进,“卡西尼号”进入土星弯曲的时空,时空弯曲,引力透镜,宇宙中的海市蜃楼,引力透镜与爱因斯坦十字星,运行中的Machos,相对论宇宙时、空观的基本认识： ①时间、空间与物质密不可分，时间、空间随物质的运动而变化 ②在宇宙大尺度范畴内， 时间、空间坐标的弯曲（扭曲）是绝对的、普遍的, 而其坐标的平直则是相对的、局部的 ——时、空弯曲 ③时间、空间坐标系统：平面几何→黎曼几何,,广义相对论的基本内容：三维空间和 一维时间构成四维时空连续统；物理事件 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四维黎曼几何描述 空间的度规张量和曲率可通过引力场程， 由物质的能量-动量张量决定 引力场方程： Rμυ—1／2gμυR＝-8πGTμυ Rμυ为里齐张量； R为标量曲率； gμυ为度规张量； Tμυ为能量-动量张量； G为引力常数广义相对论的验证： ①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 同一起点，观测近日点每百年进动5601“， 用牛顿力学只能解释5558“，还差43“.11， 用广义相对论计算的反常进动为43“.03。

金星、地球也有近日点的反常进动 ②光线偏转广义相对论预言，当光线 经过太阳引力场后，其方向要发生偏转 1919年日食期间的观测证实了太阳引力造 成了星光弯曲广 义 相 对 论 的 验 证,广义相对论的验证,GPS全球卫星定位系统,物质的引力使时间发生变化,我们无缘一睹的风景,③引力红移广义相对论预言，从太阳 表面发出的谱线与地球上同种原子的谱线 相比，波长较长（红移），移动量等于速 度为0.6千米/秒的多普勒效应移动量 1960th观测结果是： 观测值＝（1.05±0.05）×理论值 ④雷达回波的延迟广义相对论预言， 当从地球向地内行星发射雷达信号并接收 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 所延迟对水星、金星和“水手”6、7号 探测器的观测结果均与理论值相符宇宙的曲率：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， 空间轨道绘成一个圆 ——即有限、无界的宇宙 爱因斯坦:“我们或许生活在一个有限、 无界的宇宙中.”,闭合的宇宙,三、微观物质世界的基本法则 ----量子力学的基本原理 1．波粒二象性 1905年，爱因斯坦提出“光电效应”，即 波动的光，是由粒子—“光量子”（光子） 构成。

光子的能量与频率成正比： E＝hγ h为普朗克常数 1923年法国德布罗意提出：所有物质都 具有“物质波”，即“波粒二象性” 波动的意义：电子存在（到达）某个部 位，是电子“存在于该处的比率”H 电子云,2. 测不准原理 1930th, 海森堡和薛定谔提出：微观 世界中, 不可能同时对基本粒子 (如电子) 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 射，E＝hγ, 光的频率很低, 波长很长， 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 增加能量时，粒子的动量将发生变化测 不 准,测 不 准,对“波粒二象性”和“测不准原理”的评论： 爱因斯坦：“上帝是不掷骰子的” 霍金：“上帝不光掷骰子，还常常 把骰子掷到你看不见的地方去”,用概率来解释---薛定谔之猫,3. 隧道效应 根据“测不准原理”，在量子力学范畴内, 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“借来”能量，迁移到它原来无法到达的地方即电子可以穿透壁垒 —“电子隧道”隧 道 效 应,4. 真空不空 狄拉克指出：根据“测不准原理”, 在极 短的瞬间, 真空中处于负能量状态的电子 可以从某处 “借来” 能量, 变为正能量的电 子,即电子与正电子成对产生;然而,“借来” 的能量必须立刻偿还，正电子必须还掉入 负能量状态，即电子与正电子成对湮灭。

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 起伏的“狄拉克海洋”能量不断涨落起伏的“狄拉克海洋”,四、物质宇宙的一些基本特征 1 . 宇宙大尺度系统性特征 ①天体的谱线红移 哈勃定律：随着时间的推移，所有 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 ②宇宙微波背景辐射： K=2.7k ——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,哈 勃 定 律,|,③星系是宇宙的基本单元，宇宙宏观 形态呈泡沫空心状结构 ④天体时标：所有观测到天体的年龄 都小于150亿光年 ⑤He丰度：宇宙基本化学元素由氢和 氦构成其中: H：75℅； He：25℅ 或 He原子︰ H原子＝1︰ 12,2．微观物质世界的基本特征 ①基本粒子家族的成员 构成普通物质（正物质）的12种粒子,基本粒子家族,基本粒子家族和希格斯子,12 种 基 本 粒 子,②最基本层次上统治宇宙的五大角色： ⅰ 上夸克 u(+2/3) 质子：2u+d(+1) ⅱ 下夸克 d(-1/3) 中子：u+2d(0) ⅲ 电子（-1） ⅵ 中微子 (0) ⅴ 光子,,日本神冈中微子探测装置,震荡的中微子,③宇宙物质作用4种基本力 ⅰ 强力（核力） 作用范围：原子核半径 宇宙中最强大的力（束缚强子）！ ⅱ 电磁力 作用范围：无限 宇宙中第二强大的力，为强力的1/137 ——正负相吸，阴阳生万物！,强力被电磁力封闭,ⅲ（电）弱力 作用范围：原子核半径 强度为强力的10-5 ——可使中子β衰变为质子 ⅳ 引力（重力） 作用范围：无限 强度最弱，仅为强力的10-39 ---但引力可以多胜少，最终统治宇宙！,弱 电 统 一 理 论,④ 宇宙4种基本力的传递粒子 ⅰ强力→胶子 ⅱ电磁力→光子 ⅲ（电）弱力→中间玻色子 ⅳ 引力（重力）→引力子（重力子） 胶子、光子、中间玻色子已被测到！,夸 克 囚 禁,3.宇宙物质基本形态 ①正物质: ⅰ固态 ⅱ液态 ⅲ气态 ⅳ等离子态 ⅴ场 ⅵ中子态（超固态） ⅶ夸克态 (奇异暗物质：黑洞） ②反物质,太空中最奇特物体和现象,第二节 大爆炸宇宙学,盘古开天地,第二节 大爆炸宇宙学 一、大爆炸学说思想体系的形成 1915 爱因斯坦: 广义相对论 引力场方程 “有限无界”宇宙概念 1922 弗里德曼: “宇宙蛋” 1927 勒梅特: 宇宙早期“初生原子” 1929 哈勃: 发现“红移定律”与宇宙膨胀 1948~1952 伽莫夫: 提出αβγ理论， 预言：早期元素核合成丰度 宇宙微波背景辐射 1981 古斯: 暴涨模型 1985 霍金: 量子宇宙创生与黑洞,史 蒂 芬 ˙ 霍 金,教皇向霍金致敬,二、宇宙最早期演化（最初三分钟） 大爆炸：宇宙起源的事件，约在150亿 年前,宇宙由极其高热、极其高密度的奇点 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 0. 宇宙创生的量子背景 ﹤10-35~10-44秒 普朗克时间 普朗克时代 ﹤10-32厘米 普朗克长度（大统一时代）﹥1094克/厘米3 普朗克密度,,大统一：四种宇宙基本力统一为 一种，称量子引力 宇宙的量子创生：宇宙由奇点处诞生于真空的“狄拉克海洋” 时间 奇点 空间 宇宙时空管 物质,,,宇 宙 时 空 管,霍金和“零”的振动,,宇 宙 的 量 子 创 生 和 并 列 宇 宙,时间的起点,1．强子时代（10-35秒-1秒） ① 基本粒子诞生：夸克、电子、 中微子、光子 ----五大角色出场！ ② 夸克囚禁：质子、中子产生（1015K）,2．轻子时代（1秒-3分钟） ① 中微子脱耦（1秒，1011K） ——宇宙对其透明 ② 中子冻结 n/p=1/6.5 ③ 原初核核合成 质子、中子合成轻原子核 — H、He、Li:宇宙物质演化单调的开始！,原初核核合成: ⅰ. 氕核 : p ⅱ. 氘核: n+p D+  ⅲ. 氚核: D+n  3H 寿命17.7年 ↘ 3He ⅳ. 氦3核: D+D → 3He + n → 3He + p ⅴ. 氦4核: 3He +D → 4He + n 3He +D → 4He + p 氦丰度: 4He = 1/4 (核%) ; 25%氦,。