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1、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： 古代宇宙观地心说 近
2、代宇宙观日心体系 银河系宇宙 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 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 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
3、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、
4、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。 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, 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
5、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15： 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, 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
6、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： 时间、空间与物质密不可分，时间、空间随物质的运动而变化 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 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
7、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： R12gR-8GT R为里齐张量； R为标量曲率； g为度规张量； T为能量-动量张量； G为引力常数。,广义相对论的验证： 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。 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
8、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,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（1.050.05）理论值。 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
9、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： Eh 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
10、精确测定。 例如，观测粒子时，用能量小的光照 射，Eh, 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
11、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 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。 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
12、,天 体 的 谱 线 红 移,天 体 的 谱 线 红 移,哈 勃 定 律,|,星系是宇宙的基本单元，宇宙宏观 形态呈泡沫空心状结构。 天体时标：所有观测到天体的年龄 都小于150亿光年。 He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 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,最基本层次上统治宇宙的五大角色： 上夸克 u(+2/3) 质子：2u+d(+1) 下夸克 d(-1/3) 中子：u+2d(0) 电子（-1） 中微子 (0) 光
13、子,日本神冈中微子探测装置,震荡的中微子,宇宙物质作用4种基本力 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）！ 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,（电）弱力 作用范围：原子核半径 强度为强力的10-5 可使中子衰变为质子 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, 宇宙4种基本力的传递粒子 强力胶子 电磁力光子 （电）弱力中间玻色子 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
14、质基本形态 正物质: 固态 液态 气态 等离子态 场 中子态（超固态） 夸克态 (奇异暗物质：黑洞） 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 19481952 伽莫夫: 提出理论， 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、
15、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 10-3510-44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） 基本粒子
16、诞生：夸克、电子、 中微子、光子 -五大角色出场！ 夸克囚禁：质子、中子产生（1015K）,2轻子时代（1秒-3分钟） 中微子脱耦（1秒，1011K） 宇宙对其透明 中子冻结 n/p=1/6.5 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: . 氕核 : p . 氘核: n+p D+ . 氚核: D+n 3H 寿命17.7年 3He . 氦3核: D+D 3He + n 3He + p . 氦4核: 3He +D 4He + n 3He +D 4He + p 氦丰度: 4He = 1/4 (核%) ; 25%氦,. 氦5核: 4He +n 52
17、He 半衰期为 锂5核: 4He +p 53Li 10 -21秒 - 氦沟！- . Li 7核： 宇宙温度降到1010 K108K , 只允许合成极少量 7Li 3 He +4He 7Li + 3He +4He 7Be + 7Be +e 7Li + 宇宙第一次物质起源合成四种轻核: D 3He 4He 7Li,3.辐射时代（3分钟-30万年） 光子脱耦 宇宙的第一缕光芒 宇宙微波背景辐射 原始火炉的余温 现在2.7K!,4.原子时代（30万年-100万年） 中性原子H、He形成（1000K） 原始弥漫星云 5.引力时代 最初10亿年：古老星系、恒星形成 目前可探测星系（类星体）130 亿光年,
18、宇宙的早期演化与时空管,宇宙的诞生和演化,温度,年代,宇宙编年表,三、大爆炸宇宙学的证据 1. 目前发现天体年龄时限130亿年 2. 河外天体谱线红移宇宙膨胀 3. 宇宙微波背景辐射 4. 最初三分钟原初核核合成理论的验证： 1/4的氦丰度 四种轻核丰度的预测与实际检验 5. 现代基本粒子物理学研究 基本粒子家族：大爆炸理论预测 只有三族;与发现相符合 夸克-胶子、等离子体的获得,：宇宙微波背景辐射,宇宙的温度,宇宙微波背景辐射,宇 宙 童 年 的 快 照,星 系 祖 母,四 种 轻 核 核 合 成 丰 度 预 测 与 验 证,三 种 中 微 子 的 预 测 与 观 测 验 证,宇 宙 早 期
19、 基 本 粒 子 的 产 生,再现大爆炸,原始汤- 在高温高压下物质 破裂成夸克胶子 等离子体子。 物理学家们认为 宇宙大爆炸之初 物质就处于这种状态。,第三节 宇宙未来命运和 暗物质、反物质 一、宇宙未来与弗里德曼宇宙模型 1. 弗里德曼宇宙模型 开放的宇宙 1 三个解 平直的宇宙 1 闭合的宇宙 1 宇宙的物质总量 宇宙坍缩的临界质量,弗 里 德 曼 宇 宙 模 型,宇 宙 膨 胀 与 生 命 演 化,2宇宙未来的命运 大坍缩（大挤压）闭合的宇宙 热寂平直的、开放的宇宙 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 电子和正电子、光子、中微子。 质子的寿命：103
20、1年 (1000万亿亿亿年), 相当目前宇宙年龄的7 1022倍！,宇宙的三种未来：开放、平坦、闭合,大 坍 缩,二、暗物质、反物质 宇宙物质总量:可探测物质10% 未知物质90%:暗物质反物质 1.暗物质 不发出可见光,但能施加引力作用的 不可视物质. 大质量致密晕天体(MACHOS) 黑洞 中子星 白矮星 黑矮星 褐矮星 黑矮星 行星, 弱相互作用重粒子(WIMPs) 非重子基本粒子 中微子 非重子基本粒子(轻子)的一种 中微子天文学 宇宙物质研究 奇异暗物质,现今宇宙的框架结构证实了暗物质的存在,2.反物质 与正常物质带相反电荷的基本粒子 1928年 狄拉克预言 反粒子 1932年 安德
21、森发现正电子 19961997年 反氢原子被制造 1998年 丁肇中设计Alpha空间站磁谱仪 (AMS)升空试验,可在10-10水平上 探测反物质 2002年9月 大批量制造低能状态反氢原子 -5万个,受控条件下制造,大爆炸是空间本身的爆炸,空间的膨胀拉大了光的波长,可观测宇宙半径要大于150亿光年,由于空间膨胀星系可以超光速退行,宇宙在膨胀,但宇宙中的凝聚物体并不膨胀,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,如果是那样， 宇宙中将没有太阳!,如果宇宙中不存在碳共振现象的话,如果是那样，宇宙中将 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,如果是那样，宇宙 将没有氢元素,而 用氦作燃料的太阳 的寿命将很短暂!,如果太阳系有两颗恒星或三颗行星的话,如果是那样，形成 不久的地球的轨道 将极其不稳定,并很 快就会被太阳所吸入!,