天体与地球一宇宙

《天体与地球一宇宙》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天体与地球一宇宙（141页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

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 第一节第一节 宇宙宇宙 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、科学的宇宙概念客观性客观性 中国战国鲁人中国战国鲁人: : 四方上下曰宇四方上下曰宇空间空间 往古来今曰宙往古来今曰宙时间时间 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 和其中存在的各种

2、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 间间 宇宙是宇宙是 空空 间间 的最大范畴的最大范畴 物物 质质 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 天天 体体 与与 地地 球球 人人 类类 认认 识识 宏宏 观观 物物 质质 世世 界界 的的 尺尺 度度 人人 类类 认认 识识 宏宏 观观 物物 质质 世世 界界 的的 尺尺 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 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） -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

4、嚎叫; 让爱因斯坦出世吧, 使世界重现光明. 二、现代宇宙时、空观二、现代宇宙时、空观 （相对论宇宙时、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 2）牛顿的时间概念）牛顿的时间概念 是日常经验的时间，人类、太阳、行是日常经验的时间，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。对的时间，时间的坐标不变。 牛顿牛顿16871687年自然哲学的数学原

5、理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，它不其本质而言，是永远均匀流动的，它不 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： 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。 2 2相对论宇宙时、空观相对论宇宙时、空观 时间时间- -空间空间- -物质的物质的三角关系三角关系： 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； 物质运动用时间和空间来测量；物质运动用时间和空间

6、来测量； 空间用物质运动和时间来测量。 运动的相对性运动的相对性- -从牛顿从牛顿- -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： 运动物体的测量运动物体的测量参照系参照系 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

7、： 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 弯曲引力透镜。 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,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：相对论宇宙时、空观的基本认识： 时

8、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 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： 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

9、； 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 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

10、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

11、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

12、化。 测测 不不 准准 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”。 隧隧 道道 效效 应应 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

13、” 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 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

14、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）

15、！ 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！ 弱弱 电电 统统 一一 理理 论论 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 第二节第二节 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 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 19481