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1、丛爱因斯坦到霍金的宇宙院 校：机械与汽车工程学院专 业：车 辆 工 程班 级：车 辆 1 2 1 1学 号：2 0 1 2 1 3 8 1 2 8姓 名：刘 明 星辅导教师：夏 清 华物理与电子工程学院2013年12月17日听课笔记第一讲：爱伊斯坦与物理学的革命两朵乌云 1900年凯尔文勋爵说，物理学的大厦已经建成，未来的物流学家只需做些修修补补的工作，但是，明朗的天空还有两朵乌云：一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。爱伊斯坦生平（1） 1879.3.14 诞生于德国乌尔姆 中，小学时代 德国慕尼黑1895-1896 瑞士阿劳中学一年1896-1900 苏黎士工业大学学习1900-1
2、902 艰辛求职，四面碰壁爱伊斯坦的丰收年1905年5篇 3月 解释光电效应光子说（六月发表） 4月 博士论文：测定分子大小的新方法（4月提交） 5月 解释布朗运动（7月发表） 6月 “论运动物体的电动力学”狭义相对论（9月发表） 9月 E=mc（11月发表）第二讲：弯曲的时空广义相对论狭义相对论的困难有惯性系无法定义，万有引力定律纳下相对论体系的 框架。处理惯性力:F1=ma, Fg=G(m0m)r; F1与Fg有相同（或相近）的起源。对自由落体定律的探讨 丛牛顿第二定律与万有引力定律知mgg=F=m1a 自由落体g=a ，则m1=mg爱伊斯坦与格罗斯蔓合作得到场方程：R=-T爱伊斯坦与系波
3、尔特讨论后得到正确的场方程：-T万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现。行星饶日运动是惯性运动（伽利略的错误）。地球上的自由落体运动是惯性运动。第三讲：从白矮星、中子星到黑洞历史上的黑洞年前（拿破仑时代）米歇尔（）和拉普拉斯（）同时发现暗星宇宙体系论天体力学太阳半径千米，密度克厘米；暗星半径千米，密度亿吨厘米；但是已知密度最大的物质是构成白矮星的物质约吨厘米黑洞的密度密度质量体积黑洞的黑洞，与水差不多恒星的演化主序星红巨星白矮星吨厘米中子星亿吨厘米黑洞亿吨厘米钱德拉塞卡极限奥本海默极限中子星的发现波特（）约里奥夫妇（）查德威克（）落向黑洞的火箭遥远的观测者：火箭越来越慢，越来越红，越来越暗；
4、火箭上的飞行员：穿过视界进入黑洞，潮汐力不断加入。第四讲：霍金与黑洞霍金简介年月好生于牛津（伽利略逝世周年）；大学毕业，进行性肌肉萎缩；投靠霍伊尔研究生未果。后跟Sciama；霍伊尔的稳态宇宙；Sciama的特点。对黑洞研究的贡献：奇性定理（1970），面积定律（1972），霍金辐射（1974），对信息疑难的探索（1997-2004）1974年2月霍金用弯曲时空量子场证明黑洞有热辐射，黑洞的温度是真温度，面积确实是熵。第五讲：膨胀的宇宙宇宙 四方上下曰宇，往古来今曰宙。宇宙就是时间、空间及物质的总称。银河系 直径105光年，1000亿-2000亿颗恒星，2.5亿年自转一周，太阳系以250/s围
5、绕银心转。宇宙的结构 太阳系：1光年 星系：105光年 星系团：107光年 观测表明：在比188光年更大的尺度，宇宙是均匀各向同性的。爱因斯坦静态宇宙模型 他认为广义相对论不该应用于原子现象的研究，而该应用于对宇宙的研究。 （ 强作用） 1 ； 电磁作用 10（-2） ；（若作用） 10（-14） ；万有引力 10（-39） ；电磁作用比引力作用强约10（37）倍。膨胀的宇宙模型建立 弗利德曼 膨胀互脉动的宇宙（1922年） 勒梅特神父 “宇宙蛋” （1927年） 哈勃定理 V=H（1929年） 伽莫夫 火球模型（1948年）（大爆炸模型）第六讲：时空隧道与时间机器“大爆炸”不是在空间中膨胀，
6、而是空间本事膨胀；不是先有时空，然后再空间某一点发生大爆炸，而是时空与物质同时丛大爆炸中产生；膨胀没有中心，或说每一点都是膨胀的中心；膨胀物质没有边界；各点密度、压强相同，不存在压强差。 我们能看见退行速度比光速快的星系。哈勃距离d=c/H依赖于哈勃参数（哈勃参数随时间增大而减小，哈勃距离随时间增大而增大。V=哈勃定律，哈勃距离d=c/H）。原本看不到的光子当哈勃距离增加到包含那个光子时，该光子就能接近并到达我们这里。虫洞时空隧道虫洞是链接不同宇宙的“管道”，或连接同一宇宙不同部分的“手柄”。有虫洞的时空，拓扑结构复杂，有单连通，多连通。洛伦兹虫洞（可通过的时空隧道）可前往其他宇宙或本宇宙远方
7、的捷径；欧几里得虫洞（瞬时通过）可前往未来或前往过去。制备时间机器的要点：有一个洛伦兹虫洞，两个洞口与的洞外距离远大于洞内距离；一个洞口A不动，另一个洞口B高速远离又高速返回，且运动时间足够长。这样可闭合类时线，形成时间机器。第七讲：激动人心的量子物理元素周期律 纽兰兹的八音律，门捷列夫周期律（1869年）1865年光谱线发现，1895年伦琴射线发现，1896年发现天然放射性，1897年发现电子。卢瑟福1898年发现、射线，1908年发现粒子散射，1911年提出原子的行星模型。量子力学的建立 1926年下半年薛定谔证明波动力学=矩阵力学；1926年波恩提出波函数的概率解释；1927年海森提出测
8、不准关系：位置与动量（或速度）不能同时确定，粒子运动没有轨迹，能量宽度与寿命有关。第八讲：比一千个太阳还亮中子的发现1869年 元素周期律1885年 光谱线1895年 X射线1896年 天然放射性1920年 卢瑟福预言中子1930年 波特粒子轰击铍中子（未认出）1931年 约里奥居里夫人 未知射线+石蜡质子1932年 查德威克 中子可能存在、中子的存在链式反应 约里奥居里 重核：中子数质子数 轻核：中子数质子数裂变与聚变均可产生核能。核力的传播者介子氢弹的研制 泰勒第一座反应堆 费米，1942年12月2日下午3点45分，芝加哥大学第九讲：点燃科学的朝霞中心火毕达哥拉斯的宇宙公元前584年泰勒斯
9、首次预报日全食；毕达哥拉斯（商高定理），三角形三内角之和是180；大地是一个球，宇宙模型：“中心火”与“对地”。地心说 亚里士多德强调经验、观察，不承认存在“中心火”与“对地”，地心宇宙，月下世界土、水、火、气，月上世界以太中国的四大发明传入欧洲 造纸、印刷、火药、指南针以及炼丹术，印度的十进制和“阿拉伯数字”传入欧洲，十字军东征，从巴格达带回希腊文明。布鲁诺说恒星是遥远的太阳，宇宙是无限的。1564年米开朗琪罗逝世，莎士比亚、伽利略出生。“物理学”真正开始与伽利略。他使物理学成为一门“实验的科学”、“测量的科学”。庞加莱说凡是不能测量的东西都不能算是自然科学。第十讲：神坛上下的牛顿开普勒抓住
10、火星轨道观测与理论8分偏差第一定律：行星饶日的轨道是椭圆，太阳定位于椭圆的一个焦点上。第二定律：失经在单位时间内扫过的面积相等角动量守恒。第三定律：行星饶日运动周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。1642年1月8日伽利略逝世，这一年的圣诞节之夜牛顿出生。 18岁 剑桥三一学院（上帝、耶稣、圣灵） 23岁 毕业，瘟疫 23至25岁 在乡下躲避瘟疫（牛顿的丰收年） 30岁 皇家学院会员 45岁 自然哲学之数学原理 绝对时空，惯性系，质量 相对性原理，力学三定律，万有引力定律 叠加原理（平行四边形法则） 65岁 光学走下神坛的牛顿牛顿惠更斯光的微粒说与波动说牛顿VS胡克 万有引力定律的发现权牛顿福莱
11、姆斯梯德天文数据的使用牛顿VS莱布尼兹 微积分的发现权，对时间与空间的认识第十一讲：漫步太阳系“克莱门汀”号无人探测拍摄的月球南极中心阴影深处可能有冰湖。金星和火星是离太阳最近的行星。哈雷彗星自转轴沿着公转轴。1986年3月14日的哈雷彗星彗尾有断裂的现象。通古斯陨星1978年的一个早晨陨落的。太阳系的尺度 地球半径6400公里月球半径1700公里太阳半径70万公里日地距离1.5亿公里冥王星距太阳40天文单位（光走5小时）太阳系直径1光年第十二讲：时间之谜柏拉图的时间观 时间是“永恒”的“映像”。（1） 真实的“实在世界”是“理念”。我们接触到的万物和宇宙，都不过是“理念”的“影子”。（2）
12、“理念”完美而永恒，它不存在于宇宙和时空中。万物和宇宙是不完美的，在不断变化中。 造物主给“永恒”创造了一个“动态相似物”“时间”。 时间不停的流逝，模仿着“永恒”。 时间无始无终，循环流逝。（106000年一个周期）中国古代认为时间有周期，但不是简单的重复、循环，而是螺旋形发展。牛顿认为时间是均匀的，有方向的，没有起点和终点的，永恒存在的“河流”，没有涨落也没有波涛。如果物质消失了，时间和空间还会继续存在。约翰洛克认为时间是一维的，库伦定律支持空间是三维的爱因斯坦认为物质的存在会使时空弯曲，如果没有物质，时空仍然存在，只不过是平坦的。逝世前认为时空是物质伸张性和广延性的表现。不存在一无所有的
13、时空（没有物质就没有时空）。时空应与物质同生同灭。 从爱因斯坦到霍金的宇宙学习心得我一直很喜欢物理，尤其是近代理论物理。一方面是因为20世纪上半叶物理建筑大变革，新的物理体系建立，新思想，新成果喷涌而出；另一方面是因为物理大家集中出现，百家争鸣，百花齐放，好一番繁盛景象赵峥老师的网络课程从爱因斯坦到霍金的宇宙比较详细地介绍了这一段发展历程。尤其是量子论诞生、爱因斯坦提出狭义与广义相对论、新的宇宙观以及后来以霍金为主的黑洞研究等大事件。当然，除此之外，赵老师还讲了人类文明的演进史，在人学和自然历史高度谈论了人类的存在，让人思考颇多。以上关于物理的讲解是我极感兴趣的。在学习中，我收获了很多新知识，对物理经典理论和前沿学说的理解多有深入。这次课的学习是我物理素养的第三次提升，也是历史知识的一次大大提升。我把在学习中的一些具体收获和感悟简略的列在下面。古语云“天生我才必有用。”这句话一直沿用到今天，虽然我们早已司空见惯，但每个人是否都明白，其实我们每个人都有成才的潜能呢？正如爱因斯坦一样,也是出身在一个平凡家庭,上学时代成绩也十分一般,但他最终
