物理学与宇宙观.ppt
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人类所在的星球—地球从属 于太阳系。人类能够幸运地出现 和生存在地球上，主要因为： （１）地球离太阳的距离适当， 近则太热，远则太冷。（２）地 球大小适当，引力能维系着厚度 适当的大气圈。
太阳系图
２．宇宙在膨胀
从1909年到1914年间，美国天文学家斯里弗发现来源 于大多数星云的光谱都有红移。
1929年，美国天文学家哈勃发现：所有星系的光谱都 存在“红移”，且红移的大小与星系离我们的距离成正比。 即所有星系都在飞快地远离我们而去，退行速度v与星系 离我们的距离R成正比即v=HR。这一结论称为哈勃定律， H叫哈勃常数。
所谓大爆炸，并非发生在三维空间中的一次爆炸，物 质向虚无空间飞散，而是空间本身的膨胀。
大爆炸宇宙模型能解释最多的观测事实，而且至今还 没有观测事实与它矛盾，因而被公认为宇宙演化的标准模 型。所谓宇宙标准模型是指以宇宙大爆炸模型为基础，结 合粒子物理、核物理、相对论、量子物理知识对宇宙起源 和演化的一种解释。
（4）宇宙整体：在物理学和天文学中，常把宇宙与总星 系等同看待即银河系及河外星系的总称。目前可测的宇宙 范围约1.5×1010(150亿)光年，是人类认识所能到达的范 围。
天文学观测表明，宇宙中的物质分布有强烈的结团
性，从而形成了行星、恒星、星系、星系团。在太阳周围 约十万光年的范围内聚集大约1011颗恒星，即银河系。在 银河系外，还有大量光点，它们并非恒星，而是类似银河 系的恒星集团（星系）。星系的形状各不相同，有球型的， 椭球型的，旋涡型的，棒旋型的，还有许多稀奇古怪的不 规则型。
膨胀使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨胀必有一 个密度非常大的起点。根据现在的膨胀速度，可以推断这 种起点出现在大约100—200亿年前，这就是宇宙的年龄。
宇宙到底有多大？人类能探索的只能是光信号能送达 我们的那些星系。因此，即使宇宙的确是无限的，但可观 测的宇宙是有限的，这种有限的大小约150亿光年。
2.2 宇宙的起源与演化
如果宇宙正在膨胀，回溯过去，整个宇宙必定压缩在 一个极小的范围里，然后在某个时刻发生了一次“大爆 炸”，启动了宇宙膨胀。
1948年，俄裔美国物理学家伽莫夫等人建立了“大爆 炸宇宙论”，认为宇宙始于150亿年前的一个密度极大、 温度极高的“原始火球”，那时既没有原子和分子，更谈 不上恒星和星系，随着宇宙空间不断膨胀，密度减少（现 在的密度约10-27千克/立方米），温度下降（目前绝对温 度3开左右），在这个过程中发生了一系列相变，宇宙间 的万事万物就是在这个不断膨胀冷却的有限时间里形成的。
暴涨过后，宇宙继续膨胀，强力、弱力、电磁力逐渐 分化。首先是强作用分离出来 具有分数电荷的原来自由 的夸克和反夸克迅即结合成核子及其他强子以及它们的反 粒子,宇宙演化到强子时代.
然后弱电相变发生，电磁作用和弱作用分开， “夸 克禁闭”出现, 此时宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。
10-6秒时,温度降到1013开，此时各种粒子处于不断的 碰撞、转化、湮灭过程之中。宇宙继续膨胀、冷却，数目 巨大的核子与反核子大量湮灭，产生大量的光子、中微子、 反中微子。核子及所有的重子在宇宙创生10-6秒后，在数 量上大大减少了，这时电子、正电子、中微子和光子主宰 着宇宙，宇宙进入了轻子时代。
球形星系
漩பைடு நூலகம்星系
棒旋星系
在108光年的宇观尺度下，宇宙物质的分布是均匀和各 向同性的。宇宙很简单，是以星系为“分子”组成的“均 匀气体”。好比一箱密度均匀的气体，尽管原子的质量集 中在很小的原子核上，但从宏观上看，气体的分布是均匀 的。按宇宙学原理，所有星系都是平权的，宇宙没有中心。
银河系是一个包含1011个恒星的庞 大的“旋涡星系”，恒星分布象一个扁 平的铁饼，直径约７万光年，中间凸起 部分直径约１万光年，外部由几条旋臂 构成，我们的太阳位于离银心约２.５万 光年的一条旋臂上。
第2讲 物理学与宇宙观
2.1 宇宙的总体图象与概貌
1 宇宙的整体结构 银河系 太阳系 按尺度规模, 宇宙天体可以分为四个层次：
（1）行星层次：地球、其他行星、太阳系小天体和其他 行星系统（含星际物质）。
（2）恒星层次：太阳、其他恒星和恒星系统（含星际物 质）。恒星最近距离约41光年。 （3）星系层次：银河系、各类星系和其他河外天体，星 系群（几个或几十个星系构成）、星系团（几百个星系 构成）等系统。最近的星系距离约106光年。星系约有 1011个。
（2）最初半小时 在10-44秒时发生了超统一“相变”， 引力首先从统一的力中分化出来，其余三种力即弱、电磁 和强相互作用力仍然是统一的。10-35秒时，温度降到1028 开，宇宙半径约3毫米，从10-35—10-33秒，宇宙经历了一 次暴涨过程，其直径在10-32秒内增大了1050倍，引起了数 目惊人的粒子的产生。由于强力、弱力、电磁力的统一， 所产生的粒子也不可区分(如夸克和轻子可以相互转变)。
大爆炸模型所描述的宇宙演化过程大致如下:
（1）大爆炸 宇宙开始于一个奇点，温度无限高，密 度无限大，t=0时刻发生大爆炸。在大爆炸后到10-44秒 （称为普朗克时间）的宇宙极早期，只存在量子引力，量 子效应起主要作用，四种相互作用统一即只有一种力。爆 炸是如何从一个奇点状态开始的，尚不清楚。宇宙的故事 只能从10-44秒开始，此时宇宙的温度高达1032开，密度是 1093千克/立方米。这时的宇宙极其简单而对称，10-44秒 标志经典宇宙的开始。
太阳系以太阳为中心，周围有九大行星绕其转动，
从里到外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、 天王星、海王星、冥王星。行星周围还有卫星绕其转动。 行星运行轨道为椭圆，绕太阳公转，大体上在一个平面上 且公转方向一致。除金星外，都以同一方向自转。
太阳的质量占太阳系总质量的 ９９.８％。太阳周围还有数千个 小行星、彗星。
什么是“红移”？观察远方星系发出的光谱，比地球 上同种物质的光谱的波长要长，这种波长变长的现象称为 “红移”。
根据多普勒效应，当波源远离观测者运动时，观测者 接收的频率将变低（波长变长—红移）。星系的光谱红移 说明它们正在远离我们而去。那么，哈勃定律则给出了一 幅宇宙正在膨胀的图景。
3．宇宙的年龄与大小
太阳系图
２．宇宙在膨胀
从1909年到1914年间，美国天文学家斯里弗发现来源 于大多数星云的光谱都有红移。
1929年，美国天文学家哈勃发现：所有星系的光谱都 存在“红移”，且红移的大小与星系离我们的距离成正比。 即所有星系都在飞快地远离我们而去，退行速度v与星系 离我们的距离R成正比即v=HR。这一结论称为哈勃定律， H叫哈勃常数。
所谓大爆炸，并非发生在三维空间中的一次爆炸，物 质向虚无空间飞散，而是空间本身的膨胀。
大爆炸宇宙模型能解释最多的观测事实，而且至今还 没有观测事实与它矛盾，因而被公认为宇宙演化的标准模 型。所谓宇宙标准模型是指以宇宙大爆炸模型为基础，结 合粒子物理、核物理、相对论、量子物理知识对宇宙起源 和演化的一种解释。
（4）宇宙整体：在物理学和天文学中，常把宇宙与总星 系等同看待即银河系及河外星系的总称。目前可测的宇宙 范围约1.5×1010(150亿)光年，是人类认识所能到达的范 围。
天文学观测表明，宇宙中的物质分布有强烈的结团
性，从而形成了行星、恒星、星系、星系团。在太阳周围 约十万光年的范围内聚集大约1011颗恒星，即银河系。在 银河系外，还有大量光点，它们并非恒星，而是类似银河 系的恒星集团（星系）。星系的形状各不相同，有球型的， 椭球型的，旋涡型的，棒旋型的，还有许多稀奇古怪的不 规则型。
膨胀使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨胀必有一 个密度非常大的起点。根据现在的膨胀速度，可以推断这 种起点出现在大约100—200亿年前，这就是宇宙的年龄。
宇宙到底有多大？人类能探索的只能是光信号能送达 我们的那些星系。因此，即使宇宙的确是无限的，但可观 测的宇宙是有限的，这种有限的大小约150亿光年。
2.2 宇宙的起源与演化
如果宇宙正在膨胀，回溯过去，整个宇宙必定压缩在 一个极小的范围里，然后在某个时刻发生了一次“大爆 炸”，启动了宇宙膨胀。
1948年，俄裔美国物理学家伽莫夫等人建立了“大爆 炸宇宙论”，认为宇宙始于150亿年前的一个密度极大、 温度极高的“原始火球”，那时既没有原子和分子，更谈 不上恒星和星系，随着宇宙空间不断膨胀，密度减少（现 在的密度约10-27千克/立方米），温度下降（目前绝对温 度3开左右），在这个过程中发生了一系列相变，宇宙间 的万事万物就是在这个不断膨胀冷却的有限时间里形成的。
暴涨过后，宇宙继续膨胀，强力、弱力、电磁力逐渐 分化。首先是强作用分离出来 具有分数电荷的原来自由 的夸克和反夸克迅即结合成核子及其他强子以及它们的反 粒子,宇宙演化到强子时代.
然后弱电相变发生，电磁作用和弱作用分开， “夸 克禁闭”出现, 此时宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。
10-6秒时,温度降到1013开，此时各种粒子处于不断的 碰撞、转化、湮灭过程之中。宇宙继续膨胀、冷却，数目 巨大的核子与反核子大量湮灭，产生大量的光子、中微子、 反中微子。核子及所有的重子在宇宙创生10-6秒后，在数 量上大大减少了，这时电子、正电子、中微子和光子主宰 着宇宙，宇宙进入了轻子时代。
球形星系
漩பைடு நூலகம்星系
棒旋星系
在108光年的宇观尺度下，宇宙物质的分布是均匀和各 向同性的。宇宙很简单，是以星系为“分子”组成的“均 匀气体”。好比一箱密度均匀的气体，尽管原子的质量集 中在很小的原子核上，但从宏观上看，气体的分布是均匀 的。按宇宙学原理，所有星系都是平权的，宇宙没有中心。
银河系是一个包含1011个恒星的庞 大的“旋涡星系”，恒星分布象一个扁 平的铁饼，直径约７万光年，中间凸起 部分直径约１万光年，外部由几条旋臂 构成，我们的太阳位于离银心约２.５万 光年的一条旋臂上。
第2讲 物理学与宇宙观
2.1 宇宙的总体图象与概貌
1 宇宙的整体结构 银河系 太阳系 按尺度规模, 宇宙天体可以分为四个层次：
（1）行星层次：地球、其他行星、太阳系小天体和其他 行星系统（含星际物质）。
（2）恒星层次：太阳、其他恒星和恒星系统（含星际物 质）。恒星最近距离约41光年。 （3）星系层次：银河系、各类星系和其他河外天体，星 系群（几个或几十个星系构成）、星系团（几百个星系 构成）等系统。最近的星系距离约106光年。星系约有 1011个。
（2）最初半小时 在10-44秒时发生了超统一“相变”， 引力首先从统一的力中分化出来，其余三种力即弱、电磁 和强相互作用力仍然是统一的。10-35秒时，温度降到1028 开，宇宙半径约3毫米，从10-35—10-33秒，宇宙经历了一 次暴涨过程，其直径在10-32秒内增大了1050倍，引起了数 目惊人的粒子的产生。由于强力、弱力、电磁力的统一， 所产生的粒子也不可区分(如夸克和轻子可以相互转变)。
大爆炸模型所描述的宇宙演化过程大致如下:
（1）大爆炸 宇宙开始于一个奇点，温度无限高，密 度无限大，t=0时刻发生大爆炸。在大爆炸后到10-44秒 （称为普朗克时间）的宇宙极早期，只存在量子引力，量 子效应起主要作用，四种相互作用统一即只有一种力。爆 炸是如何从一个奇点状态开始的，尚不清楚。宇宙的故事 只能从10-44秒开始，此时宇宙的温度高达1032开，密度是 1093千克/立方米。这时的宇宙极其简单而对称，10-44秒 标志经典宇宙的开始。
太阳系以太阳为中心，周围有九大行星绕其转动，
从里到外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、 天王星、海王星、冥王星。行星周围还有卫星绕其转动。 行星运行轨道为椭圆，绕太阳公转，大体上在一个平面上 且公转方向一致。除金星外，都以同一方向自转。
太阳的质量占太阳系总质量的 ９９.８％。太阳周围还有数千个 小行星、彗星。
什么是“红移”？观察远方星系发出的光谱，比地球 上同种物质的光谱的波长要长，这种波长变长的现象称为 “红移”。
根据多普勒效应，当波源远离观测者运动时，观测者 接收的频率将变低（波长变长—红移）。星系的光谱红移 说明它们正在远离我们而去。那么，哈勃定律则给出了一 幅宇宙正在膨胀的图景。
3．宇宙的年龄与大小