大學(xué)物理,物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次2.ppt

同學(xué)們好！,第2頁 共29頁,第三節(jié) 宇宙,一、幾個概念 1.宇宙時間和空間聯(lián)合構(gòu)成的統(tǒng)一整體,目標(biāo)：了解宇觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 了解宇宙的起源,近代物理觀點(diǎn)：物質(zhì)和它的運(yùn)動 是統(tǒng)一的客觀實(shí)在（空間廣延、時間廣延） 既不可能有脫離物質(zhì)的運(yùn)動，也不可能有脫離運(yùn)動的物質(zhì)。而時間和空間也只能憑借物質(zhì)及其運(yùn)動的存在才能體現(xiàn)。,觀測宇宙人們用肉眼或儀器觀測到的整個宇宙空間及其各類天體的總稱。（哈勃半徑：150億光年）,第3頁 共29頁,宇宙 哲學(xué)意義上的概念 觀測宇宙 天文學(xué)研究的對象,2.天體宇宙間一切物質(zhì)集團(tuán)的總稱 天空中的浮云、大氣，山川、河流氣象現(xiàn)象 人造衛(wèi)星，宇宙火箭等人造天體,3.光年光傳播一年所經(jīng)過的距離 1光年=1013km（3108 365 24 3600） 光1秒鐘可以繞地球運(yùn)行7圈，光從太陽傳到地球只需要約8min。 意義： 表征天體間的空間距離 表征攜帶信息的時間歷史,哈勃半徑150億光年從空間上得到了150 億光年尺度的橫斷面，時間上追溯到了150億年前宇宙的歷史。,第4頁 共29頁,二、宇宙的一般圖景,1. 天體的層次,人類對宇宙的認(rèn)識由近到遠(yuǎn)，由現(xiàn)在到過去逐漸展開,星球,“富”星系團(tuán) 河外星系,太陽系,恒星系 (銀河系),第5頁 共29頁,各種天體的層次,天體層次 行星 恒星 星際云 星團(tuán) 星系 宇宙 (地球) (太陽) (平均) (球狀),半徑/pc 10-10 10-8 10 10 104 1010,平均距離/pc 10-5 1 10 103 106 ,質(zhì)量/M日 10-6 1 103 106 1011 1021,平均密度 5.515 1 10-23 10-21 10-23 10-30 /(g/cm3),中心溫度/K 104 107 102 ,pc為秒差距 1pc = 3.261633光年=3.0856781016 m,第6頁 共29頁,(1) 太陽系 以太陽為中心，以及由它的引力支 配而繞它運(yùn)動的天體所構(gòu)成的系統(tǒng)。 含有九大行星， 3000多個小行星， 66 個天然衛(wèi)星， 為數(shù)眾多的彗星、 流星、星際物質(zhì)、 人造天體。,九星連珠：由于各行星繞太陽運(yùn)動的軌道大小、速度各不相同，它們很難聚集在以太陽為中心的扇形區(qū)域內(nèi)。這是1982年出現(xiàn)的九星連珠現(xiàn)象,第7頁 共29頁,太陽: 銀河系中一顆普通恒星 直徑約1.510-7光年，表面溫度6000K,中心溫度1.5107K, 質(zhì)量相當(dāng)于33.3萬個地球。,第8頁 共29頁,地球: 一顆大行星, 年齡約40 50 億年,人類起源： 100萬年 中華文明史： 5000年以上,地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 半徑：平均6370km 外衣：地殼（平均厚度33km） 中間層：地幔(平均厚度2800多km) 核心：地核（內(nèi)核、外核）,第9頁 共29頁,月球: 圍繞地球運(yùn)行的惟一顆衛(wèi)星,第10頁 共29頁,彗星: 圍繞太陽運(yùn)行或行經(jīng)太陽附近的云霧狀 天體，由慧核、慧發(fā)、慧尾組成。,第11頁 共29頁,隕石: 流星體進(jìn)入地球的大氣 層中一般都能完全燃燒 氣化，只有較大的流星 體燃燒不完，可以隕落 到地面上而被稱為隕星。 90%為硅酸鹽礦物的石 隕星稱為隕石。,吉林1號隕石是目前世界上最大的隕石，重1770kg。于1976年3月8日隕落在吉林省內(nèi)。,第12頁 共29頁,(2) 銀河系,扁平鐵餅狀結(jié)構(gòu)，直徑達(dá)10萬光年 3000億個恒星 + 星團(tuán) + 星云,太陽距銀河系中心約3.3萬光年,第13頁 共29頁,2. 宇宙學(xué)原理,宇宙學(xué)原理：宇宙在整體上（能代表宇宙特征的大尺度上）是均勻的，各向同性的。任何一個典型星系上的觀察者“看到”的物理規(guī)律相同。,第14頁 共29頁,三、大爆炸宇宙模型,1. 天文學(xué)歷史上的三次飛躍,(1) 行星層次 連結(jié)開普勒定律的飛躍(17世紀(jì)),弟谷: 積累大量資料, 達(dá)到前所未有的觀測精度。 開普勒:發(fā)現(xiàn)開普勒行星運(yùn)動三定律，適用于所有 行星的運(yùn)動，給出行星理論的約束條件。 牛頓：將地面物體力學(xué)規(guī)律應(yīng)用于天體運(yùn)動，實(shí) 現(xiàn)物理學(xué)的第一次大綜合。,第15頁 共29頁,(2) 恒星層次連結(jié)赫 - 羅圖的飛躍,1905 赫茨普龍 1913 羅素,發(fā)現(xiàn)恒星表面溫度與恒星光度之間的關(guān)系，將紛雜現(xiàn)象納入統(tǒng)一模型，給出恒星理論的約束條件：,第一，所有恒星最初均由氫、氦為主的原始?xì)怏w凝聚而成。 第二，發(fā)生在恒星核心的核聚變制約恒星演化過程。,第16頁 共29頁,各恒星的區(qū)別：原始質(zhì)量不同，“年齡”不同。,第17頁 共29頁,星際星云原始恒星主序星紅巨星超新星爆發(fā)（或白矮星）黑洞（或中子星、星際物質(zhì)）,第18頁 共29頁,(3) 星系層次 連結(jié)哈勃定律的飛躍（20世紀(jì)）,1929年，發(fā)現(xiàn)所有星系的光譜均有紅移現(xiàn)象，紅移量與距離 r 成正比。,將紅移量折合成星系的運(yùn)動速度，即,哈勃常數(shù)：,第19頁 共29頁,2.大爆炸宇宙理論,現(xiàn)代理論認(rèn)為，宇宙起源于一次大爆炸，,大爆炸前全部粒子處于高溫高密度狀態(tài)。,第20頁 共29頁,“大爆炸”啟動了宇宙膨脹，后因膨脹、降溫演化成了現(xiàn)在的宇宙。,第21頁 共29頁,(1) 微波背景輻射,支持大爆炸宇宙學(xué)說的主要實(shí)驗(yàn)事實(shí)：,1965年，彭齊阿斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了消除不掉的各向同性的微波段的噪聲輻射。,1989年，宇宙背景探測衛(wèi)星(COBE)對微波背景輻射測量的結(jié)果，非常精確地符合溫度為2.2710.010K的黑體輻射譜。,第22頁 共29頁,(2) 天體的年齡,(3) 氦的豐度 元素在地殼中存在的百分含量,稱為豐度。,大爆炸學(xué)說計(jì)算出的宇宙年齡 150200億年。目前各種方法測定的天體年齡 50110億年，且均小于宇宙年齡。符合大爆炸學(xué)說邏輯。,大爆炸理論計(jì)算出大爆炸初期(3min以內(nèi))形成的氦的豐度約為27%，與觀測結(jié)果基本符合；同時很好地解釋了為什么各星系氦的豐度奇妙地相似。,第23頁 共29頁,問題：我們目睹的這種宇宙膨脹是否會無限地進(jìn)行下去？,三種膨脹宇宙,開宇宙：無限伸展且永遠(yuǎn)膨脹。,閉宇宙：有限，最終往回收縮到一次“大塌聚”。,臨界宇宙：無限大，永遠(yuǎn)膨脹。,O,第24頁 共29頁,如 ，物質(zhì)不能凝聚成星系和恒星，不能產(chǎn)生生命。,我們的宇宙膨脹處于“臨界狀態(tài)”。,如 ，能形成星系和恒星，能產(chǎn)生生命。,第25頁 共29頁,四、宇宙學(xué)的發(fā)展,1. 大爆炸宇宙學(xué)說的發(fā)展,1) 振蕩宇宙模型(20世紀(jì)70年代) 美桑德奇提出：在每一振蕩周期開始時刻，全部宇宙物質(zhì)以基本粒子形式處于高溫、高密度狀態(tài)。爆炸后演化為宇宙。,2) 暴脹宇宙模型(1980年)古斯、溫伯格在弱電統(tǒng)一理論基礎(chǔ)上提出暴脹宇宙模型：爆炸后的最初10-30s內(nèi)宇宙尺度暴脹1050倍，再以較平和速度膨脹。,3) 宇宙弦(1984年開始) 大爆炸后的瞬間，物質(zhì)的高能狀態(tài)下存在著一個統(tǒng)一場。在10-35s左右，統(tǒng)一場種的冰結(jié)碎片形成纖細(xì)而密度極大的“宇宙弦”。宇宙弦在極強(qiáng)的引力場作用下形成星系。,第26頁 共29頁,2. 宇宙學(xué)的未知課題 (1) 暗物質(zhì)之謎,1) 20世紀(jì)30年代，天文學(xué)家慧茲克注意到：星系的環(huán)繞速度快，但穩(wěn)定地呆在星系團(tuán)中 推測有暗物質(zhì)。 2) 20世紀(jì)70年代，發(fā)現(xiàn)銀河系邊緣的運(yùn)動速度比理論家預(yù)言的快得多 暗物質(zhì)彌漫于星際空間。 3) 宇宙中星際所含物質(zhì)總量可見物質(zhì)總量。 4) 對渦旋星系旋轉(zhuǎn)情況的射電和光學(xué)觀測表明，它們被暗物質(zhì)暈包圍。,(2) 類星體能量之謎 1) 類星體紅移大，退行速度大，距離遠(yuǎn)。 2) 類星體光度變化快，周期為普通星系的 10-5倍，尺度小。 3) 類星體輻射功率極大，是普通星系的幾百萬倍。,第27頁 共29頁, 射線爆現(xiàn)象 1967年發(fā)現(xiàn)，來自宇宙空間的 突然增強(qiáng)，稱 射線爆現(xiàn)象,1) 能量：10keV10MeV，少數(shù)達(dá)1GeV以上。 射線爆現(xiàn)象的本質(zhì)是什么？,2) 射線爆的空間分布各向同性，遠(yuǎn)近不均勻。 射線爆的遠(yuǎn)近？,能量機(jī)制是什么？ 產(chǎn)生巨大紅移的機(jī)制是什么？,第28頁 共29頁,五、宇宙演化與四種基本相互作用的關(guān)系,宇宙極早期只有一種統(tǒng)一的相互作用 主干。,10-44s對應(yīng)于超流 真空相變，這正是時空的起源，分離出引力作用。,10-36s對應(yīng)于大統(tǒng)一的真實(shí)相變不對稱的起源，分離出強(qiáng)作用。,10-10s弱電統(tǒng)一的真實(shí)相變，弱作用和電磁作用分離。,沿著宇宙歷史往回追溯，預(yù)期會見到早期宇宙溫度的演變。當(dāng)溫度升高時，自然力的有效強(qiáng)度亦將增加，預(yù)期會出現(xiàn)各種力