物理學專業(yè)前沿講座

1、現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 12022-6-41學時：學時：3636 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 22022-6-42? 前言前言? 物理學與核技術物理學與核技術 ? 物理學和粒子物理物理學和粒子物理? 物理學與宇宙學物理學與宇宙學? 物理學和激光技術與工程物理學和激光技術與工程? 物理學與量子技術物理學與量子技術內內 容容現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 32022-6-43前 言技術源于生產(chǎn)活動、生活經(jīng)驗技術源于生產(chǎn)活動、生活經(jīng)驗 技術的物質形式：工具技術的物質形式：工具在人類歷史上，技術的出現(xiàn)先于科學。在人類歷史上，技術的出現(xiàn)先于科學。 科

2、學從技術的探索與運用中誕生科學從技術的探索與運用中誕生現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 42022-6-44前言前言 科學知識的源泉：科學知識的源泉：一是由于生產(chǎn)發(fā)展的需要一是由于生產(chǎn)發(fā)展的需要二是人類對客觀世界的好奇心和求知的興趣二是人類對客觀世界的好奇心和求知的興趣感性認識理性認識思考思考自然界內在的規(guī)律觀察觀察分析分析歸納歸納現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 52022-6-45前前 言言科學（首先是物理科學首先是物理科學）的革命，引發(fā)了生產(chǎn)技術的革命，使人們對基礎科學、應用科學、工程技術和生產(chǎn)活動的關系，有了新的感受和認識。哥白尼哥白尼19世紀世紀17世紀世紀1

3、6世紀世紀愛因斯坦愛因斯坦麥克斯韋麥克斯韋牛頓牛頓20世紀世紀科學獨立存在科學獨立存在有了完整的體系有了完整的體系現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 62022-6-46前言前言 物理學與科學技術：物理學與科學技術： 互相促進、攜手并進、相互滲透；互相促進、攜手并進、相互滲透； 與哲學、社會科學密切相關，共同推動著經(jīng)濟與社與哲學、社會科學密切相關，共同推動著經(jīng)濟與社會的發(fā)展；會的發(fā)展； 從生產(chǎn)方式、生活方式與思想觀念上改變了人類文從生產(chǎn)方式、生活方式與思想觀念上改變了人類文明的進程。明的進程?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 72022-6-47前言前言 物理學：物理學：

4、 對許多工程技術領域的開創(chuàng)起著先導、引領的作用；對許多工程技術領域的開創(chuàng)起著先導、引領的作用； 工程技術：工程技術： 直接地創(chuàng)造生產(chǎn)力，反過來開拓、深化了物理學研究的直接地創(chuàng)造生產(chǎn)力，反過來開拓、深化了物理學研究的疆域，并為之提供了豐富精致的環(huán)境條件和研究手段。疆域，并為之提供了豐富精致的環(huán)境條件和研究手段。在現(xiàn)代社會進步的歷程中，物理學和工程技術在現(xiàn)代社會進步的歷程中，物理學和工程技術之間存在緊密的相互聯(lián)系和深刻的相互作用。之間存在緊密的相互聯(lián)系和深刻的相互作用。2022-6-48一、物理學與核技術一、物理學與核技術 田灣核電站田灣核電站現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 9202

5、2-6-49原子核物理學的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術的基礎與先導 19世紀末，相繼發(fā)現(xiàn)了放射性、原子光譜、世紀末，相繼發(fā)現(xiàn)了放射性、原子光譜、X射射線、和電子線、和電子 1911年盧瑟福提出了原子的核式模型，但存在困難，需要改造年盧瑟福提出了原子的核式模型，但存在困難，需要改造 1913年玻爾完善原子結構理論年玻爾完善原子結構理論:1）定態(tài)假設；）定態(tài)假設； 2）量子化假設；）量子化假設；3）躍遷假設）躍遷假設1905年愛因斯坦提出了相對性理論；提出了四維時空的年愛因斯坦提出了相對性理論；提出了四維時空的新概念新概念 ;提出了質能關系及其著名表達式提出了質能關系及其著名表達式E=mc2 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代

6、物理學工程技術工程技術Page 102022-6-410原子原子原子核原子核+ 核外電子核外電子核衰變核衰變衰變衰變衰變衰變 衰變衰變一、原子核衰變一、原子核衰變現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 112022-6-411例如，一個鈾核衰變成釷核的方程是例如，一個鈾核衰變成釷核的方程是 衰變：衰變： 衰變是指某種原子核（稱為母核）衰變是指某種原子核（稱為母核）因自發(fā)放射粒子（因自發(fā)放射粒子（ ）而轉變成新核（稱為）而轉變成新核（稱為子核）的過程。其衰變模式為子核）的過程。其衰變模式為 He42HeYX422AZAZHeThU422349023892特點：特點：1）質量數(shù)大于質量數(shù)大于

7、140140 2）粒子能量不連續(xù)，粒子能量不連續(xù)，核內能量量子化核內能量量子化現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 122022-6-412例如，一個鉀核衰變成鈣核的方程是例如，一個鉀核衰變成鈣核的方程是 衰變：衰變：原子核通過自發(fā)放射粒子而完成的原子核通過自發(fā)放射粒子而完成的衰變過程衰變過程特點：特點：1）出射電子的能量連續(xù)）出射電子的能量連續(xù) 2）相當于核中的中子轉變成質子）相當于核中的中子轉變成質子vAZAZeYX1veCaK40204019現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 132022-6-413衰變連續(xù)能譜 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 14202

8、2-6-414例如，鉈核發(fā)生的衰變例如，鉈核發(fā)生的衰變 衰變：衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核因發(fā)生躍遷而處于激發(fā)態(tài)的原子核因發(fā)生躍遷而釋放出釋放出 光子的過程光子的過程 特點：特點：1）出射光子的能量分立）出射光子的能量分立 2）核內部能量非連續(xù)）核內部能量非連續(xù)AZAZ XX*TlTl20881*20881現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 152022-6-415放射性: 然放射性、人工放射性 天然放射性元素的原子序數(shù)都大于81，并依次形成三個質量數(shù)分別為4n、4n+2和4n+3的放射系，即釷(Th)系、鈾(U)系和錒(Ac)系。唯有在人工放射條件下，才能見到質量數(shù)是4n+1的镎(Np

9、)放射系，原因是該系各原子核衰變得較快，以致無法長期存在。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 162022-6-416二、衰變速率 盧瑟福最早發(fā)現(xiàn)，釷元素放射強度大約1分鐘減弱為原來的1/2，而在2分鐘和3分鐘之內依次降低到原來的1/4與1/8；直至按時間平方反比規(guī)律衰減現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 172022-6-417衰變關系半衰期tNNddt eNtN0)(/T2ln2/1衰變規(guī)律總壽命00|d|NtNt平均壽命 1dd10000ttetNtNNt t現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 182022-6-418核物質的放射強度由該物質的放射性活度單

10、位時間內發(fā)生衰變的核的數(shù)量表示 tntneIeNNtNI00d|d| 放射性活度的單位為居里（Ci）110s107 . 3Ci1在我國放射性活度的法定單位是貝可勒爾(Bq)表示每秒衰變一次的計量 Bq107 . 3Ci110現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 192022-6-419三、原子核的組成三、原子核的組成 1) 由氫的原子核質子組成2）由質子和電子組成3）由質子與一種中性粒子中子組成 1919年，盧瑟福提出中子概念 1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子 nCHeHe101269442現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 202022-6-420 海森堡率先提出，質子和中子可

11、以通過交換電子而結合成原子核，其理論后果是導致相互作用的粒子交換機制，成為現(xiàn)代場論的思想基礎。 電子與核子的性質 ee現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 212022-6-421 原子核通常用符號 表示， 其中，具有相同質子數(shù)與相同中子數(shù)的核稱為同種核素，而具有相同質子數(shù)與不同中子數(shù)，以及具有不同質子數(shù)與相同質量數(shù)的核則分別被稱為同位素（如氫元素有三種同位素： 、 和 ）和同量異位素（如 和 等）。 XAZH11H21H31、H31He32現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 222022-6-422四、原子核的基本性質四、原子核的基本性質 1）原子核的電荷）原子核的電荷 +

12、Ze 天然存在的原子核 Z0，QN1 /kTEiiCeNkTEEe)(NN12123812 eNN現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1252022-6-4125四能級結構存在亞穩(wěn)態(tài) 激勵頻率連鎖輻射頻率 hEE)(14hEE)/-(2332現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1262022-6-4126*光學諧振腔現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1272022-6-4127激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響 激光的激光的特性特性使之在光學應用領域帶來了革命性的變化：使之在光學應用領域帶來了革命性的變化：方向性單色性相干性高亮度現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工

13、程技術Page 1282022-6-4128 四十多年來，激光器的品種迅速增加：四十多年來，激光器的品種迅速增加： 固體激光器固體激光器 半導體激光器半導體激光器 氣體激光器（氣體激光器（CO2激光、氦氖激光激光、氦氖激光）激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1292022-6-4129 準分子激光器準分子激光器 自由電子激光器自由電子激光器 x射線激光器射線激光器 金屬蒸氣激光器等。金屬蒸氣激光器等。 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術

14、工程技術Page 1302022-6-4130固體激光器固體激光器 以摻雜離子的絕緣晶體為工作物質 特點：輸出能量大，峰值功率高，結構緊湊牢固 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1312022-6-4131半導體激光器半導體激光器 以半導體為工作物質，將電能直接轉化為光能 特點：1）能量置換效率(50)高；2）無功熱量小、頻率穩(wěn)定性更好；3）結構簡單、壽命長?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1322022-6-4132現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1332022-6-4133氣體激光器 以氣體或蒸氣為工作物質 特點：輸出光束的質量好 ，功率大現(xiàn)代物理學

15、現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1342022-6-4134化學光器 以化學反應實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并進而產(chǎn)生受激輻射的激光器 特點：1）將化學能直接轉換成光能；2）寬輸出光譜；3）功率大 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1352022-6-4135 激光器的輸出水平不斷提高：激光器的輸出水平不斷提高： 中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脈沖體制從連續(xù)波、準連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖的激光。u連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達百萬焦耳以上；連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達百萬焦耳以上；u超短脈沖：納秒超短脈沖：納秒 皮秒皮秒 費秒費秒 阿秒阿秒 脈沖功率密度則可高達脈沖功率密度則

16、可高達1020瓦瓦/cm2以上以上。 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1362022-6-4136p輸出激光的頻率覆蓋著越來越廣的范圍：長至亞毫米（太赫茲）長至亞毫米（太赫茲）短至短至x射線射線激光也在探索中，分立的激光譜線達幾千條；激光也在探索中，分立的激光譜線達幾千條；p輸出激光的光束質量，好的可達近衍射極限。 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1372022-6-4137 激光應用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在激光應用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在 ：

17、 激光光譜技術比傳統(tǒng)的分辨率提高了百萬倍，靈敏度提 高了百億倍； 激光為信息技術開拓了豐富的頻率資源；激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響 布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎；網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎； 光存儲、激光全息、激光照排、打光存儲、激光全息、激光照排、打印及條碼掃描技術等，提供了全新印及條碼掃描技術等，提供了全新的多樣化的信息服務。的多樣化的信息服務。 可擦除小型光盤的刻錄母盤現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1382022-6-4138 激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度：

18、激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度： 在工業(yè)制造中可進行精確的切削和表面改性在工業(yè)制造中可進行精確的切削和表面改性 做精密的醫(yī)療手術做精密的醫(yī)療手術 作用于微型靶實現(xiàn)激光核聚變。作用于微型靶實現(xiàn)激光核聚變。激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1392022-6-4139 激光技術開辟了嶄新的軍事應用，包括：激光技術開辟了嶄新的軍事應用，包括：激光通訊激光通訊激光制導與測距激光制導與測距高能強激光武器高能強激光武器激光雷達激光雷達激光陀螺激光陀螺 激光技術與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響激光技術與工程的迅速發(fā)展及其

19、深刻影響ABLABL現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1402022-6-4140激光通訊激光通訊 傳輸信息量大、抗干擾、保密性強 多采用半導體激光器效率高、壽命長、體積小、質量輕、易調制現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1412022-6-4141激光制導與測距激光制導與測距現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1422022-6-4142激光測距現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1432022-6-4143激光武器現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1442022-6-4144激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展 非線性光

20、學成為一個重要研究領域：非線性光學成為一個重要研究領域：激光與介質（含大氣）相互作用時產(chǎn)生各種非線性效應的物理本質和規(guī)律。 產(chǎn)生的條件、特性、機理：產(chǎn)生的條件、特性、機理： 受激拉曼散射受激拉曼散射 自聚焦自聚焦 熱暈熱暈 光學和頻與倍頻光學和頻與倍頻 相干瞬態(tài)光學效應等相干瞬態(tài)光學效應等現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1452022-6-4145激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展 非線性光學材料非線性光學材料及非線性光學效應非線性光學效應的幾種應用：擴展激光的波長范圍擴展激光的波長范圍發(fā)展非線性光學相位共軛技術發(fā)

21、展非線性光學相位共軛技術光學雙穩(wěn)為研究非線性系統(tǒng)中的動力學行為提供實光學雙穩(wěn)為研究非線性系統(tǒng)中的動力學行為提供實用的手段；用的手段； 超短、超強激光超短、超強激光將對強場超快科學、相對論非線性物理、天體物理及宇宙學的研究提供新的手段和極端條件?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1462022-6-4146激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展 激光光譜學的高靈敏度和高分辨率： 可用于對物質的結構、能譜、瞬態(tài)的變化和微觀動力學進可用于對物質的結構、能譜、瞬態(tài)的變化和微觀動力學進行深入研究，進一步認識原子和分子的超精細結構，

22、更精行深入研究，進一步認識原子和分子的超精細結構，更精確地確定基本物理常數(shù)的數(shù)值；確地確定基本物理常數(shù)的數(shù)值； 1995年人們利用激光冷卻的辦法，在實驗室實現(xiàn)了愛因斯年人們利用激光冷卻的辦法，在實驗室實現(xiàn)了愛因斯坦坦1926年預言的年預言的Bose-Einstein凝聚；凝聚；Bose-Einstein凝聚態(tài)凝聚態(tài)現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1472022-6-4147 激光還在物理學與其它基礎科學的交叉學科研激光還在物理學與其它基礎科學的交叉學科研究中究中，發(fā)揮了巨大的推動作用發(fā)揮了巨大的推動作用 如化學物理學如化學物理學 生物物理學（以激光為手段的分子雷達成為生命生物物理

23、學（以激光為手段的分子雷達成為生命活細胞研究的工具就是一例）等活細胞研究的工具就是一例）等 激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展激光應用本身及其提供的研究手段又促進了物理學的發(fā)展 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1482022-6-4148三、量子技術及應用三、量子技術及應用 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1492022-6-4149量子隧道效應量子隧道效應 隧道效應的本質就是粒子對勢壘的穿越問題，對該問題的描述有兩種圖像：1）經(jīng)典運動圖像 由牛頓方程支配現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1502022-6-4150現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工

24、程技術工程技術Page 1512022-6-41512）量子運動圖像 由薛定諤方程支配現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1522022-6-4152勢函數(shù))()()(ax0,x0ax0VxV0運動模式現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1532022-6-4153量子隧穿 隧穿系數(shù) )222120Em(VaeACD現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1542022-6-4154掃描隧道顯微鏡 STM- Scanning Tunnelling Microscopt 在隧道效應的技術應用中，最具影響的是賓尼（Binnig）和羅雷爾（Rohrer）于1981年由研制成

25、的第 三 代 顯 微 鏡 掃 描 隧 道 顯 微 鏡現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1552022-6-4155 由量子力學可得隧道電流I與勢壘寬度d有如下關系： 其中是平均勢壘高度，A為常數(shù)。由上式可以看出隧道電流的大小與所加的操作電壓關系密切，在探針針尖到被測物表面的間距只有幾個原子間距時，隧道電流與此間距的關系非常敏感，STM就可以利用探針尖端和金屬表面間的隧道電流隨原子間距變化的性質探測金屬表面結構。 dAUeI現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1562022-6-4156 金屬探針受一壓電陶瓷驅動電壓控制，能夠沿x、y、z方向掃描移動 ，掃描可達范圍10-6

26、米，精度0.10.01 nm（納米）現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1572022-6-4157恒流模式 將一適當工作電壓加在探針與樣品之間，當探針在試樣表面作二維掃描過程中接入一反饋回路，反饋回路通過調整針尖的高度使隧道電流保持在一定的預設值上，記錄下控制探針高度的方向驅動電壓，測得試樣表面的形貌圖。現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1582022-6-4158恒高模式 斷開反饋回路，使探針在被測物表面作二維掃描，掃描過程中保持操作電壓及探針針尖高度均為固定值，當探針沿樣品表面掃描時，間隙是一個變量，而隧道電流是未知的函數(shù)，各點的隧道電流I反映了樣品表面的凸凹狀況。

27、 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1592022-6-4159 STM的隧道電流有56個數(shù)量級的變化，適于測量高度起伏不超過0.50.6nm的試樣表面。它的縱向分辨率已達到0.005nm，橫向分辨率已達到0.2nm，測量精度高。表面三維圖像可以直觀地顯示樣品表面原子結構。 由此可見，掃描隧道顯微鏡是研究固體表面原子結構的有力手段，也為探討表面吸附、催化和腐蝕等機理，以及利用表面效應制造新型器件提供了方便。掃描隧道探針不僅是觀察原子世界的工具，而且還可以用它進行微加工。當針尖與樣品間電壓大于5V時，相應能量足以引起表面原子遷移、鍵斷裂和一些化學反應。人們正是運用掃描隧道探針移動原子

28、，在硅片上形成原子排列而成金屬點、線，或在表面刻線、構圖。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1602022-6-4160現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1612022-6-4161STM的局限性與發(fā)展的局限性與發(fā)展盡管STM有著其他儀器不能比擬的諸多優(yōu)點，但由于儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現(xiàn)在以下兩個方面：1.在恒電流工作模式下， STM對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測，與此相關的分辨率較差。在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應遠小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測超細

29、金屬微粒擴散時，這一點顯得尤為重要。 2. STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對于半導體，觀測的效果就差于導體；對于絕緣體則根本無法直接觀察。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補掃描隧道顯微鏡的不足?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1622022-6-4162原子力顯微鏡 AFM- atomic force microscope 由賓寧等人于1986年發(fā)明，其原理是利用探針與樣品間的原子力（引力與斥力）隨距離變化的關系來測量樣品表面的形貌、彈性、硬度等性質，對各種材料均適用。現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1632022-6-4163AFM結構示意圖

30、現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1642022-6-4164光子掃描隧道顯微鏡 PSTM -photon scanning tunnelling microscope PSTM利用光子在探針材料與樣品表面間形成勢壘中的貫穿性質而獲得測量信息。分辨率可達納米量級?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1652022-6-4165激光冷卻與原子捕陷技術1975年提出概念，1985年首次實現(xiàn)。主要應用： 1）消除譜線的熱致展寬，提高了光譜學精度與靈敏度； 2）建立高精度的原子頻標，將原子鐘的精度提高兩個量級； 3）開辟原子、分子及光物理新領域； 4）制成能控制20nm10m尺度

31、的“光學鑷子”分子生物學、高分子聚合物現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1662022-6-4166 激光冷卻的基本思想是：運動著的原子在共振吸收迎面射來的光子后，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動量就減小，速度也就減小了。速度減小的值為 其減速效果相當 于重力加速度的 10萬倍hvMc現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1672022-6-4167 雙光束冷卻原子，此時原子將優(yōu)先吸收迎面射來的光子而達到多普勒冷卻的結果。現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1682022-6-4168三維激光冷卻 利用波長為589的黃光冷卻鈉原子的極限為240K，利用波長為852的紅外光

32、冷卻銫原子的極限為124K。但研究者們進一步采取了其他方法使原子達到更低的溫度。1995年達諾基小組把銫原子冷卻到了2.8的低溫，朱棣文等利用鈉原子噴泉方法曾捕集到溫度僅為24的一群鈉原子?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1692022-6-4169三維光阱與銣原子團發(fā)光照片現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1702022-6-4170原子阱技術 原子阱由兩個平行的電流方向相反的線圈構成，其中心磁場為0，并向四周不斷增強。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心時勢能最低，偏離中心時就會受到不均勻磁場的作用力而返回。這種阱曾捕獲1012個原子，捕陷時間長達12min。 現(xiàn)代物理

33、學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1712022-6-4171玻色愛因斯坦凝聚BEC BEC是玻色和愛因斯坦分別于1924年預言的，但長期未被觀察到。這是一種宏觀量子現(xiàn)象，指的是宏觀數(shù)目的粒子（玻色子）處于同一個量子基態(tài)。它實現(xiàn)的條件是粒子的德布羅意波長大于粒子的間距。在被激光冷卻的極低溫度下，原子的動量很小，因而德布羅意波長大于粒子的間距。同時，在原子阱內又可捕獲足夠多的原子，它們的相互作用很弱而間距較小，因而可能達到凝聚的條件。1995年果真觀察到了2000個銣原子在170n K溫度下和5個鈉原子在2K溫度下的玻色-愛因斯坦凝聚。 2022-6-4172三、廣義相對論與宇宙學三、廣義相

34、對論與宇宙學 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1732022-6-4173人類對宇宙的認識 大尺度范圍內物質分布均勻各向同性 宇宙學原理 1011星系=1022太陽= 1052kg 宇宙正在膨脹 哈勃定律 V=Hr 宇宙源于150億年前的一次大爆炸 大爆炸宇宙現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1742022-6-4174空間尺度：從極小到極大最遙遠星系銀河系鄰近恒星太陽地球人類細胞原子質子夸克1026 m10-20 m10-10 m100 m1010 m1020 m現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1752022-6-4175空間尺度（米）空間尺度（米）實

35、物實物10102626宇宙引力半徑宇宙引力半徑10102323星系團星系團10102020地球到銀河系中心的距離地球到銀河系中心的距離10101616地球到最近恒星的距離地球到最近恒星的距離10101111地球到太陽的距離地球到太陽的距離10109 9太陽的半徑太陽的半徑10108 8地球到月亮的距離地球到月亮的距離10106 6地球半徑地球半徑10103 3地球上高山地球上高山10100 0人的身高人的身高1010-5-5細菌細菌1010-8-8大分子大分子1010-10-10原子原子1010-15-15核子核子物質世界的空間尺度物質世界的空間尺度現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page

36、 1762022-6-4176現(xiàn)現(xiàn)代代物物理理學學的的研研究究對對象象，已已包包括括人人類類“感感知知”的的整整個個空空間間尺尺度度范范圍圍內內的的 物物 體體 ?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1772022-6-4177時間尺度（秒）時間尺度（秒）物質的運動周期、壽命物質的運動周期、壽命10101818宇宙年齡宇宙年齡10101717地球年齡地球年齡10101515恐龍絕滅恐龍絕滅10101414出現(xiàn)古人類出現(xiàn)古人類10101111人類文明史人類文明史10109 9人類的壽命人類的壽命10107 7地球公轉周期地球公轉周期10106 6月球的周期月球的周期10104 4地球自

37、轉周期地球自轉周期10100 0鐘擺的周期鐘擺的周期1010-3-3聲波的周期聲波的周期1010-6-6m m子的壽命子的壽命1010-8-8p p介子的壽命介子的壽命1010-16-16p p0 0介子的壽命介子的壽命1010-19-19S S0 0超子的壽命超子的壽命1010-25-25Z Z0 0（中間玻色子）的壽命（中間玻色子）的壽命物質世界的時間尺度物質世界的時間尺度現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1782022-6-4178現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1792022-6-4179人類在時間長河中是無比渺小的現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page

38、 1802022-6-4180今天的物理學 今天人類認識的物質世界 20世紀：物理學的黃金時代 相對論 量子力學 物理學的新發(fā)展以及面臨的困難 物理與技術現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1812022-6-4181廣義相對論的誕生 正在人們忙于理解狹義相對論時，愛因斯坦正接近完成廣義相對論。1916年，愛因斯坦在老同學格羅斯曼的幫助下，運用黎曼幾何完成了廣義相對論的最終形式。在這個理論中，引力是被考慮的主要問題?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1822022-6-4182現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1832022-6-4183狹義相對論遺留的問題

39、一方面，狹義相對論是針對慣性參照系而專門設計的，它既已強調力學與電磁學運動規(guī)律在所有慣性系中成立，卻無法為自己找到一個嚴格意義上的慣性系，因為真實的情況是這種參照系根本就不存在。比如，地球要時刻圍繞太陽運轉，而太陽又不斷受到來自銀河系中心的吸引作用，即便是對于規(guī)模更大的銀河系，也無時不在進行著一系列復雜的運動。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1842022-6-4184 另一方面，作為牛頓力學重要組成部分的萬有引力理論，人們卻無法從根本上將其改造成為符合洛侖茲變換需要的數(shù)學形式。原因是，在牛頓萬有引力定律中所出現(xiàn)的用于決定引力大小的量，如質量與質點間距離等，都理所當然地被定義成

40、為具有絕對意義的坐標變換不變量然而依照狹義相對論的觀點，這些量并不具有坐標變換下的不變性，因此牛頓萬有引力理論必須得到修改。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1852022-6-4185 廣義相對論是狹義相對論的自然延伸，也是對牛頓引力理論的卓有成效的發(fā)展。廣義相對論強調，不僅物理規(guī)律在所有參照系中都應當具有同樣的表現(xiàn)，而且物質的存在也必然會引起時空幾何的變化，并由此造成引力作用的根本原因。所以說，廣義相對論本質上是一種引力理論，是對狹義相對論在包含引力作用條件下的有效推廣，目的在于給出一般運動意義下引力源所產(chǎn)生的動態(tài)引力場結構，而牛頓引力理論則不過是刻畫了其中一個特殊的靜態(tài)結果

41、，即靜態(tài)的引力場。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1862022-6-4186廣義相對論原理廣義相對論原理 要解決慣性系問題以及引力問題，首先必須將包括慣性系和非慣性系在內的一切參照系視為等同，尤其要突出它們在描述物理規(guī)律方面應該具有平權的意義；其次是將牛頓引力理論推廣為新型的引力理論。 1）廣義相對性原理：廣義相對性原理：一切物理定律在任何參考系中都應當具有相同的形式?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1872022-6-41872）等效原理：等效原理：在一個局域范圍內，不可能通過實驗來區(qū)分引力與慣性力，它們是等效的。 引力場與加速場等效現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技

42、術工程技術Page 1882022-6-4188加速電梯中的觀察者，無法斷定電梯究竟是處于重力作用下還是在加速上升，因為這意味著，物體在重力場與非慣性系中將會擁有同樣的運動性質。可見，愛因斯坦電梯在揭示運動規(guī)律方面已完全體現(xiàn)出了與伽利略薩爾維阿蒂大船的異曲同工之妙 。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1892022-6-4189 在牛頓力學看來引力質量與慣性質量的相等完全只是一種巧合，其中并沒有什么特別的含義。然而在愛因斯坦眼里，這種相等性質卻包藏著極為深刻的物理內容，至少，從它身上可以直接導出引力和慣性力對物理過程的影響具有不可區(qū)分性的推論。當然，正是由于認識到引力加速度僅僅取

43、決于引力場分布，而與運動物體固有屬性無關的事實，才使愛因斯坦最終決定要利用物質分布對時空幾何的影響來描述引力場的性質。這樣一來，按照愛因斯坦的定義，慣性系不僅是指狹義相對論成立或引力為零的參考系，同時還包括那些在局域引力場中建立于自由落體之上的參照系，簡稱局部慣性系。重要的是，這些局部慣性系的運動時空能夠反映引力場的時空幾何性質，應該說，愛因斯坦就是以此確立廣義相對論的理論框架的。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1902022-6-4190廣義相對論時空觀廣義相對論時空觀 從數(shù)學上看，適用于平直空間中的幾何為歐幾里德（Euclid）幾何，簡稱歐氏幾何。歐氏幾何表現(xiàn)出了許多人所共

44、知的特點，如兩點間直線距離最短，兩條平行線永不相交，三角形內角和等于等。然而，彎曲空間卻不具有這些性質，例如在球面上定義的兩點間最短距離為大圓弧距離，而兩條平行線也會自然相交于一點，因此彎曲空間幾何又被稱為非歐幾何?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1912022-6-4191彎曲空間 PNM現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1922022-6-4192 圓周率對空間幾何屬性的判斷 從較大范圍來看，彎曲空間將突出表現(xiàn)為非歐幾何的特征。此時連接兩點的最短路徑（簡稱短程線）已不再是直線，而是曲線。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1932022-6-4193

45、揭示彎曲空間幾何性質的簡單方法是研究光線的行走軌跡，因為它代表了空間幾何的短程線 a 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1942022-6-4194 如果將場中自由落體參照系視為局部慣性系，則從這種局部慣性系的觀點來看，不僅時鐘會有所變慢，同時徑向尺度也會發(fā)生收縮，并且引力越強其帶來的效應就越顯著。據(jù)此，廣義相對論便成功地將物質分布與時空性質聯(lián)系在一起，從而為人們認識和分析引力的性質奠定了理論基礎。 廣義相對論的驚人創(chuàng)舉在于它對物體運動提出了一種極富革命精神的觀點，強調物體之所以要在引力場中沿彎曲軌道運動，原因并非是由于受到引力的作用，而是空間幾何性質使然。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工

46、程技術工程技術Page 1952022-6-4195廣義相對論所揭示的引力作用的時空彎曲圖像 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1962022-6-4196廣義相對論的實驗驗證 引力紅移 水星進動 光線偏折現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1972022-6-4197引力頻移 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1982022-6-4198水星軌道近日點的進動 廣義相對論的回答： 43/百年 5600.73 0.41/百年，（觀測） 5557.62 0.20/百年，（牛頓力學計算） 43的進動無法解釋現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 1992022

47、-6-4199光線偏折現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2002022-6-4200黑洞物理現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2012022-6-42016、致密星、致密星 致密星包括： 白矮星 中子星 黑洞 它們都是恒星晚期演化的最終產(chǎn)物，即為恒星燃燒完其內部核燃料后的歸宿。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2022022-6-42021）白矮星 如果一個恒星質量小于l.4M ，其電子簡并壓就可以抗衡引力，從而阻止恒星的進一步坍縮。此時，星體表面溫度高達5104K，發(fā)出白色光，半徑通常只有5103km。白矮星的密度最高可達每立方米1百萬噸,而光度僅有太陽

48、光度的十分之一到千分之一。一般來說，質量為0.5M 的恒星，在氫聚變結束后，由于質量太小而無法繼續(xù)點燃由氦到碳的聚變反應，將直接變成白矮星。只有質量接近l.4M 的恒星，才會在核物質聚變?yōu)樘己脱踔笱莼癁榘装?。目前，人們已觀測到的白矮星大約有幾千顆，量為lM 的白矮星其壽命大約為幾十億年。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2032022-6-42032）中子星）中子星 當質量大于1.4M 時，白矮星將繼續(xù)坍縮，并不斷使自身的密度和溫度增加。特別是當溫度和壓力達到足夠高的時候，其內部原子核中的大部分質子將轉化為穩(wěn)定的中子，直至形成所謂的中子星。研究表明，中子星的表面溫度可以達到l

49、000萬度，而中心溫度則更是高達100億度 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2042022-6-4204脈沖星輻射機制的探照燈模型 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2052022-6-4205 中子星的表面引力是地球的31011倍，潮汐力是地球的2.5106倍，逃逸速度每秒2105公里。中子星外層密度高達每立方米1千億噸，內部密度每立方米1兆億噸，剛性比鋼大l018倍。中子星由中子和少量的質子、電子組成，其中，中子極有可能處于超流狀態(tài)。中子星的核心處是約有1km范圍的固體核，因此，中子星完全可以看作超巨型的原子核。例如，如果太陽形成中子星，其半徑將縮至10km。 現(xiàn)

50、代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2062022-6-42063）黑洞 當超新星爆發(fā)后其剩余質量大于3.2 M 時，其中任何壓力也根本無法抵抗引力作用，此時天體最終將不可避免地坍縮成黑洞。例如，如果太陽形成黑洞，其半徑將變得更小，只有區(qū)區(qū)的3km。由于黑洞表面的引力極強，其逃逸速度已超過光速，因此任何處于黑洞表面的粒子，哪怕是以光速運動的光子，也無法逃脫黑洞的吸引。結果在外部觀測者看來，黑洞就成了名副其實的深不可測的無底洞，故而被稱為黑洞。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2072022-6-4207由于黑洞表面的引力極強，其逃逸速度已超過光速，因此任何處于黑洞表面的粒

51、子，哪怕是以光速運動的光子，也無法逃脫黑洞的吸引。結果在外部觀測者看來，黑洞就成了名副其實的深不可測的無底洞，故而被稱為黑洞。說到黑洞，其實早在200多年前，英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾經(jīng)根據(jù)牛頓力學作出過預言，當天體半徑小于某個極限時，其引力場強大得足以捕獲它所發(fā)出的任何光線，以致形成一種看不見的所謂黑洞。l939年，奧本海默等人在廣義相對論基礎上，又進一步預言了黑洞的存在。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2082022-6-4208黑洞物理22cGMrS現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2092022-6-4209史瓦西黑洞史瓦西黑洞 史瓦西半徑所對應的球面

52、其實就是一個只進不出的“單向膜”；當天體的物質集中到這一單向膜內的時候，該天體就會成為看不見的“暗星”，因為天體發(fā)出的光子能量會由于引力紅移效應而趨于零。史瓦西半徑所代表的面也叫無限紅移面或視界。這樣，對于遠在史瓦西半徑之外的觀測者而言，他實際上將探測不到任何球內的光學信息，從而使天體表現(xiàn)為真正意義上的史瓦西黑洞。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2102022-6-4210克爾黑洞克爾黑洞 史瓦西黑洞是靜態(tài)球對稱、不帶電的大質量恒星坍縮而成的 。克爾-紐曼解是最一般的穩(wěn)態(tài)軸對稱解。該解只需要由3個參量，即質量、角動量J和電荷Q表征。當Q=0，但J0時，為不帶電的旋轉時空，即克爾

53、時空；當J=0，但Q0時，為帶電的靜態(tài)時空，即瑞斯納-諾德斯托時空；當J=0，Q=0時，則退化為史瓦西時空?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2112022-6-4211黑洞的性質黑洞的性質 早期宇宙以及恒星演化的研究結果使人們相信，黑洞在宇宙中不僅完全有可能存在，而且質量也有可能千差萬別；其中，大黑洞的質量相當于50億個太陽，而小黑洞的質量則只有幾億噸，大約相差28數(shù)量級。這樣，按照質量大小可將黑洞劃分為3種類型： 1)巨型黑洞巨型黑洞 球狀星團中心存在著的黑洞，其質量應該球狀星團中心存在著的黑洞，其質量應該在在102104 M 之間。之間。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術

54、Page 2122022-6-4212 2)恒星級黑洞恒星級黑洞 當恒星演化到晚期之后，如果剩余質量仍大于奧本海默極限(MM )，其最終結局就只能變成恒星級黑洞。這種黑洞是目前天文觀測中尋找黑洞的重點候選。 3) 微型黑洞微型黑洞 理論研究表明，微型黑洞主要產(chǎn)生于宇宙早期。當時溫度很高，熾熱致密的介質中可能會因為密度擾動而使一些小質量團塊被擠壓成原初微型黑洞?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2132022-6-42131）黑洞）黑洞奇性定理 任何質量超過中子星上限的天體，不管它是否具有嚴格的對稱性，其最終歸宿都必將形成黑洞。奇性定理最初是為了證明黑洞形成的必然性而提出的，但它的意

55、義卻遠遠超出了這一出發(fā)點。在奇性定理的證明過程中，奇點被視為時間開始與結束之處；例如，黑洞的奇點被視為時間的“終點”，白洞的奇點和大爆炸的初始奇點都被視為時間的“起點”。因此，奇性定理實際上已經(jīng)證明：真實的時間一定有開始，或者一定有結束，或者既有開始又有結束。 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2142022-6-42142)黑洞無毛定理黑洞無毛定理 黑洞無毛定理由美國物理學家卡特于1973年提出，目的在于強調宇宙中的天體一旦坍縮成黑洞，其原本帶有的絕大部分信息都將丟失，只留下質量、電荷和角動量3個描述參量。毫無疑問，這里所謂的無毛就其實質也無非是指描述黑洞的信息參量較少，僅有為數(shù)

56、不多的3個指標而已。按照無毛定理，不管天體之前的密度、體積以及物質結構如何，但只要坍縮成具有相同質量、電荷與角動量的黑洞，那么它們便表現(xiàn)不出任何差別。結果，人們不僅不可能知道一個黑洞是由什么樣的天體坍縮而成的，同時也不可能知道它形成黑洞前的化學組成和物質結構?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2152022-6-42153) 黑洞視界面積不減定理黑洞視界面積不減定理 1971年英國物理學家霍金證明，在任何過程中黑洞的視界面積將永不減少，這就是著名的視界面積不減定理。對于史瓦西黑洞而言，其視界面積可以表達為 顯然，當兩個史瓦西黑洞碰撞合并成一個大黑洞時，其視界面積將會增加；可見，黑洞

57、的合并符合視界面積不減定理。然而反過來，當黑洞分裂時，由于其視界面積要減小，因而這種過程是不可能發(fā)生的。422164cMGrAg現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2162022-6-42164)黑洞的霍金輻射黑洞的霍金輻射 1973年貝肯斯坦指出，黑洞視界面積實際上代表捉著黑洞的熵，因而視界面積不減定理的實質就是熱力學第二定律在黑洞物理中的體現(xiàn)。1974年霍金發(fā)現(xiàn)，黑洞可以通過量子過程產(chǎn)生熱輻射，即霍金輻射，從而使自身的質量減少?；艚饛娬{，按照量子場論對于能量最低狀態(tài)的真空必然存在著漲落，并不斷產(chǎn)生各種虛的正負粒子。在進入黑洞之后，負能粒子將按順時運動落向奇點，從而使黑洞的質量減少

58、。這相當于正能粒子逆著時間從黑洞內部穿過視界，再順著時間向無窮遠處運動，于是就產(chǎn)生了霍金輻射， 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2172022-6-4217霍金輻射機制 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2182022-6-4218 4) 現(xiàn)代宇宙學 *河外星系與哈勃定律的發(fā)現(xiàn) *廣義相對論與現(xiàn)代宇宙學 大爆炸理論宇宙源于一次大爆炸 *現(xiàn)代宇宙學的驗證： 哈勃退行、微波背景輻射、元素豐度現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2192022-6-4219仙女座星系，距離300萬光年現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2202022-6-42201哈勃紅

59、移哈勃紅移 1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)，所有河外星系都在退行，退行速度與距離之間成正比，即距離越遠的星系其退行速度也越大哈勃定律。哈勃定律打破了靜態(tài)宇宙觀念，將一個膨脹宇宙展現(xiàn)在人們面前。如果能夠相信目前的宇宙正處于一種膨脹的過程，那么，沿著時間軸的反方向推想開來，宇宙從前必然曾經(jīng)經(jīng)歷過一個尺度極小的聚集狀態(tài)?；蛘哒f，我們今天生活的宇宙就是由那樣一個極小尺度的宇宙演化而來的。這便是現(xiàn)代宇宙學的思想根源?，F(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2212022-6-4221現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 2222022-6-4222現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學工程技術工程技術Page 223

60、2022-6-42232微波背景輻射微波背景輻射 1948年伽莫夫(Gamow)便從理論上對宇宙的產(chǎn)生歷史作出論斷，認為現(xiàn)代宇宙應該起源一次無與倫比的大爆炸。據(jù)此，他甚至計算出了宇宙原始“火球”因膨脹冷卻而在今天留下的背景輻射場的溫度，即大約10K左右。1965年微波背景輻射被彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)一種溫度大約相當于3.5K的微波輻射信號。這種奇怪信號不僅與天線的取向無關，而且與地球的位置以及運轉也毫無關系，是一種彌散于全部空域的熱噪聲輻射，即微波背景輻射。迪克(Dick)等人，正作手開展尋找由伽莫夫預言的宇宙大爆炸殘存背景輻射的工作。在得知彭齊亞斯與威爾遜的發(fā)現(xiàn)之后，迪克便立即斷言，他們所探測