物理學(xué)與宇宙觀

物理學(xué)與宇宙觀第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）宇宙整體：在物理學(xué)和天文學(xué)中，常把宇宙與總星系等同看待即銀河系及河外星系的總稱。目前可測的宇宙范圍約1.5×1010(150億)光年，是人類認(rèn)識(shí)所能到達(dá)的范圍。天文學(xué)觀測表明，宇宙中的物質(zhì)分布有強(qiáng)烈的結(jié)團(tuán)性，從而形成了行星、恒星、星系、星系團(tuán)。在太陽周圍約十萬光年的范圍內(nèi)聚集大約1011顆恒星，即銀河系。在銀河系外，還有大量光點(diǎn)，它們并非恒星，而是類似銀河系的恒星集團(tuán)（星系）。星系的形狀各不相同，有球型的，橢球型的，旋渦型的，棒旋型的，還有許多稀奇古怪的不規(guī)則型。球形星系漩渦星系棒旋星系第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月在108光年的宇觀尺度下，宇宙物質(zhì)的分布是均勻和各向同性的。宇宙很簡單，是以星系為“分子”組成的“均勻氣體”。好比一箱密度均勻的氣體，盡管原子的質(zhì)量集中在很小的原子核上，但從宏觀上看，氣體的分布是均勻的。按宇宙學(xué)原理，所有星系都是平權(quán)的，宇宙沒有中心。銀河系是一個(gè)包含1011個(gè)恒星的龐大的“旋渦星系”，恒星分布象一個(gè)扁平的鐵餅，直徑約７萬光年，中間凸起部分直徑約１萬光年，外部由幾條旋臂構(gòu)成，我們的太陽位于離銀心約２.５萬光年的一條旋臂上。第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽系以太陽為中心，周圍有九大行星繞其轉(zhuǎn)動(dòng)，從里到外依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。行星周圍還有衛(wèi)星繞其轉(zhuǎn)動(dòng)。行星運(yùn)行軌道為橢圓，繞太陽公轉(zhuǎn)，大體上在一個(gè)平面上且公轉(zhuǎn)方向一致。除金星外，都以同一方向自轉(zhuǎn)。太陽系圖太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的９９.８％。太陽周圍還有數(shù)千個(gè)小行星、彗星。人類所在的星球—地球從屬于太陽系。人類能夠幸運(yùn)地出現(xiàn)和生存在地球上，主要因?yàn)椋海ǎ保┑厍螂x太陽的距離適當(dāng)，近則太熱，遠(yuǎn)則太冷。（２）地球大小適當(dāng)，引力能維系著厚度適當(dāng)?shù)拇髿馊Α５?頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月２．宇宙在膨脹從1909年到1914年間，美國天文學(xué)家斯里弗發(fā)現(xiàn)來源于大多數(shù)星云的光譜都有紅移。1929年，美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)：所有星系的光譜都存在“紅移”，且紅移的大小與星系離我們的距離成正比。即所有星系都在飛快地遠(yuǎn)離我們而去，退行速度v與星系離我們的距離R成正比即v=HR。這一結(jié)論稱為哈勃定律，H叫哈勃常數(shù)。什么是“紅移”？觀察遠(yuǎn)方星系發(fā)出的光譜，比地球上同種物質(zhì)的光譜的波長要長，這種波長變長的現(xiàn)象稱為“紅移”。第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)波源遠(yuǎn)離觀測者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測者接收的頻率將變低（波長變長—紅移）。星系的光譜紅移說明它們正在遠(yuǎn)離我們而去。那么，哈勃定律則給出了一幅宇宙正在膨脹的圖景。3．宇宙的年齡與大小膨脹使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨脹必有一個(gè)密度非常大的起點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)在的膨脹速度，可以推斷這種起點(diǎn)出現(xiàn)在大約100—200億年前，這就是宇宙的年齡。宇宙到底有多大？人類能探索的只能是光信號(hào)能送達(dá)我們的那些星系。因此，即使宇宙的確是無限的，但可觀測的宇宙是有限的，這種有限的大小約150億光年。第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2宇宙的起源與演化如果宇宙正在膨脹，回溯過去，整個(gè)宇宙必定壓縮在一個(gè)極小的范圍里，然后在某個(gè)時(shí)刻發(fā)生了一次“大爆炸”，啟動(dòng)了宇宙膨脹。1948年，俄裔美國物理學(xué)家伽莫夫等人建立了“大爆炸宇宙論”，認(rèn)為宇宙始于150億年前的一個(gè)密度極大、溫度極高的“原始火球”，那時(shí)既沒有原子和分子，更談不上恒星和星系，隨著宇宙空間不斷膨脹，密度減少（現(xiàn)在的密度約10-27千克/立方米），溫度下降（目前絕對(duì)溫度3開左右），在這個(gè)過程中發(fā)生了一系列相變，宇宙間的萬事萬物就是在這個(gè)不斷膨脹冷卻的有限時(shí)間里形成的。

所謂大爆炸，并非發(fā)生在三維空間中的一次爆炸，物質(zhì)向虛無空間飛散，而是空間本身的膨脹。第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月大爆炸宇宙模型能解釋最多的觀測事實(shí)，而且至今還沒有觀測事實(shí)與它矛盾，因而被公認(rèn)為宇宙演化的標(biāo)準(zhǔn)模型。所謂宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型是指以宇宙大爆炸模型為基礎(chǔ)，結(jié)合粒子物理、核物理、相對(duì)論、量子物理知識(shí)對(duì)宇宙起源和演化的一種解釋。大爆炸模型所描述的宇宙演化過程大致如下:（1）大爆炸宇宙開始于一個(gè)奇點(diǎn)，溫度無限高，密度無限大，t=0時(shí)刻發(fā)生大爆炸。在大爆炸后到10-44秒（稱為普朗克時(shí)間）的宇宙極早期，只存在量子引力，量子效應(yīng)起主要作用，四種相互作用統(tǒng)一即只有一種力。爆炸是如何從一個(gè)奇點(diǎn)狀態(tài)開始的，尚不清楚。宇宙的故事只能從10-44秒開始，此時(shí)宇宙的溫度高達(dá)1032開，密度是1093千克/立方米。這時(shí)的宇宙極其簡單而對(duì)稱，10-44秒標(biāo)志經(jīng)典宇宙的開始。第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）最初半小時(shí)

在10-44秒時(shí)發(fā)生了超統(tǒng)一“相變”，引力首先從統(tǒng)一的力中分化出來，其余三種力即弱、電磁和強(qiáng)相互作用力仍然是統(tǒng)一的。10-35秒時(shí)，溫度降到1028開，宇宙半徑約3毫米，從10-35—10-33秒，宇宙經(jīng)歷了一次暴漲過程，其直徑在10-32秒內(nèi)增大了1050倍，引起了數(shù)目驚人的粒子的產(chǎn)生。由于強(qiáng)力、弱力、電磁力的統(tǒng)一，所產(chǎn)生的粒子也不可區(qū)分(如夸克和輕子可以相互轉(zhuǎn)變)。暴漲過后，宇宙繼續(xù)膨脹，強(qiáng)力、弱力、電磁力逐漸分化。首先是強(qiáng)作用分離出來具有分?jǐn)?shù)電荷的原來自由的夸克和反夸克迅即結(jié)合成核子及其他強(qiáng)子以及它們的反粒子,宇宙演化到強(qiáng)子時(shí)代.第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月然后弱電相變發(fā)生，電磁作用和弱作用分開，“夸克禁閉”出現(xiàn),此時(shí)宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。10-6秒時(shí),溫度降到1013開，此時(shí)各種粒子處于不斷的碰撞、轉(zhuǎn)化、湮滅過程之中。宇宙繼續(xù)膨脹、冷卻，數(shù)目巨大的核子與反核子大量湮滅，產(chǎn)生大量的光子、中微子、反中微子。核子及所有的重子在宇宙創(chuàng)生10-6秒后，在數(shù)量上大大減少了，這時(shí)電子、正電子、中微子和光子主宰著宇宙，宇宙進(jìn)入了輕子時(shí)代。

到1秒時(shí)，溫度下降到1010開，此后正負(fù)電子大量湮滅，產(chǎn)生大量光子、中微子、反中微子，只剩下少量的電子。第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月約在1分鐘時(shí)，溫度降到109開，宇宙進(jìn)入輻射時(shí)代，宇宙的主要成分是光子和中微子。由于弱力比電磁力小得多，只參與弱作用的中微子最先“脫耦”，此后中微子自由運(yùn)動(dòng)，很少與其它粒子作用。目前的一種看法是，假如中微子有微小質(zhì)量，則它們可能是宇宙中大量不發(fā)光的暗物質(zhì)。

以后幾分鐘內(nèi)，重要的事件—核聚變反應(yīng)開始，中子與質(zhì)子碰撞形成氘核并放出γ光子，不穩(wěn)定的氘核再結(jié)合成穩(wěn)定的氦核。半小時(shí)后，宇宙膨脹，溫度大大降低，各種粒子在相互碰撞中由于能量不夠，核聚變反應(yīng)停止（直至幾百萬年后，核聚變反應(yīng)再在恒星內(nèi)部發(fā)生），自然界各種粒子的豐度（質(zhì)量百分比）從此遺留下來保持到現(xiàn)在?，F(xiàn)今宇宙中可見的主要物質(zhì)是氫和氦。在各種天體上，氫與氦含量之比大致相同，質(zhì)量比大致約75：25。第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）隨后一百萬年

半小時(shí)后，宇宙中有比其它粒子數(shù)大109倍的光子，當(dāng)時(shí)的宇宙是光子的海洋。由于這時(shí)溫度仍然很高，光子有足夠的能量擊碎任何短暫形成的原子。隨著宇宙膨脹，約經(jīng)過一百萬年,這些由爆炸初期產(chǎn)生的光子的能量已不足以擊碎或激發(fā)原子。宇宙此時(shí)進(jìn)入了退耦代,光子和原子及其它粒子相分離,宇宙對(duì)光子變得透明。而光子在太空中游戈，能量不斷減少，自身保持黑體輻射譜并隨著宇宙膨脹而一直冷卻到今天的2.75開溫度，波長相當(dāng)于微波。這就是宇宙微波背景輻射。

宇宙年齡100萬年后，溫度降到3000開，原子開始形成，但只能產(chǎn)生較輕的元素(較重的元素在以后的恒星內(nèi)部形成)。此時(shí)，宇宙開始物質(zhì)為主宰的時(shí)代。

第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月大約在距今50億年之前，宇宙中大量的氫和氦在引力作用下，凝聚成了星系、恒星、行星，后出現(xiàn)人類。宇宙從大爆炸演化至今約經(jīng)過150億年。但是大爆炸以前的宇宙是什么樣子？時(shí)間是否該從大爆炸時(shí)刻算起？等等，都有待于探索而不易回答。上述大爆炸宇宙模型之所以被科學(xué)界較普遍接受，是由于它得到了一系列觀測事實(shí)的支持：（1）關(guān)于天體的年齡按宇宙大爆炸理論推算宇宙年齡在100—200億年之間。目前通過各種方法測得天體的年齡大約在50—110億年之間，與宇宙大爆炸理論大體相符。第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）關(guān)于宇宙微波背景輻射

伽莫夫曾經(jīng)預(yù)言，顯示100多億年前大爆炸遺跡的光子至今存在于太空之中，宇宙間充滿著具有黑體輻射譜的殘余輻射，其波長約1mm，溫度在5開左右。觀測結(jié)果與伽莫夫的預(yù)言基本相符。

（3）關(guān)于氦的豐度大爆炸宇宙理論給出氦元素基本上是在大爆炸后幾分鐘宇宙溫度為109開時(shí)由質(zhì)子的聚變形成的，由此可算出反應(yīng)產(chǎn)生的氫和氦的質(zhì)量比約為75：25，半小時(shí)后以大致相近的比例保持到現(xiàn)在。實(shí)測的氦的豐度在不同天體上大致相同且約為30%。第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月需要指出的是，大爆炸理論雖然得到了重要的觀測支持，但也有不少觀測與理論不符，于是就有其他的宇宙演化理論。原蘇聯(lián)科學(xué)家林德就提出了“混沌暴漲論”，認(rèn)為存在由一個(gè)許多不同步發(fā)展的宇宙組成的大宇宙，而我們所在的這個(gè)大約一百多億光年的宇宙只不過是眾多不同性質(zhì)的小宇宙之一。人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)在不斷地發(fā)展著。第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3星系、恒星的起源與演化現(xiàn)時(shí)宇宙存在著星系團(tuán)、星系和恒星。該結(jié)構(gòu)是如何形成的？比較流行的觀點(diǎn)是“引力不穩(wěn)定理論”。大約在宇宙年齡100萬年時(shí)，物質(zhì)與光子分離形成了由中性原子構(gòu)成的宇宙彌散氣體(主要是氫、氦等中性原子)，其中總存在微小的密度漲落，即一些小區(qū)域的物質(zhì)密度稍高于別處。這個(gè)小區(qū)域由于引力將吸引更多的物質(zhì)使自己的密度增加。另外，由于內(nèi)部的物質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)之中，因而存在內(nèi)部壓強(qiáng)。內(nèi)部壓強(qiáng)則與引力作用相反，趨向于使高密度區(qū)域分裂。第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

所謂引力不穩(wěn)定，指的是物質(zhì)區(qū)域的自引力超過內(nèi)部壓力而使區(qū)域密度增加的過程。這樣的區(qū)域尺寸大于某一臨界尺寸，內(nèi)部引力作用將大于內(nèi)部壓力作用，從而成為凝聚中心，宇宙物質(zhì)將凝聚收縮成原星系。原星系聚集在一起形成等級(jí)式結(jié)構(gòu)的星系集團(tuán)。與此同時(shí)，原星系本身又自行坍縮、出現(xiàn)碎裂，因碎裂出現(xiàn)的團(tuán)塊將演化成千千萬萬個(gè)恒星。這種過程是漫長的，要經(jīng)過幾十億年的時(shí)間。

第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

星云是星際彌散物質(zhì)凝成的團(tuán)塊（質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)千倍以上），團(tuán)塊因引力而收縮，體積變小，密度增大，聚成球狀，溫度上升到一定階段，向外發(fā)射不可見的紅外線。一般認(rèn)為恒星由星云收縮而成。演變經(jīng)歷原恒星（幼年）——主序星（中年）——紅巨星（老年）——白矮星、黑矮星（質(zhì)量小于太陽質(zhì)量8倍的恒星）；超新星、中子星（質(zhì)量為太陽質(zhì)量8—50倍的恒星）；黑洞（原始質(zhì)量更大的恒星）當(dāng)星云中心密度增加到一定程度，中心部分逐漸變得不透明，熱量不易外逸，溫度急劇上升。第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)中心溫度達(dá)到2000開時(shí)，氫分子開始變成原子，吸收大量熱量，使壓力驟減，抵不住引力，因而中心崩陷為體積更小、密度更大的內(nèi)核。外圍形成一股強(qiáng)大的星風(fēng)，速度達(dá)每秒幾百公里,將驅(qū)散外圍物質(zhì)。全部的星周物質(zhì)逐漸消失后，恒星便漸漸顯露面目，亮度上升。以后進(jìn)入慢收縮，溫度繼續(xù)上升。中心溫度升到700萬度以上時(shí)，便發(fā)生氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)。核反應(yīng)所產(chǎn)生的輻射壓力與引力平衡時(shí)，恒星的體積和溫度不再明顯變化，進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定階段，成為一顆正常的恒星，叫主序星。恒星從星云團(tuán)塊過渡到主序星的收縮階段的天體叫原恒星，原恒星階段經(jīng)歷的時(shí)間約數(shù)千萬年到幾億年不等。主序星階段是恒星的壯年期。恒星的光和熱是靠燃燒自己的核燃料提供的。第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)恒星中心區(qū)的氦質(zhì)量約占到整個(gè)星體質(zhì)量的12%時(shí)，恒星結(jié)構(gòu)會(huì)明顯變化，開始離開主序。這時(shí)恒星的外殼仍有豐富的氫燃料。緊靠核心的包層的溫度升高到1000萬開，氫燃燒轉(zhuǎn)移到那里進(jìn)行。從而加熱周圍的殼層，引起包層膨脹，星體半徑增大上百倍，有效溫度降低，成為又紅又大的紅巨星（進(jìn)入了老年期）。在紅巨星的中心，氫已經(jīng)燃燒完，變成一個(gè)氦核。輻射壓力沒有了，它將在引力作用下進(jìn)一步收縮，溫度又急劇上升。如果溫度高到上億開，又誘發(fā)氦核合成碳核的核反應(yīng)，類似的過程繼續(xù)下去，還將合成氧、硅等越來越重的元素，直到最穩(wěn)定的鐵為止。

在恒星生命即將結(jié)束的時(shí)候，它以爆發(fā)的方式拋出含有重元素的氣體和塵粒，這些氣體和塵?？赡苁菢?gòu)成新一代恒星的原料之一。

第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

據(jù)認(rèn)為，太陽的年齡已有約50億年，它是由大爆炸產(chǎn)生的原始?xì)怏w及前代恒星爆炸拋射到空間的物質(zhì)凝聚而成。在形成時(shí)期，圍繞著中央原恒星旋轉(zhuǎn)的冷的氣塵會(huì)坍縮成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的薄盤，這些物質(zhì)通過相互吸引碰撞粘合，最后形成小行星、大行星、衛(wèi)星等各種天體包括地球。大約50億年后，當(dāng)太陽核心的氫燃燒光時(shí)，它的膨脹會(huì)使水星化為蒸汽、金星的大氣被吹光、地球的海洋沸騰。然后還會(huì)繼續(xù)膨脹，并把地球吞滅。

恒星的最終歸縮與其初始質(zhì)量有關(guān)。初始質(zhì)量小于太陽質(zhì)量8倍的恒星最終將成為白矮星。白矮星直徑只有幾千公里，但密度非常高（比地球上金屬的密度還要高數(shù)萬倍），溫度也非常高，使其表面呈白熱化狀態(tài)。白矮星在發(fā)出輻射的同時(shí)，逐漸冷卻,數(shù)億年后將變成棕矮星，最后變成黑矮星。

第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

質(zhì)量為太陽質(zhì)量8—50倍的恒星在核燃料耗盡后會(huì)發(fā)生極猛烈的爆炸，外層物質(zhì)向星際空間猛烈拋射，在短短幾天內(nèi)亮度驟增千萬倍甚至億倍，稱為超新星。爆發(fā)后留下的星核幾乎全部由中子緊緊堆成。因?yàn)樵诰薮蟮膲毫ο?，原子中的電子被擠到原子核里去，和核里的質(zhì)子結(jié)合成中子，故稱為中子星?？焖俎D(zhuǎn)動(dòng)的中子星會(huì)產(chǎn)生射電脈沖，故也叫脈沖星。原始質(zhì)量更大的恒星最終將變?yōu)楹诙?。黑洞不是黑的，也不是一個(gè)空洞。黑洞的密度比中子星更高，其萬有引力能吸引所有進(jìn)入其區(qū)域的物質(zhì)，連光也不能從中逃逸出來。因?yàn)檫@種天體觀測不到，故稱之為黑洞。第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4宇宙中的反物質(zhì)世界我們周圍的物質(zhì)世界是由質(zhì)子、中子和電子組成的原子構(gòu)成的。原則上，反質(zhì)子、反中子也可以構(gòu)成原子核，再配上正電子就得到反原子，由反原子再構(gòu)成反分子，直至形成反物質(zhì)。宇宙中究竟有沒有反物質(zhì)？根據(jù)宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型，在宇宙大爆炸初期的極高溫度條件下，完全可以產(chǎn)生大量的正反質(zhì)子、正反中子和正反電子，這些反粒子形成反物質(zhì)乃至反天體是有可能的。但迄今為止，人們除了在實(shí)驗(yàn)室或太空中發(fā)現(xiàn)反粒子外，還沒有找到反物質(zhì)的蹤影?？赡苡幸韵略颍旱?4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）大爆炸時(shí)產(chǎn)生的正反物質(zhì)在開始就不對(duì)稱，正物質(zhì)多于反物質(zhì)。而正反物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生湮沒而轉(zhuǎn)化為γ光子等粒子。宇宙爆炸以來已歷經(jīng)150多億年，殘留的反物質(zhì)已不多了。在浩瀚的宇宙世界很難找到它們。丁肇中研究小組進(jìn)行的α磁譜儀太空探測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，正電子僅為電子數(shù)的1/4，這說明宇宙大爆炸時(shí)形成的正反物質(zhì)之比可能是4比1。如果正反物質(zhì)世界共存于宇宙，會(huì)不斷出現(xiàn)巨大的湮沒性爆炸。所以即使能找到反物質(zhì)，其量也很少。

關(guān)于正反物質(zhì)的不對(duì)稱，還有一些說法。一種說法是,宇宙開始時(shí)正反粒子數(shù)幾乎相等，由于某種漲落存在微小差別，后來大部分正反粒子一起湮沒轉(zhuǎn)化為能量，只留下稍多一些的某類粒子的多余部分，構(gòu)成了現(xiàn)在的正物質(zhì)宇宙。另一種說法是，由于反粒子消亡得更快些，使得宇宙的正物質(zhì)更多一些。第25頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）宇宙大爆炸后，可能由于在高溫宇宙火球內(nèi)，正反粒子存在磁相互作用，出現(xiàn)有序磁場使正反粒子繞強(qiáng)磁場方向螺旋運(yùn)動(dòng)并以旋風(fēng)形式從兩端拋出，大量的反物質(zhì)沒有與正物質(zhì)相遇湮沒，遠(yuǎn)離正物質(zhì)到達(dá)了宇宙的另一端。我們現(xiàn)在的“視野”或探測手段，還觸及不到遙遠(yuǎn)的反物質(zhì)世界，才使得我們有正反物質(zhì)不對(duì)稱的感覺。再之，由于正、反物質(zhì)發(fā)出的電磁波或光譜