1、第一节 宇宙一、宇宙的基本概念二、相对论宇宙时、空观三、微观世界的基本法则四、宇宙物质世界的基本特征第二节 大爆炸宇宙学一、大爆炸学说思想体系的形成二、宇宙最早期演化三、大爆炸的证据 第三节 宇宙的未来和暗物质、反物质一、弗里德曼宇宙模型二、暗物质、反物质,第一章 大爆炸宇宙学,第一节 宇宙 一、宇宙的基本概念 1、科学的宇宙概念客观性中国战国鲁人: 四方上下曰宇空间往古来今曰宙时间现代科学的宇宙定义：宇宙是广漠空间 和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称。时 间宇宙是 空 间 的最大范畴物 质,2.可观测宇宙的概念相对性人类对宇宙的认识：古代宇宙观地心说近代宇宙观日心体系银河系宇宙现代宇宙观总
2、星系（可观测宇宙）由哈勃半径（150亿光年）的数倍为度量宇宙的范围: 数百亿光年,哈 勃 太 空 望 远 镜,天 体与 地 球,人 类 认 识 宏 观 物 质 世 界 的 尺 度,人 类 认 识 宏 观 物 质 世 界 的 尺 度,人类认识微观物质世界的尺度,3两类宇宙模型稳恒态宇宙模型宇宙的平均性质处处相同，并且永远 不会随时间变化。在该学说中，为了在宇 宙膨胀时保持宇宙的密度不变，必须不断 地创生物质。创始人：邦迪、戈尔德、霍伊尔 演化态宇宙模型宇宙体积、密度、温度、压力随时间而 变化。宇宙有一个开始，也可能有结束。代表理论：大爆炸宇宙学,二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）-从牛顿
3、到爱因斯坦坡普(1726,威斯特敏斯特大教堂牛顿墓志铭):大自然和它的规律深藏在黑夜里.上帝说,让牛顿出世吧!于是一切就都在光明之中.斯夸尔爵士(1920th):光明不再继续了:恶魔在高声地嚎叫;让爱因斯坦出世吧,使世界重现光明.,二、现代宇宙时、空观 （相对论宇宙时、空观）1. 牛顿经典力学的时、空观（1）牛顿的空间概念是日常经验的空间，有三维 南-北东-西 上-下 是绝对的空间，人类、太阳、行星和恒星共同拥有的空 间， 空间的坐标是不变的、绝对的。,（2）牛顿的时间概念是日常经验的时间，人类、太阳、行星和恒星共同经历着时间的流逝。是绝对的时间，时间的坐标不变。牛顿1687年自然哲学的数学原
4、理 “绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀流动的，它不依赖于任何外界事物。”牛顿时、空观的本质： 割裂了时间、空间和物质的联系； 仅适用于地球及其周围的有限区域。,2相对论宇宙时、空观时间-空间-物质的三角关系：时间用空间和物质运动来测量；物质运动用时间和空间来测量；空间用物质运动和时间来测量。 运动的相对性-从牛顿-伽里略 相对论到爱因斯坦狭义相对论：运动物体的测量参照系, 时间的相对性广义相对论A.时间随物质运动而变化 时钟矛盾：不同速度运动的物体上的时钟相互矛盾。 相对论时间公式（时钟变慢）：,例如：相对于地球以0.98倍光速 运行的飞船，内部时钟仅为地面时钟 的15
5、：双生子佯谬（悖论）,双生子佯谬（悖论）,B.时间随物质引力而变化运动物体在中心物体的引力场中运动时， 对于同一经历过程，在运动物体上测得 时间间隔，要比在中心物体上的测定值大。 偏大的数值：地球上的原子钟（铯原子钟）每升高100m，快百万亿分之一秒。,铯 原 子 钟,互联网时, 空间的相对性广义相对论A.空间坐标的平直：仅适用于地球 （天体）表面有限的局部B.空间坐标的弯曲：在大尺度的宇宙 空间内，空间坐标的弯曲是绝对的。空 间随物质引力而变化，即空间被引力所 弯曲引力透镜。,大质量天体与时空弯曲,重力不仅改变空间,也改变时间,时空弯曲与引力透镜,光不再以直线行进,“卡西尼号”进入土星弯曲的
6、时空,时空弯曲,引力透镜,宇宙中的海市蜃楼,引力透镜与爱因斯坦十字星,运行中的Machos,相对论宇宙时、空观的基本认识：时间、空间与物质密不可分，时间、空间随物质的运动而变化在宇宙大尺度范畴内， 时间、空间坐标的弯曲（扭曲）是绝对的、普遍的, 而其坐标的平直则是相对的、局部的。 时、空弯曲时间、空间坐标系统：平面几何黎曼几何,广义相对论的基本内容：三维空间和 一维时间构成四维时空连续统；物理事件 由四维时空连续统中的点表示；四维时空 连续统的几何性质由四维黎曼几何描述。 空间的度规张量和曲率可通过引力场程， 由物质的能量-动量张量决定。引力场方程：R12gR-8GTR为里齐张量； R为标量曲
7、率；g为度规张量； T为能量-动量张量；G为引力常数。,广义相对论的验证：水星近日点的轨道反常进动。水星是 最近太阳的行星，它的椭圆轨道并不回到 同一起点，观测近日点每百年进动5601“， 用牛顿力学只能解释5558“，还差43“.11， 用广义相对论计算的反常进动为43“.03。 金星、地球也有近日点的反常进动。光线偏转。广义相对论预言，当光线 经过太阳引力场后，其方向要发生偏转。 1919年日食期间的观测证实了太阳引力造 成了星光弯曲。,广 义 相 对 论 的 验 证,广义相对论的验证,GPS全球卫星定位系统,物质的引力使时间发生变化,我们无缘一睹的风景,引力红移。广义相对论预言，从太阳
8、表面发出的谱线与地球上同种原子的谱线 相比，波长较长（红移），移动量等于速 度为0.6千米/秒的多普勒效应移动量。 1960th观测结果是：观测值（1.050.05）理论值。雷达回波的延迟。广义相对论预言， 当从地球向地内行星发射雷达信号并接收 其回波时，如果雷达波在太阳附近通过， 则回波的时间要比不在太阳附近通过时有 所延迟。对水星、金星和“水手”6、7号 探测器的观测结果均与理论值相符。,宇宙的曲率：在一个闭合的宇宙里， 宇宙自我合拢。这是由于物质密度很大， 空间轨道绘成一个圆。即有限、无界的宇宙爱因斯坦:“我们或许生活在一个有限、 无界的宇宙中.”,闭合的宇宙,三、微观物质世界的基本法则
9、-量子力学的基本原理1波粒二象性1905年，爱因斯坦提出“光电效应”，即 波动的光，是由粒子“光量子”（光子） 构成。光子的能量与频率成正比：Eh h为普朗克常数1923年法国德布罗意提出：所有物质都 具有“物质波”，即“波粒二象性”。 波动的意义：电子存在（到达）某个部 位，是电子“存在于该处的比率”。,H 电子云,2. 测不准原理1930th, 海森堡和薛定谔提出：微观 世界中, 不可能同时对基本粒子 (如电子) 的位置和动量进行精确测定。例如，观测粒子时，用能量小的光照 射，Eh, 光的频率很低, 波长很长， 粒子的位置不可能测准；反之，若为了精确测位而减少波长而 增加能量时，粒子的动量
10、将发生变化。,测 不 准,测不准,对“波粒二象性”和“测不准原理”的评论：爱因斯坦：“上帝是不掷骰子的”霍金：“上帝不光掷骰子，还常常把骰子掷到你看不见的地方去”,用概率来解释-薛定谔之猫,3. 隧道效应根据“测不准原理”，在量子力学范畴内, 提供了极短时间内能量变动的可能性：电子可以在极短时间内“借来”能量，迁移到它原来无法到达的地方。即电子可以穿透壁垒“电子隧道”。,隧 道 效 应,4. 真空不空狄拉克指出：根据“测不准原理”, 在极 短的瞬间, 真空中处于负能量状态的电子 可以从某处 “借来” 能量, 变为正能量的电 子,即电子与正电子成对产生;然而,“借来” 的能量必须立刻偿还，正电子
11、必须还掉入 负能量状态，即电子与正电子成对湮灭。量子力学描绘的真空：物质不断地产生和湮灭；能量不断涨落 起伏的“狄拉克海洋”。,能量不断涨落起伏的“狄拉克海洋”,四、物质宇宙的一些基本特征1 . 宇宙大尺度系统性特征天体的谱线红移哈勃定律：随着时间的推移，所有河外天体（星系）光谱都向红外方向移动，并且红移量与距离成正比。宇宙微波背景辐射： K=2.7k宇宙同此凉热!,天体的谱线红移,天体的谱线红移,天 体 的 谱 线 红 移,天 体 的 谱 线 红 移,哈 勃 定 律,|,星系是宇宙的基本单元，宇宙宏观形态呈泡沫空心状结构。天体时标：所有观测到天体的年龄都小于150亿光年。He丰度：宇宙基本化
12、学元素由氢和氦构成。其中:H：75； He：25。或 He原子 H原子1 12,2微观物质世界的基本特征 基本粒子家族的成员构成普通物质（正物质）的12种粒子,基本粒子家族,基本粒子家族和希格斯子,12 种 基 本 粒 子,最基本层次上统治宇宙的五大角色： 上夸克 u(+2/3) 质子：2u+d(+1) 下夸克 d(-1/3) 中子：u+2d(0) 电子（-1） 中微子 (0) 光子,日本神冈中微子探测装置,震荡的中微子,宇宙物质作用4种基本力 强力（核力）作用范围：原子核半径宇宙中最强大的力（束缚强子）！ 电磁力作用范围：无限宇宙中第二强大的力，为强力的1/137正负相吸，阴阳生万物！,强力
13、被电磁力封闭,（电）弱力作用范围：原子核半径强度为强力的10-5可使中子衰变为质子 引力（重力）作用范围：无限强度最弱，仅为强力的10-39-但引力可以多胜少，最终统治宇宙！,弱 电 统 一 理 论, 宇宙4种基本力的传递粒子强力胶子电磁力光子（电）弱力中间玻色子 引力（重力）引力子（重力子）胶子、光子、中间玻色子已被测到！,夸 克 囚 禁,3.宇宙物质基本形态正物质:固态 液态 气态 等离子态 场 中子态（超固态） 夸克态 (奇异暗物质：黑洞） 反物质,太空中最奇特物体和现象,第二节 大爆炸宇宙学,盘古开天地,第二节 大爆炸宇宙学一、大爆炸学说思想体系的形成 1915 爱因斯坦: 广义相对论
14、 引力场方程“有限无界”宇宙概念 1922 弗里德曼: “宇宙蛋” 1927 勒梅特: 宇宙早期“初生原子” 1929 哈勃: 发现“红移定律”与宇宙膨胀 19481952 伽莫夫: 提出理论，预言：早期元素核合成丰度宇宙微波背景辐射 1981 古斯: 暴涨模型 1985 霍金: 量子宇宙创生与黑洞,史 蒂 芬 霍 金,教皇向霍金致敬,二、宇宙最早期演化（最初三分钟）大爆炸：宇宙起源的事件，约在150亿 年前,宇宙由极其高热、极其高密度的奇点 处爆发产生。宇宙的时间、空间和质量均 从虚无的真空中产生。0. 宇宙创生的量子背景 10-3510-44秒 普朗克时间普朗克时代 10-32厘米 普朗克
15、长度（大统一时代）1094克/厘米3 普朗克密度,大统一：四种宇宙基本力统一为 一种，称量子引力。 宇宙的量子创生：宇宙由奇点处诞生于真空的“狄拉克海洋”。时间奇点 空间 宇宙时空管物质,宇 宙 时 空 管,霍金和“零”的振动,宇 宙 的 量 子 创 生 和 并 列 宇 宙,时间的起点,1强子时代（10-35秒-1秒） 基本粒子诞生：夸克、电子、中微子、光子-五大角色出场！ 夸克囚禁：质子、中子产生（1015K）,2轻子时代（1秒-3分钟） 中微子脱耦（1秒，1011K）宇宙对其透明 中子冻结 n/p=1/6.5 原初核核合成质子、中子合成轻原子核 H、He、Li:宇宙物质演化单调的开始！,原
16、初核核合成:. 氕核 : p. 氘核: n+p D+ . 氚核: D+n 3H 寿命17.7年 3He. 氦3核: D+D 3He + n 3He + p. 氦4核: 3He +D 4He + n3He +D 4He + p氦丰度: 4He = 1/4 (核%) ; 25%氦,. 氦5核: 4He +n 52He 半衰期为锂5核: 4He +p 53Li 10 -21秒- 氦沟！-. Li 7核： 宇宙温度降到1010 K108K ,只允许合成极少量 7Li3 He +4He 7Li + 3He +4He 7Be + 7Be +e 7Li + 宇宙第一次物质起源合成四种轻核:D 3He 4He
17、 7Li,3.辐射时代（3分钟-30万年） 光子脱耦宇宙的第一缕光芒 宇宙微波背景辐射原始火炉的余温现在2.7K!,4.原子时代（30万年-100万年）中性原子H、He形成（1000K）原始弥漫星云 5.引力时代最初10亿年：古老星系、恒星形成目前可探测星系（类星体）130 亿光年,宇宙的早期演化与时空管,宇宙的诞生和演化,温度,年代,宇宙编年表,三、大爆炸宇宙学的证据1. 目前发现天体年龄时限130亿年2. 河外天体谱线红移宇宙膨胀3. 宇宙微波背景辐射4. 最初三分钟原初核核合成理论的验证： 1/4的氦丰度 四种轻核丰度的预测与实际检验5. 现代基本粒子物理学研究 基本粒子家族：大爆炸理论
18、预测只有三族;与发现相符合 夸克-胶子、等离子体的获得,：宇宙微波背景辐射,宇宙的温度,宇宙微波背景辐射,宇 宙 童 年 的 快 照,星 系 祖 母,四 种 轻 核 核 合 成 丰 度 预 测 与 验 证,三 种 中 微 子 的 预 测 与 观 测 验 证,宇 宙 早 期 基 本 粒 子 的 产 生,再现大爆炸,原始汤- 在高温高压下物质 破裂成夸克胶子 等离子体子。 物理学家们认为 宇宙大爆炸之初 物质就处于这种状态。,第三节 宇宙未来命运和暗物质、反物质一、宇宙未来与弗里德曼宇宙模型1. 弗里德曼宇宙模型开放的宇宙 1三个解 平直的宇宙 1闭合的宇宙 1 宇宙的物质总量宇宙坍缩的临界质量,
19、弗 里 德 曼 宇 宙 模 型,宇 宙 膨 胀 与 生 命 演 化,2宇宙未来的命运 大坍缩（大挤压）闭合的宇宙 热寂平直的、开放的宇宙热寂宇宙的结局：质子衰变为正电子， 宇宙最终变成大的无法想象的轻子薄云电子和正电子、光子、中微子。质子的寿命：1031年 (1000万亿亿亿年), 相当目前宇宙年龄的7 1022倍！,宇宙的三种未来：开放、平坦、闭合,大 坍 缩,二、暗物质、反物质宇宙物质总量:可探测物质10% 未知物质90%:暗物质反物质 1.暗物质 不发出可见光,但能施加引力作用的不可视物质. 大质量致密晕天体(MACHOS) 黑洞 中子星 白矮星 黑矮星 褐矮星 黑矮星行星, 弱相互作用
20、重粒子(WIMPs)非重子基本粒子 中微子非重子基本粒子(轻子)的一种中微子天文学宇宙物质研究奇异暗物质,现今宇宙的框架结构证实了暗物质的存在,2.反物质与正常物质带相反电荷的基本粒子 1928年 狄拉克预言 反粒子 1932年 安德森发现正电子 19961997年 反氢原子被制造 1998年 丁肇中设计Alpha空间站磁谱仪(AMS)升空试验,可在10-10水平上探测反物质 2002年9月 大批量制造低能状态反氢原子-5万个,受控条件下制造,大爆炸是空间本身的爆炸,空间的膨胀拉大了光的波长,可观测宇宙半径要大于150亿光年,由于空间膨胀星系可以超光速退行,宇宙在膨胀,但宇宙中的凝聚物体并不膨胀,如果新生的宇宙物质分布不均匀的话,如果宇宙中强相互作用力稍弱些的话,如果是那样， 宇宙中将没有太阳!,如果宇宙中不存在碳共振现象的话,如果是那样，宇宙中将 没有碳和比碳更重的元素!,如果中子和质子具有相同质量的话,如果是那样，宇宙 将没有氢元素,而 用氦作燃料的太阳 的寿命将很短暂!,如果太阳系有两颗恒星或三颗行星的话,如果是那样，形成 不久的地球的轨道 将极其不稳定,并很 快就会被太阳所吸入!,
