物理学与人类文明6

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钲依圭尚
7 years ago
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1 第十四讲宇宙的起源与演化茫茫宇宙有无边际? 芸芸众生身在何处? 太阳系是否有特殊之处? 我们生活的宇宙是否像生命一样有生死? 当人类的智慧进步到超过一般动物的时代, 他们就不可能不注意到天穹上永恒的现象和日月星辰的运动与和谐

2 中国古代上至帝王将相, 下至普通百姓对宇宙天文都有浓厚的兴趣目前中国台湾中央研究院就保存有一片甲骨, 其上所刻甲骨文的内容是世界上首次关于新星 (Nova) 的观察记录

4 SN1006 残骸

5 超新星 SN1006 是历史记载中最亮的超新星, 中国对其有非常详细的记载, 宋代的天文学家称其为周伯星宋史第五十六卷天文志上详细记载 : 景德三年四月戊寅, 周伯星见, 出氐南, 骑官西一度, 状如半月, 有芒角, 煌煌然可以鉴物, 历库楼东八月, 随天轮入浊十一月复见在氐自是, 常以十一月辰见东方, 八月西南入浊现代天文学家将它编为 SN1006 中国对 SN1006 爆发的细致记载对其研究提供了有价值的历史文献

6 占星术

7 希腊人的宇宙观古代民族观察天象, 只从实用的或者神秘的观点出发, 而且对于观测只有叙述, 并不加以解释 ( 有时会附会上神话的故事 ) 希腊人自公元前 4 世纪以后, 首先从非功利的观点, 使用科学方法, 来研究天体的现象与运动, 他们只想追求一个合理的解释, 并不企图去推测未来的天象工作的人智慧的人

8 Anaximander(BC ) 等认为地是薄薄的圆片, 漂浮在空气的旋涡里, 孤立在球状宇宙的中心 Pythagoras (BC ) 等, 首先发现地是球形的

10 6.1 传统的宇宙观及其不足 6.2 哈勃的发现 6.3 宇宙的起源 6.4 大爆炸模型的观察证明 6.5 宇宙的命运 6.6 二十一世纪宇宙学面临的问题

11 6.1 传统的宇宙观及其不足传统的宇宙观起源说轮回说永恒说永恒宇宙与热力学的矛盾夜空为什么是黑暗的

12 6.2 哈勃的发现波的多普勒效应

13 6.2 哈勃的发现恒星距离的测定同类恒星 ( 例如有相同的组分, 大小等 ) 具有相同的固有亮度, 但它们的视亮度与离开我们的距离平方成反比, 因此可通过同类恒星的视亮度的变化可测出他们距开我们的距离

14 哈勃定律 v = H R

15 6.3 宇宙的起源大爆炸模型 (Big Bang)

16 宇宙暴胀过程 35 从秒到 10 秒宇宙经历了一次暴胀过程随后宇宙继续膨胀, 温度下降, 不同的温度下会发生不同的粒子反应过程首先是夸克阶段 10 35

17 宇宙的演化过程轻子自湮灭的轻子阶段, 延续到 0.1 秒 1 秒种时已有等量的质子和中子, 100 秒时, 温度降到了 10 亿开, 中子与质子合成为氘核然后氘核合成为氦核 1 万年后, 温度降到了 1 万开, 开始了物质阶段 10 万年时温度到了 3000K, 电子可以和质子复合成为中性的氢原子继续冷却, 成恒星和星系

18 6.3.2 宇宙哥白尼原理银河系只不过是四维球的三维球面这个均匀宇宙中的普通一员, 不具有任何特殊地位

19 6.4 大爆炸模型的观察证明伽莫夫的预言 1948 年一位移居美国的俄国人乔治伽莫夫与他的两位年轻研究生拉尔夫阿尔弗和罗伯特赫尔曼, 首先预言如果宇宙起始于遥远过去的某种既热且密的状态, 在宇宙年龄仅为几分钟时, 它热得足以使每一个地方都发生核反应 ( 大爆炸 ), 其散落的残余辐射由于宇宙的膨胀而冷却, 如今它所具有的温度约为绝对温度 5K 左右, 即存在各向同性均匀的宇宙背景辐射

20 6.4.2 宇宙背景辐射的发现 1965 年彭齐亚斯和威尔逊十分意外地发现了这种宇宙背景辐射当时他们正在跟踪一颗 Echo 号星, 来校准一具很灵敏的无线电天线, 但他们发现始终存在着一种无法解释的噪声普林斯顿大学的迪克 (Robert Dicke) 了解到此情况后, 立即认为这正源自于大爆炸的残余辐射, 它相当于在电磁波谱中的微波部分, 波长为 7.35 厘米的某种无线电波信号, 它对应于 2.7K 的热辐射

21 1989 年 NASA 卫星 COBE 结果与温度为 2.73K 的纯热辐射作出的理论预言极其吻合

22 6.4.3 原初核合成问题宇宙年龄为 1 秒时, 宇宙的温度高达 1 百亿 K, 此时介质的主要组分是正负电子, 正反中微子和光子及少量质子和中子 3 分钟以后, 温度已降到十亿 K, 氘开始合成 ( 质子 + 中子 = 氘核 +2.2Mev), 后续的连锁反应将很快生成氚, 3 He, 4 He 等原初核合成阶段最主要的产物是 4 He, 其次是 D 和 3 He, 其数密度比 4 He 低 4 个量级半小时后, 原初核合成阶段结束, 已形成的原子核留了下来

23 6.5 宇宙的命运宇宙整体的命运星球都有其对应的逃逸速度, 如地球为 11.2Km/s 质量越大, 半径越小, 逃逸速度越大, 写成公式为 V 逸 = 2GM R 如月球的逃逸速度为 2.4Km/s, 即在月球表面发射火箭要容易些

24 6.5.1 宇宙整体的命运宇宙命运与其初始膨胀速度和其物质平均密度有关目前正以极其接近于临界状态的方式膨胀着

28 6.5.2 恒星的产生与命运宇宙爆炸十万年后, 温度下降到了 3000K 左右, 形成了由中性原子构成的宇宙尘埃由于万有引力的作用, 尘埃像滚雪球一样越滚越大密度增大到一定程度, 内部升温而发出红光一颗星就这样诞生了温度达 1000 万开以上时, 氢开始通过热核反应而燃烧成为氦核, 并放出大量的热能, 以抗衡引力的收缩作用而稳定下来, 此时就成了一颗恒星

29 6.5.2 恒星的命运恒星的生命历程极为规则天空中的几乎所有星星, 都是与太阳类似的恒星, 在银河系中就存在着数千亿个恒星, 它们的核心正熊熊燃烧着氢一旦燃料用光, 有着氦核和氢外壳的恒星, 在引力的作用下而收缩, 密度压强和温度随之升高, 外壳开始膨胀 ( 核心区在收缩 ) 在 1 亿度的高温下, 新反应像闪电一样快速地突然起爆在此后的几亿年内恒星又得到暂时的平衡但是调整的结果是恒星极大地膨胀了, 体积将增大 10 亿倍, 在这个过程中恒星的颜色会变红, 因为其外层与高温的核心区相距很远, 温度就较低此时的恒星称为红巨星

30 6.5.2 恒星的命运在太阳内每秒种有约 6 亿吨氢变成了氦, 其所有的氢都转变为氦可持续 100 亿年左右, 现在已燃烧了约 50 亿年红巨星远不是恒星一生的终结, 象太阳或比太阳小的恒星, 成为红巨星后, 它的外层会脱落, 只剩下一个裸露的碳氧核,8 倍以下的恒星最终都将成为 1.4 倍太阳质量以下的白矮星经过数十亿年的冷却, 从白矮星到棕矮星最后变成黑矮星黑矮星

31 对于 8 倍太阳质量以上的恒星, 由于内核质量超过 1.4 倍太阳质量, 在巨大引力的压缩下, 温度可升到 6 亿度以上, 碳氧核还能继续核反应, 聚合成氖和镁, 使温度升得更高, 最后都朝着一个元素铁汇集不足维持引力平衡, 铁核就会被挤压得更紧密, 在 0.1 秒内温度猛升到 50 亿度, 涌出的光子带有如此大的能量, 以致于将铁原子核炸开, 蜕变成氦原子核, 并吸收巨大能量, 并使核进一步收缩, 温度持续上升, 直到氦核也变成质子中子和电子并出现所谓中子化过程留下称为中子星的内核整个过程称为超新星爆发快速旋转的中子星会产生射电脉冲, 也叫脉冲星脉冲星

32 6.5.3 神奇的星体黑洞 25 倍以上太阳质量的恒星将产生更为神奇的星体黑洞

33 银河系的结构

34 天文学家发现银河系内快速飞行的黑洞银河系背景图, 黄色星球是太阳, 可以看到黑洞的大致飞行路径

35 超新星爆炸后形成的黑洞及其周围的黄色星球艺术效果图

36 天文学家 2002 年 11 月发现, 宇宙爆炸产生的一个黑洞目前正在以比其周围的星球高出四倍的速度穿过银河系, 这一发现也最好地证明了黑洞的确是超新星爆炸后产生的后代天文学家表示, 上述黑洞至少距离地球有 6000 光年, 目前大致方向是朝着地球飞来, 但近期不会对地球构成威胁这次之所以能够发现上述黑洞是因为它从身边的一颗可以看到的星球中吸取养料, 这颗可以看到的星球每 2.6 天绕黑洞飞行一周负责这项研究的法国原子能委员会研究人员弗利克斯 - 米拉贝尔表示 : 这是我们发现的第一个在银河系内部快速飞行的黑洞黑洞主要有两种类型, 那些规模较大的黑洞主要形成于大型的星系中间, 这次发现的是另外一种, 即恒星黑洞, 它们大多是在大型星球爆炸时产生的星球爆炸时大多数物质会被炸飞, 但如果留下的物质足够大, 大约是太阳的 3 到 15 倍, 那么它们就会形成黑洞这次发现的黑洞已被命名为 GRO J

37 6.5.4 人类的命运整个宇宙来说存在着三种可能的命运, 但不管是哪一种命运, 我们的宇宙最终都将不适宜生命的存在, 更不适合人类的生存因为宇宙无限地膨胀下去, 整个宇宙的温度趋于绝对零度, 宇宙内将没有供给生命的能量若宇宙膨胀到一定程度后收缩的话, 最终宇宙的密度会越来越高, 最终整个宇宙就是一个巨大的黑洞人类的最终命运似乎非常悲哀, 但我们也不必太过失望, 根据目前宇宙学的预测整个宇宙适宜生命生存的时间大约可持续 2000 亿年以上

38 6.6 二十一世纪宇宙学面临的问题暗物质问题在星云周边, 随便哪个星, 都各以某一速度运动, 使得离心力与引力相抗衡因此我们若测出运动速度及运动半径, 我们就能推算出此半径内所包含的物质总量以星系 NGC3192 为例, 该星系发光的区域范围约为 15 千秒差距, 但到距离中心 30 千秒差距处, 星的速度还在增加, 这表示存在看不见的物质看不见的暗物质不发可见光, 红外光或电磁波, 但具有万有引力测量表明可见物质在整个宇宙中只占不到 10% 暗物质分为重子暗物质和非重子暗物质 ( 是弱作用粒子, 例如中微子, 弱作用重粒子 WIMP 等 ) 中国与意大利的合作小组曾发现了 WIMP 存在的迹象

39 6.5.2 正反物质的不对称问题根据宇宙大爆炸理论, 在宇宙的起始阶段粒子和反粒子是等量的, 然而如今的宇宙只有粒子构成的正物质, 而找不到由反粒子构成的反物质, 这是为什么? 是我们还没有找到还是宇宙中已不存在反物质? 为了寻找宇宙中的反物质, 国际上成立了以美籍华人丁肇中为首的国际合作组, 于 1998 年用航天飞机发射了核心部件由中国制造的 α 磁谱仪, 并计划于 2003 年建立起 α 空间站即使能找到反物质, 其量也必定不能同正物质相比, 否则宇宙将时时处于激烈的爆炸之中那么为什么反物质比正物质少呢? 目前有二种可能的解释, 一种认为宇宙开始时正反粒子确实几乎相等, 但由于某种涨落存在微小的差别, 后来正反粒子碰到一起转化为能量, 只留下我们现称其为正物质那种另一种解释是日本科学家提出的认为宇宙间正反物质的不对称是由于反粒子消亡更快些, 以致现今的宇宙正物质更多些

41 6.5.3 微观与宇宙的统一

42 旋转星系

43 超新星爆发

48 距离 (AU) 半径 ( 地球 ) 质量 ( 地球 ) 轨道倾角 ( 度 ) 轨道偏心率倾斜度密度 (g/cm 3 ) 太阳 , 水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星

49 The Corona is the Sun's outer atmosphere. It is visible during total eclipses of the Sun as a pearly white crown surrounding the Sun. The corona displays a variety of features including streamers, plumes, and loops.

51 The X-Ray Corona

54 flare

55 The solar wind streams off of the Sun in all directions at speeds of about 400 km/s (about 1 million miles per hour). The source of the solar wind is the Sun's hot corona. The temperature of the corona is so high that the Sun's gravity cannot hold on to it.

56 Sunspots

63 思考题 : 1. 哈勃发现的意义是什么? 2. 何为宇宙大爆炸模型? 宇宙将如何演化? 3. 宇宙大爆炸模型的观测证据有那些? 4. 何为黑洞? 如何产生如何演化?

Microsoft Word - bigbang.doc

Microsoft Word - bigbang.doc 1.2 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学(Big Bang Cosmology)是由勒梅特(Georges Le Maitre) 伽莫夫 (George Gamow)等人提出的一种学说他们根据广义相对论统计热力学以及天文学上观测到的宇宙膨胀现象推论,我们所处的宇宙其存在的时间是有限的早期的宇宙曾处在高温度高密度的状态下随着宇宙膨胀其温度密度逐渐降低并最终形成我们今日所见的宇宙英国科学家霍伊尔(Fred