大学物理物质世界的结构层次-2.pptx

第,*,页 共29页,大学物理,同学们好,！,1,1/29,第三节,宇宙,一、几个概念,1,.宇宙时间和空间联合组成统一整体,目标：了解宇观层次物质结构,了解宇宙起源,近代物理观点,：,物质和它运动,是统一客观实在（空间广延、时间广延）,既不可能有脱离物质运动，也不可能有脱离运动物质。而时间和空间也只能凭借物质及其运动存在才能表达,。,观察宇宙人们用肉眼或仪器观察到整个宇宙空间及其各类天体总称。（哈勃半径：,150,亿光年）,2,2/29,宇宙 哲学意义上概念,观察宇宙 天文学研究对象,2.,天体宇宙间一切物质集团总称,天空中浮云、大气，山川、河流,气象现象,人造卫星，宇宙火箭等,人造天体,3光年光传输一年所经过距离,1光年=10,13,km,（3,10,8,365 24 3600）,光1秒钟能够绕地球运行,7,圈，光从太阳传到地球只需要约,8min,。,意义：,表征天体间空间距离,表征携带信息时间历史,哈勃半径,150,亿光年,从空间上得到了,150,亿光年尺度横断面，时间上追溯到了,150,亿年前宇宙历史。,3,3/29,二、宇宙普通图景,1.天体层次,人类对宇宙认识由近到远，由现在到过去逐步展开,星球,“富”星系团,河外星系,太阳系,恒星系,(银河系),星球：有本身内部结构和特征，包含恒星、行星、卫,星、彗星、流星等。,行星：绕恒星运动近似球形天体，本身不发光。,地球：,本星系群 银河系 太阳系 一颗行星,4,4/29,各种天体层次,天体层次 行星 恒星 星际云 星团 星系 宇宙,(地球)(太阳)(平均)(球状),半径/pc 10,-10,10,-8,10 10 10,4,10,10,平均距离/pc 10,-5,1,10 10,3,10,6,质量/,M,日,10,-6,1 10,3,10,6,10,11,10,21,平均密度 5.515 1 10,-23,10,-21,10,-23,10,-30,/(g/cm,3,),中心温度/K 10,4,10,7,10,2,pc为秒差距 1pc=3.261633,光年=3.085678,10,16,m,5,5/29,(1)太阳系 以太阳为中心，以及由它引力支,配而绕它运动天体所组成系统。,含有九大行星，,3000,多个小行星，,66,个天然卫星，,为数众多彗星、,流星、星际物质、,人造天体。,九星连珠：,因为各行星绕太阳运动轨道大小、速度各不相同，它们极难聚集在以太阳为中心扇形区域内。,这是,1982,年出现九星连珠现象,6,6/29,太阳:,银河系中一颗普通恒星,直径约,1.5,10,-7,光年，表面温度,6000K,中心温度,1.5,10,7,K,质量相当于,33.3,万个地球。,7,7/29,地球:,一颗大行星,年纪约40 50 亿年,人类起源：,100万年,中华文明史：,50以上,地球内部结构,半径：,平均6370km,外衣：,地壳（平均厚度33km）,中间层：,地幔(平均厚度2800多km),关键：,地核（内核、外核）,8,8/29,月球:,围绕地球运行惟一颗卫星,9,9/29,彗星:,围绕太阳运行或行经太阳附近云雾状,天体，由慧核、慧发、慧尾组成。,10,10/29,陨石,:,流星体进入地球大气,层中普通都能完全燃烧,气化，只有较大流星,体燃烧不完，能够陨落,到地面上而被称为,陨星,。,90%为硅酸盐矿物石,陨星称为,陨石,。,吉林1号陨石是当前世界上最大陨石，重1770kg。于1976年3月8日陨落在吉林省内。,11,11/29,(2)银河系,扁平铁饼状结构，直径达10万光年,3000亿个恒星+星团+星云,太阳距银河系中心约3.3万光年,12,12/29,2.宇宙学原理,几条先验标准,对称性思想表达,1)宇宙间物质（及其发展规律）统一性。,2)人类在宇宙中不含有特殊地位。,3)宇宙间物质无限性。,宇宙学原理,：宇宙在整体上（能代表宇宙特征大尺度上）是均匀，各向同性。任何一个经典星系上观察者“看到”物理规律相同。,13,13/29,三、大爆炸宇宙模型,1.天文学历史上三次飞跃,(1)行星层次,连结开普勒定律飞跃(17世纪),弟谷,:积累大量资料,到达前所未有观察精度。,开普勒,:发觉开普勒行星运动三定律，适合用于全部,行星运动，给出行星理论约束条件。,牛顿,：将地面物体力学规律应用于天体运动，实,现物理学第一次大综合。,14,14/29,(2)恒星层次,连结赫-罗图飞跃,1905 赫茨普龙,1913 罗素,发觉恒星表面温度与恒星光度之间关系，将纷杂现象纳入统一模型，给出恒星理论,约束条件,：,第一，全部恒星最初均由氢、氦为主原始气体凝聚而成。,第二，发生在恒星关键核聚变制约恒星演化过程。,15,15/29,各恒星区分：原始质量不一样，“年纪”不一样。,16,16/29,星际星云,原始恒星主序星红巨星超新星暴发（或白矮星）黑洞（或中子星、星际物质）,17,17/29,(3)星系层次,连结哈勃定律飞跃（20世纪）,1929年，发觉全部星系光谱都有红移现象，红移量与距离r,成正比。,将红移量折合成星系运动速度，即,哈勃常数：,18,18/29,2.,大爆炸宇宙理论,当代理论认为，宇宙起源于一次大爆炸，,大爆炸前全部粒子处于高温高密度状态。,19,19/29,“大爆炸”开启了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演化成了现在宇宙。,20,20/29,(1),微波背景辐射,支持大爆炸宇宙学说主要,试验事实,：,1965年，彭齐阿斯和威尔逊发觉了消除不掉各向同性微波段噪声辐射。,1989年，宇宙背景探测卫星(COBE)对微波背景辐射测量结果，非常准确地符合温度为2.271,0.010K,黑体辐射谱。,21,21/29,(2)天体年纪,(3)氦丰度,元素在地壳中存在百分含量,称为,丰度。,大爆炸学说计算出宇宙年纪 150200亿年。当前各种方法测定天体年纪 50110亿年，且均小于宇宙年纪。符合大爆炸学说逻辑。,大爆炸理论计算出大爆炸早期(3min以内)形成氦丰度约为27%，与观察结果基本符合；同时很好地解释了为何各星系氦丰度奇妙地相同。,22,22/29,问题,：,我们目睹这种宇宙膨胀是否会无限地进行下去？,三种膨胀宇宙,开宇宙,：无限伸展且永远膨胀。,闭宇宙,：有限，最终往回收缩到一次“大塌聚”。,临界宇宙,：无限大，永远膨胀。,O,23,23/29,如 ，物质不能凝聚成星系和恒星，不能产生生命。,我们宇宙膨胀处于“,临界状态,”。,如 ，能形成星系和恒星，能产生生命。,“大塌聚”,此处可演化出生命,临 界 分 划 线(“平坦宇宙”),“大爆炸”,15,约1000,约,时间（10亿年）,距离,现在,24,24/29,四、宇宙学发展,1.,大爆炸宇宙学说发展,1),振荡宇宙模型(,20世纪70,年代),美桑德奇提出：在每一振荡周期开始时刻，全部宇宙物质以基本粒子形式处于高温、高密度状态。爆炸后演化为宇宙。,2),暴胀宇宙模型(,1980,年),古斯、温伯格在弱电统一理论基础上提出暴胀宇宙模型：爆炸后最初,10,-30,s,内宇宙尺度暴胀,10,50,倍，再以较平和速度膨胀。,3),宇宙弦(,1984,年开始),大爆炸后瞬间，物质高能状态下存在着一个统一场。在10,-35,s左右，统一场种冰结碎片形成纤细而密度极大“宇宙弦”。宇宙弦在极强引力场作用下形成星系。,25,25/29,2.,宇宙学未知课题,(1)暗物质之谜,1),20世纪30年代，天文学家慧兹克注意到：星系围绕速度快，但稳定地呆在星系团中 推测有暗物质。,2),20世纪70年代，发觉银河系边缘运动速度比理论家预言快得多 暗物质弥漫于星际空间。,3),宇宙中星际所含物质总量可见物质总量。,4),对涡旋星系旋转情况射电和光学观察表明，它们被暗物质晕包围。,(2)类星体能量之谜,1),类星体红移大，退行速度大，距离远。,2),类星体光度改变快，周期为普通星系 10,-5,倍，尺度小。,3),类星体辐射功率极大，是普通星系几百万倍。,26,26/29,射线爆现象,1967年发觉，来自宇宙空间,突然增强，称 射线爆现象,1),能量：10keV10MeV，少数达1GeV,以上。,射线爆现象本质是什么？,2),射线爆空间分布各向同性，远近不均匀。,射线爆远近？,能量机制是什么？,产生巨大红移机制是什么？,27,27/29,五、宇宙演化与四种基本相互作用关系,宇宙极早期只有一个统一相互作用 主干。,10,-44,s,对应于超流 真空相变，这正是时空起源，分离出引力作用。,10,-36,s,对应于大统一真实相变不对称起源，分离出强作用。,10,-10,s,弱电统一真实相变，弱作用和电磁作用分离。,沿着宇宙历史往回追溯，预期会见到早期宇宙温度演变。当温度升高时，自然力有效强度亦将增加，预期会出现各种力统一。,28,28/29,六、宇宙演化和粒子生成关系,创生期：,t,10,-44,s,时空产生,极早期：,t,10,-36,s,宇宙暴涨，形成夸克、轻子。宇宙,高能试验室,早期：,t,10,2,s,产生各种轻元素。又称核合成期。,近期：,t,10,5,年,温度降至,4000K,，形成原子、并逐步形成各种尺度星体和星系。,现在：,t,150亿,年，,温度,下降至,2.7K,29,29/29,