宇宙物理学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

宇宙过去和未来陈学雷中国科学院国家天文台北京天文馆 .9.19.第1页四方上下曰宇，往古来今曰宙 世说新语挑调篇注引尸佼（约390B.C.-330B.C.)宇宙概念说文cosmos():order,orderly arrangementuniverse:from Latin universum,Lucretius(99BC-55BC),uni:one,versum:rotate第2页关于宇宙历史三种观点 宇宙创生说“清阳者薄靡而为天，重浊者凝滞而为地。”宇宙永恒说冉求问于仲尼曰：“未有天地可知邪？”仲尼曰：“可。古犹今也。”宇宙循环说天开地成生物尧时宋朝第3页近代对宇宙认识伽利略用望远镜发觉银河由很多恒星组成布鲁诺:无限宇宙测定恒星距离 光度法 三角视差法William Herschel 1785 恒星分布模型William Herschel 使用望远镜 第4页Messier(1730-1871)恒星之外第5页对星系认识Lord Rosses telescopeM51“漩涡”星系康德猜测一些星云是与银河系类似“宇宙岛”第6页梵高“罗纳河畔星夜”第7页元素光谱与天体物理Fraunhofer(1814)发觉太阳光谱中暗线Kirchhoff&Bunsen 据此认证了太阳上元素（1859）Lockyer&Janssen(1868)提出太阳上存在当初未知元素氦(helium)Huggins 夫妇观察了大量恒星光谱并确定了其成份和速度我们在地球上,怎么可能认识宇宙呢？第8页关于银河系和旋涡星云大辩论ShapleyCurtis太阳在银河系边缘旋涡星云在银河系内太阳在银河系中心旋涡星云是河外星系第9页小麦哲伦星云中造父变星H.S.LeavittG.HaleHooker 100inch telescope第10页哈勃与河外星系Lundmark 观察M31新星和亮星Scheiner 观察M33 光谱Hubble 观察造父变星第11页业余兴趣者活动：星系动物园http:/www.galaxyzoo.org人在分类方面往往比计算机更准确,帮助科学家为一百万个星系分类！第12页牛顿宇宙学与奥尔伯斯佯谬假如宇宙是无限、永恒假如恒星均匀分布且一直存在天空亮度将是无限大第13页爱因斯坦广义相对论利用了非欧几何时间空间是弯曲（流形）物质能量和动量影响时空弯曲物质粒子在不受外力下沿时空短程线(geodesic)运动第14页爱因斯坦有限静止宇宙模型 几何上假定宇宙是均匀各向同性正曲率空间 宇宙是有限无边 假定存在宇宙学常数,产生时空弯曲恰好与物质产生弯曲相抵消，实现静止（引力斥力同出于重力）不过,假如物质引力不是恰好被宇宙学常数抵消呢?第15页星系光谱红移多普勒（1842）：运动造成谱线频率改变Slipher（1912-1917)发觉大部分星系(21/25)光谱红移，且速度远高于恒星哈勃(1929),哈勃&Humason(1934)Hubble 1929：造父变星、最亮星、星系亮度Hubble&Humason 1934：星系团中第五亮星系第16页哈勃定律与宇宙膨胀第17页膨胀宇宙理论宇宙空间有三种可能性Alex FriedmannLe Maitre第18页宇宙大爆炸理论和稳恒态宇宙理论Gamow勒梅特、伽莫夫：既然宇宙是膨胀，那么越往前追溯,宇宙密度越高,同时温度也会更高,假定已知物理定律是适用,能够一直到元素发生核反应时刻，今日可见宇宙当初只在一个很小点内。（在这之前物质是怎样产生取决于我们尚不了解物理过程。）Bondi,Gold,Hoyle:物质被连续不停地创生出来，所以宇宙即使膨胀但物质密度一直保持不变。Hoyle第19页望远镜：回望过去因为光速有限,我们看得越远，就看到越早宇宙第20页类星体与射电源计数类星体想象图类星体3C273Ryle 1955完美宇宙学原理:“古犹今也?第21页化学元素启示氢和氦占宇宙普通物质34和14，其它元素只占极少部分第22页元素起源宇宙早期，温度很高，物质以质子、中子形式存在。今后，质子和中子结合成原子核。在这种反应中形成氢、氦、氘等轻原子核其它元素:在恒星中合成后在超新星爆炸中被抛出,或在超新星爆炸时产生第23页宇宙微波背景辐射(CMB)Alpher,Herman,Gamow（1948）:在高温下物质产生辐射所以宇宙早期一定存在大量光子，物质处于等离子体状态。伴随宇宙膨胀冷却，等离子体复合成普通气体。时至今日，光子红移成为微波。Dicke,Peebles,Wilkinson(1964):寻找宇宙微波背景Penzias&Wilson 1964调试Bell Lab 天线第24页宇宙微波背景辐射黑体谱COBE 卫星第25页大爆炸历史第26页宇宙膨胀动力学解K=+1 闭合宇宙K=0 平直宇宙K=-1 开放宇宙第27页确定宇宙命运:哈勃常数Hubble H0=500 km/s/MpcBaade:两个星族de Vaucouleurs H0=100km/s/MpcSandage H0=50km/s/MpcHST key project:H0=73km/s第28页物质密度:暗物质F.Zwicky 1933COMA cluster星系团内星系运动速度与引力相关,依据速度大小能够判断星系团质量.星系团内质量光度比是太阳几百倍，说明星系团内存在不发光暗物质第29页星系旋转曲线与暗物质第30页引力透镜效应第31页引力透镜效应第32页暗物质是不发光普通物质吗?人们用各种方法探测可能存在重子暗物质，表明其不可能大量存在 对星系团观察表明暗物质约占宇宙总密度20，但氘丰度表明重子物质不可能超出宇宙总密度5%.第33页确定宇宙几何依据宇宙早期“声音”，能够确定宇宙几何！宇宙是平直！第34页超新星与暗能量发觉第35页加速宇宙第36页友好宇宙学模型第37页宇宙之五个时代Adams&Laughlin(1999)t=10n 年原初时代(primordial era)n6生星时代(stelliferous era)6n14简并时代(degenerate era)14n39黑洞时代(black hole era)39n100黑暗时代(dark era)100n第38页宇宙是怎样变成均匀?视界问题平坦问题第39页暴胀(inflation)Guth为了处理平坦问题和视界问题,需要暴胀1025 倍以上宇宙可观察部分是平直第40页混沌暴胀Linde宇宙中满足一定条件就会发生暴胀暴胀处体积快速远远超出其它地方可观察宇宙只是整个宇宙一小部分第41页宇宙是怎样变成不均匀?海森堡依据测不准原理,在微观尺度存在量子涨落第42页终极理论：大爆炸之前?世界本原是弦？粒子是弦上激发自动包含了引力世界其实是10维或26维第43页怎样探测极早期宇宙大爆炸之前是什么:永恒暴胀?时空概念失效？有生于无?循环宇宙？强弱对偶？.信息藏在密度涨落和引力波中引力波影响宇宙微波背景偏振第44页第45页冷暗物质模型第46页星系是怎么来?第47页大自然给我们提醒星系大尺度结构Lick North 星系分布图(1977)CfA 红移巡天发觉“上帝手指”、“长城”和空洞第48页暗能量与宇宙命运幽灵暗能量大撕裂第49页牛顿类比第50页