大學(xué)物理,物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次2.ppt

同學(xué)們好！,第2頁(yè) 共29頁(yè),第三節(jié) 宇宙,一、幾個(gè)概念 1.宇宙時(shí)間和空間聯(lián)合構(gòu)成的統(tǒng)一整體,目標(biāo)：了解宇觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 了解宇宙的起源,近代物理觀點(diǎn)：物質(zhì)和它的運(yùn)動(dòng) 是統(tǒng)一的客觀實(shí)在（空間廣延、時(shí)間廣延） 既不可能有脫離物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，也不可能有脫離運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)。而時(shí)間和空間也只能憑借物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的存在才能體現(xiàn)。,觀測(cè)宇宙人們用肉眼或儀器觀測(cè)到的整個(gè)宇宙空間及其各類天體的總稱。（哈勃半徑：150億光年）,第3頁(yè) 共29頁(yè),宇宙 哲學(xué)意義上的概念 觀測(cè)宇宙 天文學(xué)研究的對(duì)象,2.天體宇宙間一切物質(zhì)集團(tuán)的總稱 天空中的浮云、大氣，山川、河流氣象現(xiàn)象 人造衛(wèi)星，宇宙火箭等人造天體,3.光年光傳播一年所經(jīng)過(guò)的距離 1光年=1013km（3108 365 24 3600） 光1秒鐘可以繞地球運(yùn)行7圈，光從太陽(yáng)傳到地球只需要約8min。 意義： 表征天體間的空間距離 表征攜帶信息的時(shí)間歷史,哈勃半徑150億光年從空間上得到了150 億光年尺度的橫斷面，時(shí)間上追溯到了150億年前宇宙的歷史。,第4頁(yè) 共29頁(yè),二、宇宙的一般圖景,1. 天體的層次,人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)由近到遠(yuǎn)，由現(xiàn)在到過(guò)去逐漸展開(kāi),星球,“富”星系團(tuán) 河外星系,太陽(yáng)系,恒星系 (銀河系),第5頁(yè) 共29頁(yè),各種天體的層次,天體層次 行星 恒星 星際云 星團(tuán) 星系 宇宙 (地球) (太陽(yáng)) (平均) (球狀),半徑/pc 10-10 10-8 10 10 104 1010,平均距離/pc 10-5 1 10 103 106 ,質(zhì)量/M日 10-6 1 103 106 1011 1021,平均密度 5.515 1 10-23 10-21 10-23 10-30 /(g/cm3),中心溫度/K 104 107 102 ,pc為秒差距 1pc = 3.261633光年=3.0856781016 m,第6頁(yè) 共29頁(yè),(1) 太陽(yáng)系 以太陽(yáng)為中心，以及由它的引力支 配而繞它運(yùn)動(dòng)的天體所構(gòu)成的系統(tǒng)。 含有九大行星， 3000多個(gè)小行星， 66 個(gè)天然衛(wèi)星， 為數(shù)眾多的彗星、 流星、星際物質(zhì)、 人造天體。,九星連珠：由于各行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道大小、速度各不相同，它們很難聚集在以太陽(yáng)為中心的扇形區(qū)域內(nèi)。這是1982年出現(xiàn)的九星連珠現(xiàn)象,第7頁(yè) 共29頁(yè),太陽(yáng): 銀河系中一顆普通恒星 直徑約1.510-7光年，表面溫度6000K,中心溫度1.5107K, 質(zhì)量相當(dāng)于33.3萬(wàn)個(gè)地球。,第8頁(yè) 共29頁(yè),地球: 一顆大行星, 年齡約40 50 億年,人類起源： 100萬(wàn)年 中華文明史： 5000年以上,地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 半徑：平均6370km 外衣：地殼（平均厚度33km） 中間層：地幔(平均厚度2800多km) 核心：地核（內(nèi)核、外核）,第9頁(yè) 共29頁(yè),月球: 圍繞地球運(yùn)行的惟一顆衛(wèi)星,第10頁(yè) 共29頁(yè),彗星: 圍繞太陽(yáng)運(yùn)行或行經(jīng)太陽(yáng)附近的云霧狀 天體，由慧核、慧發(fā)、慧尾組成。,第11頁(yè) 共29頁(yè),隕石: 流星體進(jìn)入地球的大氣 層中一般都能完全燃燒 氣化，只有較大的流星 體燃燒不完，可以隕落 到地面上而被稱為隕星。 90%為硅酸鹽礦物的石 隕星稱為隕石。,吉林1號(hào)隕石是目前世界上最大的隕石，重1770kg。于1976年3月8日隕落在吉林省內(nèi)。,第12頁(yè) 共29頁(yè),(2) 銀河系,扁平鐵餅狀結(jié)構(gòu)，直徑達(dá)10萬(wàn)光年 3000億個(gè)恒星 + 星團(tuán) + 星云,太陽(yáng)距銀河系中心約3.3萬(wàn)光年,第13頁(yè) 共29頁(yè),2. 宇宙學(xué)原理,宇宙學(xué)原理：宇宙在整體上（能代表宇宙特征的大尺度上）是均勻的，各向同性的。任何一個(gè)典型星系上的觀察者“看到”的物理規(guī)律相同。,第14頁(yè) 共29頁(yè),三、大爆炸宇宙模型,1. 天文學(xué)歷史上的三次飛躍,(1) 行星層次 連結(jié)開(kāi)普勒定律的飛躍(17世紀(jì)),弟谷: 積累大量資料, 達(dá)到前所未有的觀測(cè)精度。 開(kāi)普勒:發(fā)現(xiàn)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律，適用于所有 行星的運(yùn)動(dòng)，給出行星理論的約束條件。 牛頓：將地面物體力學(xué)規(guī)律應(yīng)用于天體運(yùn)動(dòng)，實(shí) 現(xiàn)物理學(xué)的第一次大綜合。,第15頁(yè) 共29頁(yè),(2) 恒星層次連結(jié)赫 - 羅圖的飛躍,1905 赫茨普龍 1913 羅素,發(fā)現(xiàn)恒星表面溫度與恒星光度之間的關(guān)系，將紛雜現(xiàn)象納入統(tǒng)一模型，給出恒星理論的約束條件：,第一，所有恒星最初均由氫、氦為主的原始?xì)怏w凝聚而成。 第二，發(fā)生在恒星核心的核聚變制約恒星演化過(guò)程。,第16頁(yè) 共29頁(yè),各恒星的區(qū)別：原始質(zhì)量不同，“年齡”不同。,第17頁(yè) 共29頁(yè),星際星云原始恒星主序星紅巨星超新星爆發(fā)（或白矮星）黑洞（或中子星、星際物質(zhì)）,第18頁(yè) 共29頁(yè),(3) 星系層次 連結(jié)哈勃定律的飛躍（20世紀(jì)）,1929年，發(fā)現(xiàn)所有星系的光譜均有紅移現(xiàn)象，紅移量與距離 r 成正比。,將紅移量折合成星系的運(yùn)動(dòng)速度，即,哈勃常數(shù)：,第19頁(yè) 共29頁(yè),2.大爆炸宇宙理論,現(xiàn)代理論認(rèn)為，宇宙起源于一次大爆炸，,大爆炸前全部粒子處于高溫高密度狀態(tài)。,第20頁(yè) 共29頁(yè),“大爆炸”啟動(dòng)了宇宙膨脹，后因膨脹、降溫演化成了現(xiàn)在的宇宙。,第21頁(yè) 共29頁(yè),(1) 微波背景輻射,支持大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)的主要實(shí)驗(yàn)事實(shí)：,1965年，彭齊阿斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了消除不掉的各向同性的微波段的噪聲輻射。,1989年，宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星(COBE)對(duì)微波背景輻射測(cè)量的結(jié)果，非常精確地符合溫度為2.2710.010K的黑體輻射譜。,第22頁(yè) 共29頁(yè),(2) 天體的年齡,(3) 氦的豐度 元素在地殼中存在的百分含量,稱為豐度。,大爆炸學(xué)說(shuō)計(jì)算出的宇宙年齡 150200億年。目前各種方法測(cè)定的天體年齡 50110億年，且均小于宇宙年齡。符合大爆炸學(xué)說(shuō)邏輯。,大爆炸理論計(jì)算出大爆炸初期(3min以內(nèi))形成的氦的豐度約為27%，與觀測(cè)結(jié)果基本符合；同時(shí)很好地解釋了為什么各星系氦的豐度奇妙地相似。,第23頁(yè) 共29頁(yè),問(wèn)題：我們目睹的這種宇宙膨脹是否會(huì)無(wú)限地進(jìn)行下去？,三種膨脹宇宙,開(kāi)宇宙：無(wú)限伸展且永遠(yuǎn)膨脹。,閉宇宙：有限，最終往回收縮到一次“大塌聚”。,臨界宇宙：無(wú)限大，永遠(yuǎn)膨脹。,O,第24頁(yè) 共29頁(yè),如 ，物質(zhì)不能凝聚成星系和恒星，不能產(chǎn)生生命。,我們的宇宙膨脹處于“臨界狀態(tài)”。,如 ，能形成星系和恒星，能產(chǎn)生生命。,第25頁(yè) 共29頁(yè),四、宇宙學(xué)的發(fā)展,1. 大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)的發(fā)展,1) 振蕩宇宙模型(20世紀(jì)70年代) 美桑德奇提出：在每一振蕩周期開(kāi)始時(shí)刻，全部宇宙物質(zhì)以基本粒子形式處于高溫、高密度狀態(tài)。爆炸后演化為宇宙。,2) 暴脹宇宙模型(1980年)古斯、溫伯格在弱電統(tǒng)一理論基礎(chǔ)上提出暴脹宇宙模型：爆炸后的最初10-30s內(nèi)宇宙尺度暴脹1050倍，再以較平和速度膨脹。,3) 宇宙弦(1984年開(kāi)始) 大爆炸后的瞬間，物質(zhì)的高能狀態(tài)下存在著一個(gè)統(tǒng)一場(chǎng)。在10-35s左右，統(tǒng)一場(chǎng)種的冰結(jié)碎片形成纖細(xì)而密度極大的“宇宙弦”。宇宙弦在極強(qiáng)的引力場(chǎng)作用下形成星系。,第26頁(yè) 共29頁(yè),2. 宇宙學(xué)的未知課題 (1) 暗物質(zhì)之謎,1) 20世紀(jì)30年代，天文學(xué)家慧茲克注意到：星系的環(huán)繞速度快，但穩(wěn)定地呆在星系團(tuán)中 推測(cè)有暗物質(zhì)。 2) 20世紀(jì)70年代，發(fā)現(xiàn)銀河系邊緣的運(yùn)動(dòng)速度比理論家預(yù)言的快得多 暗物質(zhì)彌漫于星際空間。 3) 宇宙中星際所含物質(zhì)總量可見(jiàn)物質(zhì)總量。 4) 對(duì)渦旋星系旋轉(zhuǎn)情況的射電和光學(xué)觀測(cè)表明，它們被暗物質(zhì)暈包圍。,(2) 類星體能量之謎 1) 類星體紅移大，退行速度大，距離遠(yuǎn)。 2) 類星體光度變化快，周期為普通星系的 10-5倍，尺度小。 3) 類星體輻射功率極大，是普通星系的幾百萬(wàn)倍。,第27頁(yè) 共29頁(yè), 射線爆現(xiàn)象 1967年發(fā)現(xiàn)，來(lái)自宇宙空間的 突然增強(qiáng)，稱 射線爆現(xiàn)象,1) 能量：10keV10MeV，少數(shù)達(dá)1GeV以上。 射線爆現(xiàn)象的本質(zhì)是什么？,2) 射線爆的空間分布各向同性，遠(yuǎn)近不均勻。 射線爆的遠(yuǎn)近？,能量機(jī)制是什么？ 產(chǎn)生巨大紅移的機(jī)制是什么？,第28頁(yè) 共29頁(yè),五、宇宙演化與四種基本相互作用的關(guān)系,宇宙極早期只有一種統(tǒng)一的相互作用 主干。,10-44s對(duì)應(yīng)于超流 真空相變，這正是時(shí)空的起源，分離出引力作用。,10-36s對(duì)應(yīng)于大統(tǒng)一的真實(shí)相變不對(duì)稱的起源，分離出強(qiáng)作用。,10-10s弱電統(tǒng)一的真實(shí)相變，弱作用和電磁作用分離。,沿著宇宙歷史往回追溯，預(yù)期會(huì)見(jiàn)到早期宇宙溫度的演變。當(dāng)溫度升高時(shí)，自然力的有效強(qiáng)度亦將增加，預(yù)期會(huì)出現(xiàn)各種力