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大学物理大学物理第第2页页 共共29页页1.宇宙宇宙时间和空间联合时间和空间联合构成的统一整体构成的统一整体目标：了解宇观层次的物质结构目标：了解宇观层次的物质结构 了解宇宙的起源了解宇宙的起源近代物理观点近代物理观点：物质和它的运动物质和它的运动是统一的客观实在（空间广延、时间广延）是统一的客观实在（空间广延、时间广延）既不可能有脱离物质的运动，也不可能有脱离运动的物质。既不可能有脱离物质的运动，也不可能有脱离运动的物质。而时间和空间也只能凭借物质及其运动的存在才能体现而时间和空间也只能凭借物质及其运动的存在才能体现。观测宇宙观测宇宙人们用肉眼或仪器观测到的整个宇宙空间人们用肉眼或仪器观测到的整个宇宙空间及其各类天体的总称。（哈勃半径：及其各类天体的总称。（哈勃半径：150亿光年）亿光年）大学物理大学物理第第3页页 共共29页页宇宙宇宙 哲学意义上的概念哲学意义上的概念观测宇宙观测宇宙 天文学研究的对象天文学研究的对象2.天体天体宇宙间一切物质集团的总称宇宙间一切物质集团的总称 天空中的浮云、大气，山川、河流天空中的浮云、大气，山川、河流气象现象气象现象 人造卫星，宇宙火箭等人造卫星，宇宙火箭等人造天体人造天体3.光年光年光传播一年所经过的距离光传播一年所经过的距离 1光年光年=1013km（3 108 365 24 3600）光光1 1秒钟可以绕地球运行秒钟可以绕地球运行7圈，光从太阳传到地球只圈，光从太阳传到地球只需要约需要约8min。意义：意义：表征天体间的空间距离表征天体间的空间距离 表征携带信息的时间历史表征携带信息的时间历史 哈勃半径哈勃半径150亿光年亿光年从空间上得到了从空间上得到了150 亿光年尺亿光年尺度的横断面，时间上追溯到了度的横断面，时间上追溯到了150亿年前宇宙的历史。亿年前宇宙的历史。大学物理大学物理第第4页页 共共29页页1.天体的层次天体的层次 人类对宇宙的认识由近到远，由现在到过去逐渐展开人类对宇宙的认识由近到远，由现在到过去逐渐展开 星球星球“富富”星系团星系团河外星系河外星系太阳系太阳系恒星系恒星系(银河系银河系)星球：有自身内部结构和特性，包括恒星、行星、卫星球：有自身内部结构和特性，包括恒星、行星、卫 星、彗星、流星等。星、彗星、流星等。行星：绕恒星运动的近似球形天体，本身不发光。行星：绕恒星运动的近似球形天体，本身不发光。地球：地球：本星系群本星系群 银河系银河系 太阳系太阳系 一颗行星一颗行星 大学物理大学物理第第5页页 共共29页页各种天体的层次各种天体的层次天体层次天体层次 行星行星 恒星恒星 星际云星际云 星团星团 星系星系 宇宙宇宙 (地球地球)(太阳太阳)(平均平均)(球状球状)半径半径/pc 10-10 10-8 10 10 104 1010平均距离平均距离/pc 10-5 1 10 103 106 质量质量/M日日 10-6 1 103 106 1011 1021平均密度平均密度 5.515 1 10-23 10-21 10-23 10-30/(g/cm3)中心温度中心温度/K 104 107 102 pc为秒差距为秒差距 1pc=3.261633光年光年=3.085678 1016 m大学物理大学物理第第6页页 共共29页页 (1)太阳系太阳系 以太阳为中心，以及由它的引力支以太阳为中心，以及由它的引力支配而绕它运动的天体所构成的系统。配而绕它运动的天体所构成的系统。含有九大行星，含有九大行星，3000多个小行星，多个小行星，66 个天然卫星，个天然卫星，为数众多的彗星、为数众多的彗星、流星、星际物质、流星、星际物质、人造天体。人造天体。九星连珠：九星连珠：由于各行星绕太由于各行星绕太阳运动的轨道大小、速度各阳运动的轨道大小、速度各不相同，它们很难聚集在以不相同，它们很难聚集在以太阳为中心的扇形区域内。太阳为中心的扇形区域内。这是这是1982年出现的九星连珠年出现的九星连珠现象现象大学物理大学物理第第7页页 共共29页页 太阳太阳:银河系中一颗普通恒星银河系中一颗普通恒星 直径约直径约1.5 10-7光年，表面温度光年，表面温度6000K,中心温中心温度度1.5 107K,质量相当于质量相当于33.3万个地球。万个地球。大学物理大学物理第第8页页 共共29页页 地球地球:一颗大行星一颗大行星,年龄约年龄约40 50 亿年亿年人类起源：人类起源：100万年万年中华文明史：中华文明史：5000年以上年以上半径：半径：平均平均6370km外衣：外衣：地壳（平均厚度地壳（平均厚度33km）中间层：中间层：地幔地幔(平均厚度平均厚度2800多多km)核心：核心：地核（内核、外核）地核（内核、外核）大学物理大学物理第第9页页 共共29页页 月球月球:围绕地球运行的惟一颗卫星围绕地球运行的惟一颗卫星地地月月地地月月RRMM27.0811大学物理大学物理第第10页页 共共29页页 彗星彗星:围绕太阳运行或行经太阳附近的云雾状围绕太阳运行或行经太阳附近的云雾状 天体，由慧核、慧发、慧尾组成。天体，由慧核、慧发、慧尾组成。大学物理大学物理第第11页页 共共29页页流星体进入地球的大气流星体进入地球的大气 层中一般都能完全燃烧层中一般都能完全燃烧 气化，只有较大的流星气化，只有较大的流星 体燃烧不完，可以陨落体燃烧不完，可以陨落 到地面上而被称为到地面上而被称为陨星陨星。90%为硅酸盐矿物的石为硅酸盐矿物的石 陨星称为陨星称为陨石陨石。吉林吉林1号陨石是目前世界号陨石是目前世界上最大的陨石，重上最大的陨石，重1770kg。于于1976年年3月月8日陨落在吉日陨落在吉林省内。林省内。大学物理大学物理第第12页页 共共29页页(2)银河系银河系扁平铁饼状结构，直径达扁平铁饼状结构，直径达10万光年万光年3000亿个恒星亿个恒星+星团星团+星云星云太阳距银河系中心约太阳距银河系中心约3.3万光年万光年大学物理大学物理第第13页页 共共29页页2.宇宙学原理宇宙学原理 几条先验原则几条先验原则 对称性思想的体现对称性思想的体现1)宇宙间物质（及其发展规律）的统一性。宇宙间物质（及其发展规律）的统一性。2)人类在宇宙中不具有特殊的地位。人类在宇宙中不具有特殊的地位。3)宇宙间物质的无限性。宇宙间物质的无限性。宇宙学原理宇宙学原理：宇宙在整体上（能代表宇宙特：宇宙在整体上（能代表宇宙特征的大尺度上）是均匀的，各向同性的。任何征的大尺度上）是均匀的，各向同性的。任何一个典型星系上的观察者一个典型星系上的观察者“看到看到”的物理规律的物理规律相同。相同。大学物理大学物理第第14页页 共共29页页1.天文学历史上的三次飞跃天文学历史上的三次飞跃(1)行星层次行星层次 连结开普勒定律的飞跃连结开普勒定律的飞跃(17世纪世纪)弟谷弟谷:积累大量资料积累大量资料,达到前所未有的观测精度。达到前所未有的观测精度。开普勒开普勒:发现开普勒行星运动三定律，适用于所有发现开普勒行星运动三定律，适用于所有 行星的运动，给出行星理论的约束条件。行星的运动，给出行星理论的约束条件。牛顿牛顿：将地面物体力学规律应用于天体运动，实：将地面物体力学规律应用于天体运动，实 现物理学的第一次大综合。现物理学的第一次大综合。大学物理大学物理第第15页页 共共29页页(2)恒星层次恒星层次连结赫连结赫-罗图的飞跃罗图的飞跃1905 赫茨普龙赫茨普龙1913 罗素罗素 发现恒星表面温度发现恒星表面温度与恒星光度之间的关与恒星光度之间的关系，将纷杂现象纳入系，将纷杂现象纳入统一模型，给出恒星统一模型，给出恒星理论的理论的约束条件约束条件：第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚而成。而成。第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。大学物理大学物理第第16页页 共共29页页各恒星的区别：原始质量不同，各恒星的区别：原始质量不同，“年龄年龄”不同。不同。大学物理大学物理第第17页页 共共29页页星际星云星际星云原始恒星原始恒星主序星主序星红巨星红巨星超新星超新星爆发（或白矮星）爆发（或白矮星）黑洞（或中子星、星际物质）黑洞（或中子星、星际物质）大学物理大学物理第第18页页 共共29页页(3)星系层次星系层次 连结哈勃定律的飞跃（连结哈勃定律的飞跃（20世纪）世纪）1929年，发现所有年，发现所有星系的光谱均有红移星系的光谱均有红移现象，红移量与距离现象，红移量与距离 r 成正比。成正比。将红移量折合成星将红移量折合成星系的运动速度，即系的运动速度，即rHv0哈勃常数：哈勃常数：光光年年/sm101.2140H大学物理大学物理第第19页页 共共29页页2.大爆炸宇宙理论大爆炸宇宙理论现代理论认为，宇宙起源于一次大爆炸，现代理论认为，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。大爆炸前全部粒子处于高温高密度状态。大学物理大学物理第第20页页 共共29页页 “大爆炸大爆炸”启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演化成了现在的宇宙。化成了现在的宇宙。大学物理大学物理第第21页页 共共29页页(1)微波背景辐射微波背景辐射支持大爆炸宇宙学说的主要支持大爆炸宇宙学说的主要：1965年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉的各向同性的微波段的噪声辐射。的各向同性的微波段的噪声辐射。1989年，宇宙背景探测卫星年，宇宙背景探测卫星(COBE)对微波对微波背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为2.271 0.010K的的黑体辐射谱。黑体辐射谱。大学物理大学物理第第22页页 共共29页页(2)天体的年龄天体的年龄(3)氦的丰度氦的丰度元素在地壳中存在的百分含量元素在地壳中存在的百分含量,称为称为 大爆炸学说计算出的宇宙年龄大爆炸学说计算出的宇宙年龄 150200亿年。目前亿年。目前各种方法测定的天体年龄各种方法测定的天体年龄 50110亿年，且均小于宇亿年，且均小于宇宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。大爆炸理论计算出大爆大爆炸理论计算出大爆炸初期炸初期(3min以内以内)形成的氦形成的氦的丰度约为的丰度约为27%，与观测，与观测结果基本符合；同时很好结果基本符合；同时很好地解释了为什么各星系氦地解释了为什么各星系氦的丰度奇妙地相似。的丰度奇妙地相似。星星 系系 氦的丰度氦的丰度 银河系银河系 小麦云小麦云 大麦云大麦云 M33 NGC6822 NGC44499 NGC5461 NGC5471 NGC7679 0.29 0.25 0.29 0.34 0.27 0.28 0.28 0.28 0.29 大学物理大学物理第第23页页 共共29页页我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限地进行下去？地进行下去？三种膨胀宇宙三种膨胀宇宙开宇宙开宇宙：无限伸：无限伸展且永远膨胀。展且永远膨胀。闭宇宙闭宇宙：有限，最：有限，最终往回收缩到一次终往回收缩到一次“大塌聚大塌聚”。临界宇宙临界宇宙：无限：无限大，永远膨胀。大，永远膨胀。O大学物理大学物理第第24页页 共共29页页 如如 ，物质不能凝聚成星系和恒，物质不能凝聚成星系和恒星，不能产生生命。星，不能产生生命。临临界界膨膨胀胀vv我们的宇宙膨我们的宇宙膨胀处于胀处于“临界临界状态状态”。临界临界膨胀膨胀vv如如 ，能形成星系和恒能形成星系和恒星，能产生生命。星，能产生生命。“大塌聚大塌聚”临临 界界 分分 划划 线线(“平坦宇宙平坦宇宙”)“大爆炸大爆炸”15约约1000约约2000时间（时间（10亿年）亿年）距距离离现在现在大学物理大学物理第第25页页 共共29页页 1.大爆炸宇宙学说的发展大爆炸宇宙学说的发展 1)振荡宇宙模型振荡宇宙模型(20世纪世纪70年代年代)美美 桑德奇提出：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。形式处于高温、高密度状态。爆炸后演化为宇宙。2)暴胀宇宙模型暴胀宇宙模型(1980年年)古斯、温伯格在弱电统一古斯、温伯格在弱电统一理论基础上提出暴胀宇宙模型：爆炸后的最初理论基础上提出暴胀宇宙模型：爆炸后的最初10-30s内内宇宙尺度暴胀宇宙尺度暴胀1050倍，再以较平和速度膨胀。倍，再以较平和速度膨胀。3)宇宙弦宇宙弦(1984年开始年开始)大爆炸后的瞬间，物质的大爆炸后的瞬间，物质的高能状态下存在着一个统一场。在高能状态下存在着一个统一场。在10-35s左右，统一场左右，统一场种的冰结碎片形成纤细而密度极大的种的冰结碎片形成纤细而密度极大的“宇宙弦宇宙弦”。宇。宇宙弦在极强的引力场作用下形成星系。宙弦在极强的引力场作用下形成星系。大学物理大学物理第第26页页 共共29页页 2.宇宙学的未知课题宇宙学的未知课题(1)暗物质之谜暗物质之谜 1)20世纪世纪30年代，天文学家慧兹克注意到：星系的年代，天文学家慧兹克注意到：星系的环绕速度快，但稳定地呆在星系团中环绕速度快，但稳定地呆在星系团中 推测有暗物推测有暗物质。质。20世纪世纪70年代，发现银河系边缘的运动速度比理年代，发现银河系边缘的运动速度比理论家预言的快得多论家预言的快得多 暗物质弥漫于星际空间。暗物质弥漫于星际空间。宇宙中星际所含物质总量宇宙中星际所含物质总量可见物质总量。可见物质总量。对涡旋星系旋转情况的射电和光学观测表明，它对涡旋星系旋转情况的射电和光学观测表明，它们被暗物质晕包围。们被暗物质晕包围。(2)类星体能量之谜类星体能量之谜 类星体红移大，退行速度大，距离远。类星体红移大，退行速度大，距离远。类星体光度变化快，周期为普通星系的类星体光度变化快，周期为普通星系的 10-5倍，倍，尺度小。尺度小。类星体辐射功率极大，是普通星系的几百万倍。类星体辐射功率极大，是普通星系的几百万倍。大学物理大学物理第第27页页 共共29页页(3)射线爆现象射线爆现象 1967年发现，来自宇宙空间的年发现，来自宇宙空间的 突然增强，称突然增强，称 射线射线爆现象爆现象 能量：能量：10keV10MeV，少数达，少数达1GeV以上以上。射线爆现象的本质是什么？射线爆现象的本质是什么？射线爆的空间分布各向同性，远近不均匀。射线爆的空间分布各向同性，远近不均匀。射线爆的远近？射线爆的远近？能量机制是什么？能量机制是什么？产生巨大红移的机制是什么？产生巨大红移的机制是什么？大学物理大学物理第第28页页 共共29页页宇宙极早期只有一种统一宇宙极早期只有一种统一的相互作用的相互作用 主干。主干。10-44s对应于超流对应于超流 真真空相变，这正是时空的起空相变，这正是时空的起源，分离出引力作用。源，分离出引力作用。10-36s对应于大统一的真实对应于大统一的真实相变相变不对称的起源，不对称的起源，分离出强作用。分离出强作用。10-10s弱电统一的真实相变，弱电统一的真实相变，弱作用和电磁作用分离。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的演变。沿着宇宙历史往回追溯，预期会见到早期宇宙温度的演变。当温度升高时，自然力的有效强度亦将增加，预期会出现各种当温度升高时，自然力的有效强度亦将增加，预期会出现各种力的统一。力的统一。大学物理大学物理第第29页页 共共29页页创生期：创生期：t 10-44 s时空产生时空产生极早期：极早期：t 10-36 s,宇宙暴涨，形成夸克、轻宇宙暴涨，形成夸克、轻子。宇宙子。宇宙高能实验室高能实验室早期：早期：t 102 s,产生各种产生各种轻元素。又称核合成期。轻元素。又称核合成期。近期：近期：t 105 年年,温度降至温度降至4000K，形成原子、并逐渐，形成原子、并逐渐形成各种尺度的星体和星系。形成各种尺度的星体和星系。现在：现在：t 150亿亿 年，年，温度温度 下降至下降至2.7K
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