2019-2020年高中物理 《宇宙学简介》教案 粤教版选修3-4.doc

2019-2020年高中物理 宇宙学简介教案 粤教版选修3-4一、教学目标1.知识与技能（1）初步了解宇宙学的发展史（2）关注宇宙学研究的新进展2.过程与方法通过阅读书刊和上网收集资料、同学间交流、观看关于宇宙学的科普影片和录像等形式来关注宇宙学研究的进展3.情感、态度与价值观通过初步了解宇宙学的发展和目前研究的新进展，使学生更深刻感受物理学的价值，认识到“利用科学解决人类社会的问题，是人类改造社会不可或缺的手段”。激发学生热爱科学，促进学生情感的迁移和人性的完善。二、教学过程（一）引入新课放眼无垠夜空，触目所视皆是扣人心弦的悸动。令人无法自已的万里星空，是宇宙造物主鬼斧神工，瑰丽惊艳的传世之作。自从1929年Hubble 将人类视野延伸至银河系外，加上1965年发现的3K（更精确的数值为2.735K）宇宙背景辐射以及60年代成功的高能粒子理论，人类的宇宙观有了重大的转变。20世纪末叶人类的宇宙观，更由于观测技术的进步与发展，而有大幅度的成长。其中对宇宙背景辐射（CMB, Cosmic Microwave Background）的精密观测与数据陆续出笼，使得宇宙学正式成为实验物理最为令人看好的一支，也吸引大量人力与物力的投入，是最被物理学家看好，最有前景的主流物理之一。（二）进行新课1.人类对宇宙演化的认识宇宙学进展大事随纪1. 1608年Hans Lippershey 建造第一个折射式光学望远镜。2. 1609年Galilei 建造第一个折射式光学天文望远镜，并用其作为天文观测之用。3. 1668年Issac Newton 牛顿建造第一个反射式光学天文望远镜，并用其作为天文观测之用。4. 1917年George Hale 建造完成位于美国加州威尔森山 (Mt. Wilson) 直径100吋的光学反射式望远镜天文观测站。5. 1929年哈伯 (Edwin Hubble) 在美国加州威尔森山利用光学望远镜观测宇宙，发现银河系外还有其它星系，而且由光谱线红位移现象发现宇宙正在膨胀之中。6. 1949年George Hale 负责设计监造位于加州帕洛玛 (Palomar) 直径200吋的光学反射式望远镜天文观测站完成。7. 1965年Arno Penzias和Robert Wilson发现2.735K宇宙背景辐射。8. 1966年Rainer Sachs和Arthur Wolfe预测因为介于观测者与最后散射面(last scattering surface, LSS)间导因于重力场变化的CMB微扰。史称Sachs-Wolfe效应。9. 1969年Rashid Sunyaev 和Yakov Zeldovich 研究CMB 光子和LSS热电子间的康卜敦散射 (pton scattering)。史称Sunyaev-Seldovich 效应。10. 1989年Cosmic microwave Background Explorer (COBE) 升空进入地球轨道。11. 1990年哈伯天文望远镜(Hubble Telescope, HUT) 升空进入地球轨道。12. xx年对第一类超新星 (type I supernova) 的观测证实宇宙正在加速膨胀之中。13. xx年Microwave Anisotropy Probe (MAP) 升空进入地球轨道。14. xx年台湾Anisotropy Microwave Background Interferometer Baseline Array (AMIBA) 的原型望远镜即将正式运作。其它大型计划亦是箭在弦上。年代的宇宙观20世纪人类有三大创举，除了高得 (Godel) 的不完整理论 (inplete theory, 1931发表)，少有人注意到之外，一般物理学家都耳熟能详的，就是量子力学 (Quantum mechanics, QM) 及广义相对论了，而广义相对论的重要性与影响的深远，更远在量子力学之上。然而，颇令人不可思议的是：广义相对论并没有在大学课程的安排上，受到量子力学般必修的待遇，这其中的缘由实在值得我们重新思考。人类文明史的发展与夜观天象这回事，密不可分。不论东方或西方的天文记载，早在文字一出现就有脉落可循。随后较大的突破，始于400年前的伽利略，他不但确立以实验验证理论的划时代作风，宣告物理学的诞生，他还有一项发明，就是望远镜。这项发明，帮助天文观测以及理论更上层楼。当然，古典的重力理论随后由牛顿创立，在爱因斯坦之前的古典天文史，也算颇有年代了。然而，你可能不知道，我们今天所认识的宇宙，是在20年代末，才由哈伯在加州威尔森山的观测，确立我们现在所熟悉的宇宙及演化模型。还有星星的演化流程与机制，也是在60年代，理论高能物理有了重大突破以后，才逐渐形成今天广为众人接受的大霹厘说今天的样貌。也就是说，你如果活在20年代，你大概会被当代大师的宇宙观吓一大跳！由于90年以前天文观测的误差相当令人难以接受，致使天文与物理之间，如同同床异梦，貌合神离，间而阻碍了这个领域的发展。但是天文观测在90年后，由于大量使用新一代电子仪器与借助人造卫星、热汽球与无线电天文望远干涉仪等新仪器，加上低温物理的进展，还有宽带高频仪器的发展，使得天文观测的可信度与精确度大大提高，使得天文观测与90年之前有如天地之别，天文物理正式发展成一门可信度相当的实验物理。这期间广义相对论和一般物理的难度与复杂度有段距离，使得一般物理学家在缺乏相关训练下，有点难以就手，实在有点令人遗憾。所幸，物理一向有多样的面貌，有些事情，你大可不用广义相对论，把牛顿的东西搬出来，稍加修饰，也可说得好像那么一回事。举例来说由于宇宙因为是均匀、没有方向性的 (homogeneous and isotropic) 所以可得其测度度规 (metric) 可化简成其中可以看成宇宙半径，分别表示封闭、平直与开放的宇宙。这三类的空间我们称为福里曼罗柏生窝可空间Friedmann-Robertson-Walker (FRW) space。若用牛顿力学可得；其中为一个宇宙中某待测质点的质量，T为其动能，U为其重力位能，为宇宙平均能量密度。如果 为临界能量密度(critical density)，使得E=，意即宇宙形成束缚态(bound state)的密度，则可得 其中为哈伯常数(Hubble constant)，而现在（即 lightyear光年），所以可知，约为每立方公尺有3个质子。事实上，上面的公式不应该用上面这种错误的方法导出，应该遵循广义相对论的原理，直接解爱因斯坦方程式求解。虽然我们没办法在这里详细交代广义相对论的原理，但是这个方程式，事实上正好是在FRW空间下的爱因斯坦方程式。虽然导出方法大不相同，这样的巧合戏剧性地说明了物理多样性的一面！2.宇宙学的新进展年代的宇宙观宇宙演化I think it is fair to say that no one understands the quantum theory. Feynman1929年，哈伯确定宇宙正在以约为常数的速率膨胀之中。反推回去，则可推知宇宙在演化早期，应该是非常拥挤，非常炙热的世界，再加上Penzias 及Wilson在1965年意外地发现宇宙2.735K背景辐射，不但是均匀的，而且没有方向性。这意谓我们的宇宙，在早期就已经充份地达到热平衡。但是由现今宇宙的大小，依目前膨胀速率倒过来推算回去，我们发现早期宇宙依然太大，无法有效完成热平衡，进而造成今天高度均匀、无向的宇宙背景辐射。因此1980年MIT的Alan Guth提出暴胀宇宙 (inflationary universe) 的机制，相当程度地解决了宇宙霹雳说 (big bang model) 所留下的缺口。于是我们在60年代成功的粒子标准模型的声援下，有了以下的宇宙标准模型 (standard model)：宇宙演化大事随纪宇宙起始于很小的奇点，然后一声BANG！宇宙开始全方位膨胀，启动时间简史。随后在10-43至10-34秒之间，宇宙进行暴胀。宇宙的半径约从10-25cm膨胀到相当于一粒米的大小，宇宙的温度则由1019Gev (相当于1032K) 经由一番曲折的历程在此一瞬间降到1014Gev(1027K)。之后由粒子物理的标准模型接管，进行温博格在宇宙前三分钟那本书中所描述的物理。约30万年时，宇宙由辐射为主 (Radiation Dominate, RD) 的时期，转成以物质为主 (Matter Dominate, MD) 的时期。当时光子的温度约为3000K，历经宇宙膨胀冷却而残留我们今天所观测到的2.735K宇宙背景辐射。自从Guth提出的宇宙暴胀模型，相当多物理学家开始接受霹雳说，并藉由逐渐成熟的粒子场论模型，物理学家开始对相关的CMB深入探讨。这期间物理界有三大盛事，人称三个超事件。一是1984年超弦理论 (superstring) 死而复活，其二是1986发现高温超导，最后是1987人类第一次有计划观测超新星 1987A的爆发历程。这三件大事，都相当程度地影响整个物理界的进展。超弦理论的成功，使得更多的物理学家开始接受高维度空间存在的可能性，高温超导当然是当年一件大事，虽然是高温超导的梦想尚待实现，却使得原先设计的美国超导超级对撞机因可能的梦想而稍有停滞，最后导致停建。这两件事相当程度的使得高能物理学家转而关注宇宙这个穷人加速器，而大量人力物力的投入，也使得这十年间的宇宙学，不但在理论上更臻成熟，也使得90年代相关的天文卫星实验、大尺度的天文观测站、热汽球实验、航天飞机实验等等，逐渐变为可能。观测超新星 1987A的爆发历程，不但验证相关粒子物理模型与天体演化历程的可信度，更提供我们对距离测量与宇宙实际密度的相关线索。总而言之，宇宙学在80年代中期，已经成为一门严谨的理论物理学，物理学家对宇宙的演化已有相当程度的掌握。因为对观测的种种殷望，在物理学家共同的需要下，相关的计算机，半导体产业与精密工业的配合下，加上太空观测在NASA的努力与支持下，逐渐使得精密测量变为可行。物理学家开始进行地面与高空，甚至太空的观测站设置，展开不同波长，可见与不可见光的各式观测实验，试图突破距离与大气层对我们所造成的种种限制。因此80年代像是实验准备阶段，而90年代则正式成为实验的年代。由于欠缺实验的左证，80年代物理学家的宇宙观非常开阔。不论甚么维度的时空，不论如何复杂的机制，都有人相信，宇宙学不但天马行空，而且波澜壮阔，就人类思考行为而言，这真是一个百家齐放，百家争鸣的文艺复兴时期。年代的宇宙观在众人殷切的期盼下，宇宙相关观测实验在90年代陆续上线。爱因斯坦最美丽的错误-宇宙常数1915年人类还相信宇宙是静止的，爱因斯坦为了解释宇宙为何是静止的，必须引入一个常数项，提供一个反制宇宙里所有可见星体受重力内塌的排斥力，才有办法用他用广义相对论推导而得的爱因斯坦方程式自圆其说。事后物理学家发现有其它静止宇宙的解，甚而随后又发现宇宙并非静止，因此爱因斯坦曾针对他引进的宇宙常数发表评论说：宇宙常数是他一生所犯下的最大错误。事实上，直到xx年之前的物理学家认为宇宙常数几近于零，但是所有的场论理论都预测一个很大的宇宙常数，这个难解的问题史称宇宙常数难题。虽然超弦理论一度让人们以为我们可以找到量子重力场论，进而解开量子宇宙的迷团，顺带解决宇宙常数问题，然而过了近二十年，我们的梦想依然遥远。由于问题无法理解，人称宇宙常数是爱因斯坦最美丽的错误。尾大不掉的星系与暗物质观察我们银河系就可以发现，银河系外围的恒星，其绕银河系中心旋转的速度，并没有随距离银河中心的距离增加而减慢，反而接近常数值。强大的离心力，需要比银河系可见恒星总值量大约100倍的总质量，才有办法把银河系边缘恒星留住。这些不发光的物质，史称暗物质。为甚么有这么多暗物质，还有暗物质到底是甚么东西，一直受到物理学家的注意，史称暗物质问题。直到现在我们仍不清楚为何宇宙大部份能量都不是以可见的物质型态存在。物理学家正在推测各种可能的黑暗物质，期盼观测实验或高能实验能给我们一个明确的答案。同时，物理学家一直相信宇宙虽然在持续膨胀之中，但是一直相信宇宙总质量小于但接近临界质量，一直忽略宇宙常数项的影响。但是到了xx年，两组分别由位于美国劳伦斯柏克莱国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的 Saul Permutter博士所主持的超新星宇宙学计划 (supernova cosmology project) 与澳洲斯壮罗山天文台(Mt. Stromlo observatory) Brian Schmidt博士所主持的高红位移超新星搜寻组 (High-Z supernova search team)，以第一类超新星 (type Ia supernova) 为观测目标，得到的数据证实宇宙正在加速膨胀之中。加上其它相关观测，物理学家相信现在宇宙总能量约有四分之三是由宇宙常数项提供，又称为暗能量另外四分之一则是以物质型态存在的能量。当然绝大多数的物质都是暗物质。前面我们有介绍均匀、无向的宇宙演化方程式，在非临界质量时为其中的就是爱因斯坦加上的宇宙常数。把这个方程式稍微微分，再加减整理一下，就可得：)其中p为流体的压力密度，和流体能量密度的关系由能量守恒定律来决定。物理学家就是靠这些方程式来决定物质含量比率与暗能量的比率。xx年与及最近这一、两年的发现，使得我们的宇宙观有了很大的转变。人们开始关心，宇宙常数为何这么大？宇宙常数和物质之间的比率又为何这么接近？有趣的是，如果宇宙持续这样子加速膨胀，数十亿年后，其它恒星都将因离我们太远，甚而落在视线之外。因此，当我们仰望夜空，暗无星光的月夜，将是何等的孤寂。前面说过，现在的天文观测由于大量使用新一代电子仪器并借助人造卫星、热汽球与无线电天文望远干涉仪等新仪器，加上低温、宽带、高频仪器的发展，使得天文观测的可信度与精确度大大提高，几个大型计划也正如火如荼的陆续展开之中。在未来十年内，陆续获得的数据与信息，将使我们更精确地了解与掌握宇宙的过去与未来可能的演化方向，让我们下一个世纪的研究方向更加明朗化。当然，哥伦布当年横跨大西洋，目标是印度、中国，却意外的发现美洲新大陆。同样的，过往我们投资的许多大型实验，也如同哥伦布的发现之旅一样，几乎没有任何实验能按原定计划完成。然而原先的设计，却也常有意外发现。只要各种计划持续的进行，庞大的研究人力也能持续的投入，人类的宇宙拓荒之旅，一定一样神速无比，也一定一样一路充满惊人的喜悦。回观20世纪初物理学家所处充满变化的环境，似乎是本世纪初的回影。在这个充满挑战与喜悦的年代，从事宇宙、物理研究的物理学家，比任何时代的物理学家更加幸运，不但可以见证物理快速的成长，还将见证大尺度、浩瀚宇宙的神秘面纱在我们面前一点一点地揭开。物理学家过去这几年开始协助科幻电影的制作，物理本身的发展也充满幻象万千的科幻情节。说不定几年后一、两个重要的突破，可以让我们的宇宙观有全然不同的样貌，让我们惊赞不已！年轻的朋友们，想要又high又炫的人生吗？宇宙之船即将开航，心动就要马上行动！课余作业完成练习题目。课下阅读课本相关内容