高中物理《粒子和宇宙》课件6（15张PPT）（新人教选修3-5）

欢迎进入物理课堂 探索宇宙大爆炸 一 宇宙模型二 宇宙的诞生与未来三 大爆炸宇宙论四 大爆炸宇宙论的两个证据五 宇宙的形成进程六 宇宙图片 基于 宇宙是膨胀的 这个由观测事实得到的论点 人们建立了宇宙的三种不同模型 第一种是稳定态模型 认为宇宙一直在以不变的速率膨胀 新的物质不断产生 某一空间总是有同量的物质 第二种是大爆炸模型 认为宇宙起源于一次大爆炸 以后各星系会无限膨胀 宇宙的全部元素供应都在爆炸的头半个小时内产生齐备 再不会有新的物质产生 第三种是脉动模型 认为宇宙的所有物质都从一团原先压紧的物质飞离 速度逐渐缓慢下来 最终停止不动 而后开始在各部的引力互拉影响下发生收缩 物质凝聚到最后再度发生爆炸 在这些过程中 物质既没有产生 也没有毁灭 只是重新编排 互换位置 3种宇宙模型共存 人们为此激辩了许多年 到了50年代后期 大爆炸模型渐趋上风 到1965年 更有观测证据有力地支持大爆炸模型 从此 大爆炸模型被广泛地接受了 宇宙模型 大爆炸模型认为 最初的宇宙是连10 25厘米也未充满的超高温 高密度的 一点 大约180亿年前 这 一点 突然爆炸了 仅用10 36秒 伴随着真空相转移的过冷却现象 一点 做了瞬间几十个数量级的膨胀 成为一厘米规模的宇宙 其后宇宙继续膨胀 温度从几十亿摄氏度开始下降 大约在5500万摄氏度时 由降温过程的能量 生成中子 质子它们又合民原子核 这些过程仅有3分钟 约30万年后当宇宙的温度下降到3000摄氏度时 自由电子被原子核捕捉形成原子 在随后的大约3000万年中那些原子继续外冲 宇宙也继续冷却 到宇宙温度降至绝对零度之上167度时 原子开始化合形成稀薄气体 此后因密度波动 引力作用 部分收缩 向新的天体进化 再经过100多亿年 显示出多种多样的物质形态 成了今天的宇宙 宇宙的诞生与未来 大爆炸理论告诉了人们宇宙是怎样诞生的 但并未说明宇宙将怎样死亡或是否会死亡 对这个问题 人类现在还未得到确切的答案 人们认为 宇宙的未来取决于宇宙的几何模型 即宇宙是开放的还是闭合的 回答这个问题 要以爱因斯坦的狭义相对论 时空理论和广义相对论 引力理论为基础 狭义相对论发现了高速运动能使时间 长度和质量发生奇怪的畸变 广义相对论指出空间是弯曲的 运用爱因斯坦的理论 可以找出一种能够确定宇宙弯曲与否的观测方法 这种方法所根据的原理是 宇宙业己膨胀 必然会自行制动 因为各星系间相互引力一定会发生使各星系彼此分离的飞行缓慢下来的作用 制动效应的测量方法在于过去的膨胀速度 如果过去的膨胀速度比现在的膨胀速度大的多 那就表示宇宙的行动己被制住了很多 它的曲率是正的象一个球体表面 如果制动只有一点点 它的曲率可能是零 象普通欧几里得 平直 空间 如果完全没有制动 它的曲率就是负的 象西部马鞍的表面 到现在为止 人们对暗淡而迅速后退的星系所做的多次探测 显示出宇宙大概是正弯曲的 这就是说宇宙无边然而是有限的 它可能往四面八方无限远地伸展 而质量并非无穷 人类对宇宙未来的认识仅仅如此 但人类己知地球所属的太阳系及银河系是无法永存的 五六十亿年之后 太阳将膨胀成大火球 那时人类的后代只有移民到银河系中别的星系的一行星上才会得以续存 当银河系大大小小的恒星都黯然无光之时 人类将怎么办呢 当然人类不能无动于衷 当然 大爆炸理论认为今天的宇宙仍在继续膨胀 这张珍贵的照片是美国宇航局科学家通过威尔金森各向异性微波探测器经过一年时间的观测获得的结果 照片中包含了许多令人震惊的信息 为支持宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论提供了新的依据 同时为揭开暗能量之谜指引了道路 据有关人士估计 这项成果是近几年宇宙研究中最重大的发现之一 宇宙是如何形成的 关于这个课题迄今有多种说法 其中 宇宙大爆炸模型有较多的观测成果来支持 又被称为 标准宇宙模型 这一模型是俄裔美籍科学家伽莫夫在1948年提出的 认为现在观测到的宇宙开始于最初的一次大爆炸 大爆炸使物质四散飞出 宇宙空间不断膨胀 温度随之下降 化学元素开始形成 宇宙间的物质包括质子光子电子和较轻的原子核相继出现 宇宙中的星系 恒星 行星乃至生命都是在这种不断膨胀和冷却的过程中形成的 作为这次大爆炸的遗迹和证据之一的便是宇宙微波背景辐射 早在1929年 埃德温 哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现 即不管你往哪个方向看 远处的星系正急速地远离我们而去 换言之 宇宙正在不断膨胀 这意味着 在早先星体相互之间更加靠近 事实上 似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻 它们刚好在同一地方 所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻 当时宇宙无限紧密 1950年前后 伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念 这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点 然后向四周的空气传播开去的那种爆炸 而是一种在各处同时发生 从一开时就充满整个空间的那种爆炸 爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔 事实上应该理解为空间的急剧膨胀 整个空间 可以指的是整个无限的宇宙 或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙 根据大爆炸宇宙论 甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体 温度极高 密度极大 且以很大的速率膨胀着 这些气体在热平衡下有均匀的温度 这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志 因而称宇宙温度 气体的绝热膨胀将使温度降低 使得原子核 原子乃至恒星系统得以相继出现 大爆炸宇宙论 从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来 通过几十年的努力 宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史 大爆炸开始时150 200亿年前 极小体积 极高密度 极高温度 大爆炸后10 43秒宇宙从量子背景出现 大爆炸后10 35秒同一场分解为强力 电弱力和引力 大爆炸后10 5秒10万亿度 质子和中子形成 大爆炸后0 01秒1000亿度 光子 电子 中微子为主 质子中子仅占10亿分之一 热平衡态 体系急剧膨胀 温度和密度不断下降 大爆炸后0 1秒后300亿度 中子质子比从1 0下降到0 61 大爆炸后1秒后100亿度 中微子向外逃逸 正负电子湮没反应出现 核力尚不足束缚中子和质子 大爆炸后13 8秒后30亿度 氘 氦类稳定原子核 化学元素 形成 大爆炸后35分钟后3亿度 核过程停止 尚不能形成中性原子 大爆炸后30万年后3000度 化学结合作用使中性原子形成 宇宙主要成分为气态物质 并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块 直至恒星和恒星系统 一 宇宙背景輻射若果宇宙早期溫度真的很高 物質便應放射大量輻射 情況就如一塊碳燒熱時發光一樣 這些由原始火球發出的光充斥著整個宇宙 並遺留至今天 我們稱之為 宇宙背景輻射 它們的波長 隨著宇宙的膨脹而被拉長了約一千倍 到今天主要只剩下微波波段 事實上 即使普通的電視天線 亦可以接收一小部份這些差不多完全均勻分佈的宇宙微波背景輻射 成為畫面上 雪花 的一小部份 這可能有點匪夷所思吧 家中的電視竟然可以接收一百數十億年前宇宙發出的訊號 無論如何 宇宙微波背景輻射的存在加上宇宙膨脹 很明確地告許我們 宇宙曾經很熱 與大爆炸理論相符 微波背景輻射的強度其實亦不是完全均勻 而是在天空不同位置有些微的差異 它們的強弱分佈 或稱為不均勻性是源於原始火球的輕微振動 從這些振動 我們可以推算出早期宇宙的總質量等物理性質 近幾年來宇宙論觀測的很多突破 都由宇宙微波輻射不均勻性的觀測而得到 而皮布爾斯教授則是宇宙微波輻射不均勻性研究的先驅 大爆炸的兩個主要證據 宇宙微波背景輻射在全天空的強弱分佈 圖中紅及黃色部份代表微波輻射稍強於平均 而藍色部份則稍弱 宇宙微波背景輻射的不均勻性反映出原始火球的輕微振動 數據由WilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe衛星量得 二 宇宙中輕元素的比例自然界各種物質都由原子 atoms 組成 而原子內部則有原子核 atomicnucleus 及外圍的電子 electrons 原子核很細小 由帶正電荷的質子 protons 及不帶電荷的中子 neutrons 結合而成 不同數目的質子及中子組成不同的元素 例如 氫 Hydrogen 原子核只有一顆質子 而氦 Helium 原子核則有中子及質子各兩顆 由於宇宙早期溫度太高 粒子即使曾經聚合 亦很快瓦解 所以早期的宇宙物質只是一大堆熾熱的質子 中子及電子 隨著宇宙膨脹 原始火球的溫度下降 質子和中子才開始結合成氘 Deuterium 氦等輕元素的原子核 這過程稱為 大爆炸核合成 BigBangNucleosynthesis 不過 原始火球冷卻得很快 在短促的時間內製造出最輕的幾種元素後 核合成便停止了 皮布爾斯教授根據宇宙膨脹的速度推算出原始火球溫度及密度的變化 從而計算核合成的速率及各種輕元素的比例 他的計算結果與觀測結果大致脗合 又一次證明大爆炸理論的正確 宇宙形成的进程 宇宙图片 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全