宇宙物理與宇宙學(xué)

宇宙物理與宇宙學(xué)第一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日第二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日

23－1宇宙概貌*

23－2宇宙天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律*

23－3哈勃定律和宇宙膨脹*第二十三章天體物理與宇宙學(xué)

23－4宇宙大爆炸模型*

23－5超新星*

23－6致密星*第三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日23－1

宇宙概貌*宇理圖（實(shí)測(cè)宇宙）人類地球月地系太陽(yáng)系太陽(yáng)銀河系超星團(tuán)宇宙0781213232428米/量級(jí)神話宇宙托勒密地心說(shuō)哥白尼日心說(shuō)布魯諾無(wú)限宇宙說(shuō)開普勒三定律近代宇宙學(xué)牛頓萬(wàn)有引力定律第四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日一、太陽(yáng)系第五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日二、星系拍攝到的星系圖銀河系第七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日三、星系團(tuán)102億光年外的星系團(tuán)第八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日四、超星系團(tuán)星系團(tuán)碰撞第九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日五、整個(gè)宇宙宇宙全景圖第十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日23－2

宇宙天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律*一、萬(wàn)有引力規(guī)律萬(wàn)有引力定律：自然界中任何兩個(gè)物體都是相互吸引的，引力的大小與兩物體的質(zhì)量的乘積成正比，與兩物體間距離的平方成反比。

意義：它把地面上物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律統(tǒng)一了起來(lái)，對(duì)以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。它第一次解釋了（自然界中四種相互作用之一）一種基本相互作用的規(guī)律，在人類認(rèn)識(shí)自然的歷史上樹立了一座里程碑。第十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日局限：牛頓的經(jīng)典力學(xué)只適用于低速、宏觀、弱引力，而不適用于高速、微觀與強(qiáng)引力。二、愛因斯坦的引力理論經(jīng)典引力理論的問題：1、僅能描述超距作用2、不具有洛侖茲變換下的協(xié)變形式1905年，愛因斯坦建立狹義相對(duì)論。AlbertEinstein1879-1955第十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日狹義相對(duì)論(specialrelativity)

缺陷：1.承認(rèn)慣性系的特殊地位。2.不能建立令人滿意的引力理論。廣義相對(duì)論

(generalrelativity)：時(shí)空彎曲物質(zhì)引力場(chǎng)慣性系非慣性系相對(duì)性原理

清除了以太絕對(duì)空間，僅適用于慣性系，而自然界不存在嚴(yán)格慣性系，實(shí)際參照系都是非慣性系。愛因斯坦認(rèn)為非慣性系與慣性系應(yīng)處同等地位，應(yīng)同樣有效描述物理定理。第十三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日

狹義相對(duì)論否定物質(zhì)、能量以無(wú)限速度傳遞，電磁場(chǎng)理論與之符合，牛頓引力理論帶有超距作用的烙印。愛因斯坦認(rèn)為應(yīng)以引力場(chǎng)理論代替牛頓引力理論，類似于電磁場(chǎng)建立引力場(chǎng)方程，從實(shí)驗(yàn)探測(cè)引力波存在。其發(fā)現(xiàn)在狹義相對(duì)論基礎(chǔ)上無(wú)法建立引力場(chǎng)理論。

廣義相對(duì)論解決了上述兩問題：狹義相對(duì)論指出時(shí)空的內(nèi)在聯(lián)系，但未表明時(shí)空與物質(zhì)的聯(lián)系。將相對(duì)性原理推廣到一切參照系，把引力同時(shí)空的幾何性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，物質(zhì)、引力場(chǎng)和時(shí)空三者聯(lián)結(jié)為一整體，建立了新引力理論。第十四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日一、哈勃定律(Hubblelaw)：哈勃常數(shù)：H0=5.5厘米·(秒·秒差距)－1星系譜線紅移星系相互退行過(guò)去靠得更近宇宙開端奇點(diǎn)二、宇宙膨脹

宇宙(universe)由某個(gè)更小、更密的狀態(tài)－奇異態(tài)變化而來(lái)。

1929年，美國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光譜線普遍存在“紅移”現(xiàn)象。EdwinHubble1889-195323－3

哈勃定律和宇宙膨脹*第十五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日大爆炸理論證據(jù)：1)宇宙膨脹2)宇宙微波背景輻射3)化學(xué)元素的相對(duì)豐度

預(yù)言大爆炸初期留存的氫氦豐度與測(cè)量結(jié)果吻合。

1965年美國(guó)天文學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙空間均勻分布溫度3K的熱輻射，為大爆炸輻射殘留。1978NobelPrizeinPhysicsRobertW.Wilson1936-ArnoAllanPenzias1933-23－4

宇宙大爆炸模型*第十六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日一、宇宙大爆炸(TheBigBang)模型：

在約150-200億年前，宇宙是從一個(gè)高溫高密度的奇異態(tài)，開始爆炸，膨脹之后漸漸冷卻，形成星系。膨脹是發(fā)生在每一處。演化模型奇點(diǎn)粒子形成原子形成星系形成宇宙透明恒星形成行星形成古生代010-44秒智慧人3分3105年109年4109年5109年1010年21010年

1948年伽莫夫首先提出了大爆炸宇宙說(shuō)

(bigbangcosmology)。GeorgeGamov1904-1968第十七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日二、暴脹(inflaionaryuniverse)時(shí)的宇宙

暴脹機(jī)制：宇宙在10-35

秒時(shí)發(fā)生相變，放出巨量的“潛熱”，造成宇宙暴脹。

假設(shè)：宇宙在10-35s至10-33s之間發(fā)生暴脹。在此期間，宇宙的直徑大約由10-26m暴增1050倍，至1024m(～30Mpc)。在10-33s時(shí)，暴脹終止，膨脹速率變得與標(biāo)準(zhǔn)模型相同。第十八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日三、恒星和星系的形成星云聚為恒星的過(guò)程可分為快收縮階段和慢收縮階段。前者歷經(jīng)幾十萬(wàn)年，后者歷經(jīng)數(shù)千萬(wàn)年。星云快收縮后半徑僅為原來(lái)的百分之一，平均密度提高1億億倍，最后形成一個(gè)“星胚”。這是一個(gè)又濃又黑的云團(tuán)，中心為一密集核。此后進(jìn)入慢收縮，也叫原恒星階段。這時(shí)星胚溫度不斷升高，溫度升高到一定的程度就要閃爍發(fā)光，以示其存在，并步入恒星的幼年階段。但這時(shí)恒星尚不穩(wěn)定，仍被彌漫的星云物質(zhì)所包圍著，并向外界拋射物質(zhì)。星系是由大星云收縮形成的第十九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日23－5

超新星*質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的8~20倍的恒星，由于質(zhì)量的巨大，在它們演化的后期，星核和星殼徹底分離的時(shí)候，往往要伴隨著一次超級(jí)規(guī)模的大爆炸。這種爆炸就是超新星爆發(fā)。第二十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日23－6

致密星*一、白矮星(WhiteDwarf)：一種低光度、高密度、高溫度的恒星。形成：核反應(yīng)停止后，主要靠電子簡(jiǎn)并壓的梯度與引力平衡達(dá)到的一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部，高溫使原子失去電子，裸原子核擠在一起造成了高密度。第二十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日特點(diǎn)：

光度低，不易發(fā)現(xiàn)；有效溫度介于5500－40000K；大多呈白色，少數(shù)呈黃色甚至紅色；質(zhì)量越大，半徑越小，質(zhì)量于太陽(yáng)差不多，大小于地球相仿平均密度：105－108g/cm3。錢德拉塞卡極限：

1933年印度Chandrasekhar提出白矮星的質(zhì)量上限為太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍。1983NobelPrizeinPhysicsSubramanyanChandrasekhar1910-1995太陽(yáng)也將變成白矮星第二十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日二、中子星

（neutronstar）中子星：主要由中子組成的恒星。

對(duì)質(zhì)量超過(guò)錢德拉塞卡極限德恒星，在核燃料耗盡后，電子簡(jiǎn)并壓無(wú)法與引力抗衡，將繼續(xù)坍塌，密度增加，開始發(fā)生逆衰變，產(chǎn)生中子，在其內(nèi)部，中子簡(jiǎn)并壓與引力平衡達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。形成

1967年劍橋的Hewish和他的研究生Bell發(fā)現(xiàn)脈沖星。特點(diǎn)Oppenheimer極限：質(zhì)量為太陽(yáng)的2-3倍