宇宙物理與宇宙學

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

23－1宇宙概貌*

23－2宇宙天體運動規(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

23－4宇宙大爆炸模型*

23－5超新星*

23－6致密星*第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日23－1

宇宙概貌*宇理圖（實測宇宙）人類地球月地系太陽系太陽銀河系超星團宇宙0781213232428米/量級神話宇宙托勒密地心說哥白尼日心說布魯諾無限宇宙說開普勒三定律近代宇宙學牛頓萬有引力定律第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日一、太陽系第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日二、星系拍攝到的星系圖銀河系第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日三、星系團102億光年外的星系團第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日四、超星系團星系團碰撞第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日五、整個宇宙宇宙全景圖第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日23－2

宇宙天體運動規(guī)律*一、萬有引力規(guī)律萬有引力定律：自然界中任何兩個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：它把地面上物體運動的規(guī)律和天體運動的規(guī)律統(tǒng)一了起來，對以后物理學和天文學的發(fā)展具有深遠的影響。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，在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日局限：牛頓的經(jīng)典力學只適用于低速、宏觀、弱引力，而不適用于高速、微觀與強引力。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論。AlbertEinstein1879-1955第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日狹義相對論(specialrelativity)

缺陷：1.承認慣性系的特殊地位。2.不能建立令人滿意的引力理論。廣義相對論

(generalrelativity)：時空彎曲物質(zhì)引力場慣性系非慣性系相對性原理

清除了以太絕對空間，僅適用于慣性系，而自然界不存在嚴格慣性系，實際參照系都是非慣性系。愛因斯坦認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，共二十四頁，2022年，8月28日

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

廣義相對論解決了上述兩問題：狹義相對論指出時空的內(nèi)在聯(lián)系，但未表明時空與物質(zhì)的聯(lián)系。將相對性原理推廣到一切參照系，把引力同時空的幾何性質(zhì)聯(lián)系起來，物質(zhì)、引力場和時空三者聯(lián)結(jié)為一整體，建立了新引力理論。第十四頁，共二十四頁，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去靠得更近宇宙開端奇點二、宇宙膨脹

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

1929年，美國天文學家發(fā)現(xiàn)遙遠恒星發(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，共二十四頁，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)化學元素的相對豐度

預(yù)言大爆炸初期留存的氫氦豐度與測量結(jié)果吻合。

1965年美國天文學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，共二十四頁，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

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

暴脹機制：宇宙在10-35

秒時發(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，暴脹終止，膨脹速率變得與標準模型相同。第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日三、恒星和星系的形成星云聚為恒星的過程可分為快收縮階段和慢收縮階段。前者歷經(jīng)幾十萬年，后者歷經(jīng)數(shù)千萬年。星云快收縮后半徑僅為原來的百分之一，平均密度提高1億億倍，最后形成一個“星胚”。這是一個又濃又黑的云團，中心為一密集核。此后進入慢收縮，也叫原恒星階段。這時星胚溫度不斷升高，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，共二十四頁，2022年，8月28日23－5

超新星*質(zhì)量相當于太陽質(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候，往往要伴隨著一次超級規(guī)模的大爆炸。這種爆炸就是超新星爆發(fā)。第二十頁，共二十四頁，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，主要靠電子簡并壓的梯度與引力平衡達到的一種穩(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，共二十四頁，2022年，8月28日特點：

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)量上限為太陽質(zhì)量的1.44倍。1983NobelPrizeinPhysicsSubramanyanChandrasekhar1910-1995太陽也將變成白矮星第二十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日二、中子星

（neutronstar）中子星：主要由中子組成的恒星。

對質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限德恒星，在核燃料耗盡后，電子簡并壓無法與引力抗衡，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，中子簡并壓與引力平衡達到穩(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Oppenheimer極限：質(zhì)量為太陽的2-3倍