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/2019-2020年高中物理《宇宙學(xué)簡介》教案粵教版選修3-4一、教學(xué)目標(biāo)1.知識與技能(1)初步了解宇宙學(xué)的發(fā)展史(2)關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進展2.過程與方法通過閱讀書刊和上網(wǎng)收集資料、同學(xué)間交流、觀看關(guān)于宇宙學(xué)的科普影片和錄像等形式來關(guān)注宇宙學(xué)研究的進展3.情感、態(tài)度與價值觀通過初步了解宇宙學(xué)的發(fā)展和目前研究的新進展,使學(xué)生更深刻感受物理學(xué)的價值,認(rèn)識到“利用科學(xué)解決人類社會的問題,是人類改造社會不可或缺的手段”。激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué),促進學(xué)生情感的遷移和人性的完善。二、教學(xué)過程(一)引入新課放眼無垠夜空,觸目所視皆是扣人心弦的悸動。令人無法自已的萬里星空,是宇宙造物主鬼斧神工,瑰麗驚艷的傳世之作。自從1929年Hubble將人類視野延伸至銀河系外,加上1965年發(fā)現(xiàn)的3K(更精確的數(shù)值為2.735K)宇宙背景輻射以及60年代成功的高能粒子理論,人類的宇宙觀有了重大的轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)末葉人類的宇宙觀,更由于觀測技術(shù)的進步與發(fā)展,而有大幅度的成長。其中對宇宙背景輻射(CMB,CosmicMicrowaveBackground)的精密觀測與數(shù)據(jù)陸續(xù)出籠,使得宇宙學(xué)正式成為實驗物理最為令人看好的一支,也吸引大量人力與物力的投入,是最被物理學(xué)家看好,最有前景的主流物理之一。(二)進行新課1.人類對宇宙演化的認(rèn)識宇宙學(xué)進展大事隨紀(jì)1608年HansLippershey建造第一個折射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。1609年Galilei建造第一個折射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡,并用其作為天文觀測之用。1668年IssacNewton牛頓建造第一個反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡,并用其作為天文觀測之用。1917年GeorgeHale建造完成位于美國加州威爾森山(Mt.Wilson)直徑100吋的光學(xué)反射式望遠(yuǎn)鏡天文觀測站。1929年哈伯(EdwinHubble)在美國加州威爾森山利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙,發(fā)現(xiàn)銀河系外還有其它星系,而且由光譜線紅位移現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹之中。1949年GeorgeHale負(fù)責(zé)設(shè)計監(jiān)造位于加州帕洛瑪(Palomar)直徑200吋的光學(xué)反射式望遠(yuǎn)鏡天文觀測站完成。1965年ArnoPenzias和RobertWilson發(fā)現(xiàn)2.735K宇宙背景輻射。1966年RainerSachs和ArthurWolfe預(yù)測因為介于觀測者與最后散射面(lastscatteringsurface,LSS)間導(dǎo)因于重力場變化的CMB微擾。史稱Sachs-Wolfe效應(yīng)。1969年RashidSunyaev和YakovZel’dovich研究CMB光子和LSS熱電子間的康卜敦散射(ptonscattering)。史稱Sunyaev-Sel’dovich效應(yīng)。1989年CosmicmicrowaveBackgroundExplorer(COBE)升空進入地球軌道。1990年哈伯天文望遠(yuǎn)鏡(HubbleTelescope,HUT)升空進入地球軌道。xx年對第一類超新星(typeIsupernova)的觀測證實宇宙正在加速膨脹之中。xx年MicrowaveAnisotropyProbe(MAP)升空進入地球軌道。xx年臺灣AnisotropyMicrowaveBackgroundInterferometerBaselineArray(AMIBA)的原型望遠(yuǎn)鏡即將正式運作。其它大型計劃亦是箭在弦上。30年代的宇宙觀20世紀(jì)人類有三大創(chuàng)舉,除了高得(Godel)的不完整理論(inpletetheory,1931發(fā)表),少有人注意到之外,一般物理學(xué)家都耳熟能詳?shù)?,就是量子力學(xué)(Quantummechanics,QM)及廣義相對論了,而廣義相對論的重要性與影響的深遠(yuǎn),更遠(yuǎn)在量子力學(xué)之上。然而,頗令人不可思議的是:廣義相對論并沒有在大學(xué)課程的安排上,受到量子力學(xué)般必修的待遇,這其中的緣由實在值得我們重新思考。人類文明史的發(fā)展與夜觀天象這回事,密不可分。不論東方或西方的天文記載,早在文字一出現(xiàn)就有脈落可循。隨后較大的突破,始于400年前的伽利略,他不但確立以實驗驗證理論的劃時代作風(fēng),宣告物理學(xué)的誕生,他還有一項發(fā)明,就是望遠(yuǎn)鏡。這項發(fā)明,幫助天文觀測以及理論更上層樓。當(dāng)然,古典的重力理論隨后由牛頓創(chuàng)立,在愛因斯坦之前的古典天文史,也算頗有年代了。然而,你可能不知道,我們今天所認(rèn)識的宇宙,是在20年代末,才由哈伯在加州威爾森山的觀測,確立我們現(xiàn)在所熟悉的宇宙及演化模型。還有星星的演化流程與機制,也是在60年代,理論高能物理有了重大突破以后,才逐漸形成今天廣為眾人接受的大霹厘說今天的樣貌。也就是說,你如果活在20年代,你大概會被當(dāng)代大師的宇宙觀嚇一大跳!由于90年以前天文觀測的誤差相當(dāng)令人難以接受,致使天文與物理之間,如同同床異夢,貌合神離,間而阻礙了這個領(lǐng)域的發(fā)展。但是天文觀測在90年后,由于大量使用新一代電子儀器與借助人造衛(wèi)星、熱汽球與無線電天文望遠(yuǎn)干涉儀等新儀器,加上低溫物理的進展,還有寬帶高頻儀器的發(fā)展,使得天文觀測的可信度與精確度大大提高,使得天文觀測與90年之前有如天地之別,天文物理正式發(fā)展成一門可信度相當(dāng)?shù)膶嶒炍锢?。這期間廣義相對論和一般物理的難度與復(fù)雜度有段距離,使得一般物理學(xué)家在缺乏相關(guān)訓(xùn)練下,有點難以就手,實在有點令人遺憾。所幸,物理一向有多樣的面貌,有些事情,你大可不用廣義相對論,把牛頓的東西搬出來,稍加修飾,也可說得好像那么一回事。舉例來說 由于宇宙因為是均勻、沒有方向性的(homogeneousandisotropic)所以可得其測度度規(guī)(metric)可化簡成其中可以看成宇宙半徑,分別表示封閉、平直與開放的宇宙。這三類的空間我們稱為福里曼.羅柏生.窩可空間Friedmann-Robertson-Walker(FRW)space。若用牛頓力學(xué)可得;其中為一個宇宙中某待測質(zhì)點的質(zhì)量,T為其動能,U為其重力位能,為宇宙平均能量密度。如果[為臨界能量密度(criticaldensity),使得E=,意即宇宙形成束縛態(tài)(boundstate)的密度],則可得其中為哈伯常數(shù)(Hubbleconstant),而現(xiàn)在(即lightyear光年),所以可知,約為每立方公尺有3個質(zhì)子。事實上,上面的公式不應(yīng)該用上面這種錯誤的方法導(dǎo)出,應(yīng)該遵循廣義相對論的原理,直接解愛因斯坦方程式求解。雖然我們沒辦法在這里詳細(xì)交代廣義相對論的原理,但是這個方程式,事實上正好是在FRW空間下的愛因斯坦方程式。雖然導(dǎo)出方法大不相同,這樣的巧合戲劇性地說明了物理多樣性的一面!2.宇宙學(xué)的新進展80年代的宇宙觀宇宙演化Ithinkitisfairtosaythatnooneunderstandsthequantumtheory.Feynman1929年,哈伯確定宇宙正在以約為常數(shù)的速率膨脹之中。反推回去,則可推知宇宙在演化早期,應(yīng)該是非常擁擠,非常炙熱的世界,再加上Penzias及Wilson在1965年意外地發(fā)現(xiàn)宇宙2.735K背景輻射,不但是均勻的,而且沒有方向性。這意謂我們的宇宙,在早期就已經(jīng)充份地達(dá)到熱平衡。但是由現(xiàn)今宇宙的大小,依目前膨脹速率倒過來推算回去,我們發(fā)現(xiàn)早期宇宙依然太大,無法有效完成熱平衡,進而造成今天高度均勻、無向的宇宙背景輻射。因此1980年MIT的AlanGuth提出暴脹宇宙(inflationaryuniverse)的機制,相當(dāng)程度地解決了宇宙霹靂說(bigbangmodel)所留下的缺口。于是我們在60年代成功的粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的聲援下,有了以下的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型(standardmodel):宇宙演化大事隨紀(jì)宇宙起始于很小的奇點,然后一聲BANG!宇宙開始全方位膨脹,啟動時間簡史。隨后在10-43至10-34秒之間,宇宙進行暴脹。宇宙的半徑約從10-25cm膨脹到相當(dāng)于一粒米的大小,宇宙的溫度則由1019Gev(相當(dāng)于1032K)經(jīng)由一番曲折的歷程在此一瞬間降到1014Gev(1027K)。之后由粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型接管,進行溫博格在宇宙前三分鐘那本書中所描述的物理。約30萬年時,宇宙由輻射為主(RadiationDominate,RD)的時期,轉(zhuǎn)成以物質(zhì)為主(MatterDominate,MD)的時期。當(dāng)時光子的溫度約為3000K,歷經(jīng)宇宙膨脹冷卻而殘留我們今天所觀測到的2.735K宇宙背景輻射。自從Guth提出的宇宙暴脹模型,相當(dāng)多物理學(xué)家開始接受霹靂說,并藉由逐漸成熟的粒子場論模型,物理學(xué)家開始對相關(guān)的CMB深入探討。這期間物理界有三大盛事,人稱三個超事件。一是1984年超弦理論(superstring)死而復(fù)活,其二是1986發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo),最后是1987人類第一次有計劃觀測超新星1987A的爆發(fā)歷程。這三件大事,都相當(dāng)程度地影響整個物理界的進展。超弦理論的成功,使得更多的物理學(xué)家開始接受高維度空間存在的可能性,高溫超導(dǎo)當(dāng)然是當(dāng)年一件大事,雖然是高溫超導(dǎo)的夢想尚待實現(xiàn),卻使得原先設(shè)計的美國超導(dǎo)超級對撞機因可能的夢想而稍有停滯,最后導(dǎo)致停建。這兩件事相當(dāng)程度的使得高能物理學(xué)家轉(zhuǎn)而關(guān)注宇宙這個窮人加速器,而大量人力物力的投入,也使得這十年間的宇宙學(xué),不但在理論上更臻成熟,也使得90年代相關(guān)的天文衛(wèi)星實驗、大尺度的天文觀測站、熱汽球?qū)嶒?、航天飛機實驗等等,逐漸變?yōu)榭赡?。觀測超新星1987A的爆發(fā)歷程,不但驗證相關(guān)粒子物理模型與天體演化歷程的可信度,更提供我們對距離測量與宇宙實際密度的相關(guān)線索??偠灾?,宇宙學(xué)在80年代中期,已經(jīng)成為一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撐锢韺W(xué),物理學(xué)家對宇宙的演化已有相當(dāng)程度的掌握。因為對觀測的種種殷望,在物理學(xué)家共同的需要下,相關(guān)的計算機,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與精密工業(yè)的配合下,加上太空觀測在NASA的努力與支持下,逐漸使得精密測量變?yōu)榭尚?。物理學(xué)家開始進行地面與高空,甚至太空的觀測站設(shè)置,展開不同波長,可見與不可見光的各式觀測實驗,試圖突破距離與大氣層對我們所造成的種種限制。因此80
年代像是實驗準(zhǔn)備階段,而90年代則正式成為實驗的年代。由于欠缺實驗的左證,80年代物理學(xué)家的宇宙觀非常開闊。不論甚么維度的時空,不論如何復(fù)雜的機制,都有人相信,宇宙學(xué)不但天馬行空,而且波瀾壯闊,就人類思考行為而言,這真是一個百家齊放,百家爭鳴的文藝復(fù)興時期。90年代的宇宙觀在眾人殷切的期盼下,宇宙相關(guān)觀測實驗在90年代陸續(xù)上線。愛因斯坦最美麗的錯誤--宇宙常數(shù)1915年人類還相信宇宙是靜止的,愛因斯坦為了解釋宇宙為何是靜止的,必須引入一個常數(shù)項,提供一個反制宇宙里所有可見星體受重力內(nèi)塌的排斥力,才有辦法用他用廣義相對論推導(dǎo)而得的愛因斯坦方程式自圓其說。事后物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)有其它靜止宇宙的解,甚而隨后又發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜止,因此愛因斯坦曾針對他引進的宇宙常數(shù)發(fā)表評論說:宇宙常數(shù)是他一生所犯下的最大錯誤。事實上,直到xx年之前的物理學(xué)家認(rèn)為宇宙常數(shù)幾近于零,但是所有的場論理論都預(yù)測一個很大的宇宙常數(shù),這個難解的問題史稱宇宙常數(shù)難題。雖然超弦理論一度讓人們以為我們可以找到量子重力場論,進而解開量子宇宙的迷團,順帶解決宇宙常數(shù)問題,然而過了近二十年,我們的夢想依然遙遠(yuǎn)。由于問題無法理解,人稱宇宙常數(shù)是愛因斯坦最美麗的錯誤。尾大不掉的星系與暗物質(zhì)觀察我們銀河系就可以發(fā)現(xiàn),銀河系外圍的恒星,其繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的速度,并沒有隨距離銀河中心的距離增加而減慢,反而接近常數(shù)值。強大的離心力,需要比銀河系可見恒星總值量大約100倍的總質(zhì)量,才有辦法把銀河系邊緣恒星留住。這些不發(fā)光的物質(zhì),史稱暗物質(zhì)。為甚么有這么多暗物質(zhì),還有暗物質(zhì)到底是甚么東西,一直受到物理學(xué)家的注意,史稱暗物質(zhì)問題。直到現(xiàn)在我們?nèi)圆磺宄楹斡钪娲蟛糠菽芰慷疾皇且钥梢姷奈镔|(zhì)型態(tài)存在。物理學(xué)家正在推測各種可能的黑暗物質(zhì),期盼觀測實驗或高能實驗?zāi)芙o我們一個明確的答案。同時,物理學(xué)家一直相信宇宙雖然在持續(xù)膨脹之中,但是一直相信宇宙總質(zhì)量小于但接近臨界質(zhì)量,一直忽略宇宙常數(shù)項的影響。但是到了xx年,兩組分別由位于美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)的SaulPermutter博士所主持的超新星宇宙學(xué)計劃(supernovacosmologyproject)與澳洲斯壯羅山天文臺(Mt.Stromloobservatory)BrianSchmidt博士所主持的高紅位移超新星搜尋組(High-Zsupernovasearchteam),以第一類超新星(typeIasupernova)為觀測目標(biāo),得到的數(shù)據(jù)證實宇宙正在加速膨脹之中。加上其它相關(guān)觀測,物理學(xué)家相信現(xiàn)在宇宙總能量約有四分之三是由宇宙常數(shù)項提供,又稱為暗能量﹔另外四分之一則是以物質(zhì)型態(tài)存在的能量。當(dāng)然絕大多數(shù)的物質(zhì)都是暗物質(zhì)。前面我們有介紹均勻、無向的宇宙演化方程式,在非臨界質(zhì)量時為其中的就是愛因斯坦加上的宇宙常數(shù)。把這個方程式稍微微分,再加減整理一下,就可得:)其中p為流體的壓力密度,和流體能量密度的關(guān)系由能量守恒定律來決定。物理學(xué)家就是靠這些方程式來決定物質(zhì)含量比率與暗能量的比率。xx年與及最近這一、兩年的發(fā)現(xiàn),使得我們的宇宙觀有了很大的轉(zhuǎn)變。人們開始關(guān)心,宇宙常數(shù)為何這么大?宇宙常數(shù)和物質(zhì)之間的比率又為何這么接近?有趣的是,如果宇宙持續(xù)這樣子加速膨脹,數(shù)十億年后,其它恒星都將因離我們太遠(yuǎn),甚而落在視線之外。因此,當(dāng)我們仰望夜空,暗無星光的月夜,將是何等的孤寂。前面說過,現(xiàn)在的天文觀測由于大量使用新一代電子儀器并借助人造衛(wèi)星、熱汽球與無線電天文望遠(yuǎn)干涉儀等新儀器,加上低溫、寬帶、高頻儀器的發(fā)展,使得天文觀測的可信度與精確度大大提高,幾個大型計劃也正如火如荼的陸續(xù)展開之中。在未來十年內(nèi),陸續(xù)獲得的數(shù)據(jù)與信息,將使我們更精確地了解與掌握宇宙的過去與未來可能的演化方向,讓我們下一個世紀(jì)的研究方向更加明朗化。當(dāng)然,哥倫布當(dāng)
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