自然科學(xué)概要（第二版）（微課版）課件 10.1宇宙大爆炸模型

1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現(xiàn)代天文學(xué)恒星的起源和演化210.1課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識(shí)目標(biāo)

識(shí)記加莫夫（俄籍美國(guó)人）、夫瑯和費(fèi)（德）、基爾霍夫（德）、彭齊亞斯和威爾遜（美）、哈勃（美）在天文學(xué)上的創(chuàng)新成果。理解宇宙元素的豐度、恒星光譜的紅移、宇宙背景輻射、宇宙的年齡獲得的依據(jù)。理解大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型的演變過(guò)程。2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。

第一節(jié)宇宙大爆炸理論

1946年美國(guó)俄籍核物理學(xué)家、宇宙學(xué)家喬治·伽莫夫（1904—1968）正式提出宇宙大爆炸模型。1952出版了《宇宙的產(chǎn)生》著作，進(jìn)一步進(jìn)行了論證。該理論成為現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說(shuō)，稱之為宇宙大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型。伽莫夫（1904—1968）

一、基本觀點(diǎn)

認(rèn)為宇宙誕生于大約100億年前的一次大爆炸。

爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。

宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復(fù)合成為通常的氣體。

氣體的主要成分是氫氣，約占75%；其次是氦氣約占25%。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們?nèi)缃袼吹降挠钪妗?/p>

宇宙還在膨脹，宇宙背景冷卻到3K。宇宙大爆炸不斷膨脹示意圖二、大爆炸的依據(jù)1、宇宙元素的豐度1814年，德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)用分光鏡發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)光的譜帶（連續(xù)譜）中含有數(shù)百條暗線（譜線），譜帶中橙黃色區(qū)域的雙重暗線（D線）的位置與金屬鈉的化合物受熱后所產(chǎn)生的兩條明線的位置相同。這些吸收線代表著恒星大氣中各種不同的化學(xué)元素。每種化學(xué)元素都有特殊的光譜線

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了三種類型的光譜。連續(xù)譜：在高壓下的熾熱固體、液體、或者氣體發(fā)出連續(xù)光譜；發(fā)射線：在低壓下的熾熱氣體，產(chǎn)生分立的亮線組成的光譜。氣體不同，產(chǎn)生的亮線也不一樣；吸收線：通過(guò)低壓的氣體來(lái)觀察一個(gè)發(fā)出連續(xù)光源時(shí)，可以看到連續(xù)光譜上迭加了幾條暗線，暗線的位置恰好是低壓的熾熱氣體發(fā)出亮線的位置。三種類型的光譜特征1858年德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這三種光譜的原因，于次年提出了兩條定律：

（1）每一種元素都有自己的光譜；（2）每一種元素都能吸收它能夠發(fā)射的譜線。將所拍的恒星線光譜和已知元素譜線波長(zhǎng)表相對(duì)照，便可確認(rèn)天體的化學(xué)成分。

同時(shí)，還可根據(jù)光譜線的強(qiáng)度確定各元素的含量。研究表明，幾乎所有恒星的表層大氣中都具有大致相同的化學(xué)成分，氫和氦兩種元素占了總量的95%以上，其中氫占75%左右。還有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、氧化鈦等元素和一些化合物。

2.星系光譜的紅移聲音的頻率越大，音調(diào)越高。比如C調(diào)：1（262）；2（294）；3（330）；4（349）；5（392）；6（440）；7（494）赫茲。

當(dāng)火車(chē)朝我們開(kāi)來(lái)時(shí)，汽笛聲愈來(lái)愈尖，一旦擦身而過(guò)，又迅速地低沉下去?；疖?chē)一停，汽笛聲也隨著穩(wěn)定下來(lái)。這說(shuō)明聲源和觀測(cè)者只要有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，聲波的頻率就會(huì)發(fā)生變化。

在互相接近的情況下，頻率變高；互相分離時(shí)，頻率變低，這種現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng)。測(cè)定光的多普勒效應(yīng)的最好辦法，是觀測(cè)它的譜線的變化。

c=νλ

多普勒效應(yīng)是一切種類波所共有的現(xiàn)象，也適用于光波和電磁波。大多數(shù)恒星的光譜里，在紫外光部分都有兩條暗線，這是被鈣氣吸收所致。

令人詫異的是，遙遠(yuǎn)星系光譜里的這兩條暗線同實(shí)驗(yàn)室的比較，卻不是處在它們應(yīng)處的位置上，而是稍稍移向低頻端(即紅端)。這種現(xiàn)象稱為“紅移”。星系距離愈遠(yuǎn)，譜線“紅移”愈顯著，甚至使這兩條應(yīng)處于紫外光部分的暗線，移到了紅光一端。

這種某頻率譜線的位移現(xiàn)象，說(shuō)明該天體遠(yuǎn)離觀察者而去。20世紀(jì)60年代，世界各地的天文觀測(cè)者測(cè)量到約28000個(gè)星系的光譜,除少數(shù)（靠近銀河系的那些星系)外，全都具有支持膨脹宇宙的紅移。光譜線的紅移現(xiàn)象，說(shuō)明該天體遠(yuǎn)離觀察者而去

3、宇宙背景輻射

微波即波長(zhǎng)在10米到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。1964年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜用一架衛(wèi)星通訊天線測(cè)量銀暈氣體射電強(qiáng)度。為了降低噪音，他們甚至清除了天線的鳥(niǎo)糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來(lái)自宇宙波長(zhǎng)為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5K。1965年，他們又訂正為2.726K，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世。普林斯頓大學(xué)皮伯斯等認(rèn)為，這就是他們尋找的宇宙背景輻射。微波背景輻射被作為“大爆炸宇宙”的重要遺跡被確認(rèn)。彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而皮伯斯也終于在2019年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。大爆炸的宇宙背景輻射溫度

4.宇宙的年齡

對(duì)室女座10顆脈沖星觀測(cè)得到的哈勃常數(shù)的值為：50～100km·s-1·Mpc-1，確定的宇宙年齡在120億～160億年之間?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，估計(jì)宇宙年齡在100億～150億年之間。

這些結(jié)果與宇宙年齡的理論值符合得很好。三、大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型

大爆炸宇宙論認(rèn)為宇宙起源于一個(gè)高溫、高密度的“原始火球”的大爆炸，爆炸之后經(jīng)過(guò)降溫、變稀和膨脹，逐步演化成今天看到的天體系統(tǒng)。宇宙“始”于約100億年前的大爆炸。起初不僅沒(méi)有任何天體，也沒(méi)有粒子和輻射，只有一種單純的真空狀態(tài)以指數(shù)函數(shù)形式急劇膨脹著。

大爆炸宇宙膨脹示意圖

（1）大爆炸后10-44s，溫度為1032K，發(fā)生超統(tǒng)一相變。引力相互作用首先分化出來(lái)，但弱、電磁、強(qiáng)三種相互作用仍不可分。此時(shí)最基本的粒子產(chǎn)生。

（2）10-36s，溫度為1028K，大統(tǒng)一相變發(fā)生。強(qiáng)相互作用與弱、電磁相互作用分離。此時(shí)有強(qiáng)子生成。

（3）10-10s，溫度為1015K，弱電相變發(fā)生。弱相互作用與電磁相互作用分離。此后，物質(zhì)與反物質(zhì)間的不對(duì)稱（即質(zhì)子、電子等物質(zhì)多于反質(zhì)子、正電子等反物質(zhì)）的現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)。

引力源于物體質(zhì)量的相互吸引；電磁力是由粒子的電荷產(chǎn)生的，同性電荷相斥異性電荷相吸；強(qiáng)力主要是把夸克結(jié)合在一起的力；

弱力的作用是改變粒子而不對(duì)粒子產(chǎn)生推和拉的效應(yīng)，像核聚變和核裂變這兩個(gè)過(guò)程都是受弱力支配的。（4）1s，溫度降至1010K，中子進(jìn)入凍結(jié)階段。凍結(jié)的中子有兩種途徑，一部分與質(zhì)子結(jié)合，成氦核；另一部分自由衰變成質(zhì)子。

中子→質(zhì)子+電子+反電子中微子。

（5）3

min，溫度為109K，為原子核合成階段。

中子：質(zhì)子=1：7。首先形成氘核，然后再形成氦核。氦和氫核的質(zhì)量比是1：3。

（6）1h后，反應(yīng)結(jié)束，形成了75%的氫和25%的氦。

（7）7×105a，宇宙溫度降為3000K，為原子合成階段。原子核與電子結(jié)合成為原子。（8）108a，輻射溫度為100K，星系形成。

（9）109a，輻射溫度12K，出現(xiàn)類星體

（10）目前，宇宙年齡為1010a，輻射溫度降為2.7K，我們觀測(cè)到的宇宙已大到10