大学物理,物质世界的结构层次2.ppt

同学们好！,第2页 共29页,第三节 宇宙,一、几个概念 1.宇宙时间和空间联合构成的统一整体,目标：了解宇观层次的物质结构 了解宇宙的起源,近代物理观点：物质和它的运动 是统一的客观实在（空间广延、时间广延） 既不可能有脱离物质的运动，也不可能有脱离运动的物质。而时间和空间也只能凭借物质及其运动的存在才能体现。,观测宇宙人们用肉眼或仪器观测到的整个宇宙空间及其各类天体的总称。（哈勃半径：150亿光年）,第3页 共29页,宇宙 哲学意义上的概念 观测宇宙 天文学研究的对象,2.天体宇宙间一切物质集团的总称 天空中的浮云、大气，山川、河流气象现象 人造卫星，宇宙火箭等人造天体,3.光年光传播一年所经过的距离 1光年=1013km（3108 365 24 3600） 光1秒钟可以绕地球运行7圈，光从太阳传到地球只需要约8min。 意义： 表征天体间的空间距离 表征携带信息的时间历史,哈勃半径150亿光年从空间上得到了150 亿光年尺度的横断面，时间上追溯到了150亿年前宇宙的历史。,第4页 共29页,二、宇宙的一般图景,1. 天体的层次,人类对宇宙的认识由近到远，由现在到过去逐渐展开,星球,“富”星系团 河外星系,太阳系,恒星系 (银河系),第5页 共29页,各种天体的层次,天体层次 行星 恒星 星际云 星团 星系 宇宙 (地球) (太阳) (平均) (球状),半径/pc 10-10 10-8 10 10 104 1010,平均距离/pc 10-5 1 10 103 106 ,质量/M日 10-6 1 103 106 1011 1021,平均密度 5.515 1 10-23 10-21 10-23 10-30 /(g/cm3),中心温度/K 104 107 102 ,pc为秒差距 1pc = 3.261633光年=3.0856781016 m,第6页 共29页,(1) 太阳系 以太阳为中心，以及由它的引力支 配而绕它运动的天体所构成的系统。 含有九大行星， 3000多个小行星， 66 个天然卫星， 为数众多的彗星、 流星、星际物质、 人造天体。,九星连珠：由于各行星绕太阳运动的轨道大小、速度各不相同，它们很难聚集在以太阳为中心的扇形区域内。这是1982年出现的九星连珠现象,第7页 共29页,太阳: 银河系中一颗普通恒星 直径约1.510-7光年，表面温度6000K,中心温度1.5107K, 质量相当于33.3万个地球。,第8页 共29页,地球: 一颗大行星, 年龄约40 50 亿年,人类起源： 100万年 中华文明史： 5000年以上,地球的内部结构 半径：平均6370km 外衣：地壳（平均厚度33km） 中间层：地幔(平均厚度2800多km) 核心：地核（内核、外核）,第9页 共29页,月球: 围绕地球运行的惟一颗卫星,第10页 共29页,彗星: 围绕太阳运行或行经太阳附近的云雾状 天体，由慧核、慧发、慧尾组成。,第11页 共29页,陨石: 流星体进入地球的大气 层中一般都能完全燃烧 气化，只有较大的流星 体燃烧不完，可以陨落 到地面上而被称为陨星。 90%为硅酸盐矿物的石 陨星称为陨石。,吉林1号陨石是目前世界上最大的陨石，重1770kg。于1976年3月8日陨落在吉林省内。,第12页 共29页,(2) 银河系,扁平铁饼状结构，直径达10万光年 3000亿个恒星 + 星团 + 星云,太阳距银河系中心约3.3万光年,第13页 共29页,2. 宇宙学原理,宇宙学原理：宇宙在整体上（能代表宇宙特征的大尺度上）是均匀的，各向同性的。任何一个典型星系上的观察者“看到”的物理规律相同。,第14页 共29页,三、大爆炸宇宙模型,1. 天文学历史上的三次飞跃,(1) 行星层次 连结开普勒定律的飞跃(17世纪),弟谷: 积累大量资料, 达到前所未有的观测精度。 开普勒:发现开普勒行星运动三定律，适用于所有 行星的运动，给出行星理论的约束条件。 牛顿：将地面物体力学规律应用于天体运动，实 现物理学的第一次大综合。,第15页 共29页,(2) 恒星层次连结赫 - 罗图的飞跃,1905 赫茨普龙 1913 罗素,发现恒星表面温度与恒星光度之间的关系，将纷杂现象纳入统一模型，给出恒星理论的约束条件：,第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚而成。 第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。,第16页 共29页,各恒星的区别：原始质量不同，“年龄”不同。,第17页 共29页,星际星云原始恒星主序星红巨星超新星爆发（或白矮星）黑洞（或中子星、星际物质）,第18页 共29页,(3) 星系层次 连结哈勃定律的飞跃（20世纪）,1929年，发现所有星系的光谱均有红移现象，红移量与距离 r 成正比。,将红移量折合成星系的运动速度，即,哈勃常数：,第19页 共29页,2.大爆炸宇宙理论,现代理论认为，宇宙起源于一次大爆炸，,大爆炸前全部粒子处于高温高密度状态。,第20页 共29页,“大爆炸”启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演化成了现在的宇宙。,第21页 共29页,(1) 微波背景辐射,支持大爆炸宇宙学说的主要实验事实：,1965年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉的各向同性的微波段的噪声辐射。,1989年，宇宙背景探测卫星(COBE)对微波背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为2.2710.010K的黑体辐射谱。,第22页 共29页,(2) 天体的年龄,(3) 氦的丰度 元素在地壳中存在的百分含量,称为丰度。,大爆炸学说计算出的宇宙年龄 150200亿年。目前各种方法测定的天体年龄 50110亿年，且均小于宇宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。,大爆炸理论计算出大爆炸初期(3min以内)形成的氦的丰度约为27%，与观测结果基本符合；同时很好地解释了为什么各星系氦的丰度奇妙地相似。,第23页 共29页,问题：我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限地进行下去？,三种膨胀宇宙,开宇宙：无限伸展且永远膨胀。,闭宇宙：有限，最终往回收缩到一次“大塌聚”。,临界宇宙：无限大，永远膨胀。,O,第24页 共29页,如 ，物质不能凝聚成星系和恒星，不能产生生命。,我们的宇宙膨胀处于“临界状态”。,如 ，能形成星系和恒星，能产生生命。,第25页 共29页,四、宇宙学的发展,1. 大爆炸宇宙学说的发展,1) 振荡宇宙模型(20世纪70年代) 美桑德奇提出：在每一振荡周期开始时刻，全部宇宙物质以基本粒子形式处于高温、高密度状态。爆炸后演化为宇宙。,2) 暴胀宇宙模型(1980年)古斯、温伯格在弱电统一理论基础上提出暴胀宇宙模型：爆炸后的最初10-30s内宇宙尺度暴胀1050倍，再以较平和速度膨胀。,3) 宇宙弦(1984年开始) 大爆炸后的瞬间，物质的高能状态下存在着一个统一场。在10-35s左右，统一场种的冰结碎片形成纤细而密度极大的“宇宙弦”。宇宙弦在极强的引力场作用下形成星系。,第26页 共29页,2. 宇宙学的未知课题 (1) 暗物质之谜,1) 20世纪30年代，天文学家慧兹克注意到：星系的环绕速度快，但稳定地呆在星系团中 推测有暗物质。 2) 20世纪70年代，发现银河系边缘的运动速度比理论家预言的快得多 暗物质弥漫于星际空间。 3) 宇宙中星际所含物质总量可见物质总量。 4) 对涡旋星系旋转情况的射电和光学观测表明，它们被暗物质晕包围。,(2) 类星体能量之谜 1) 类星体红移大，退行速度大，距离远。 2) 类星体光度变化快，周期为普通星系的 10-5倍，尺度小。 3) 类星体辐射功率极大，是普通星系的几百万倍。,第27页 共29页, 射线爆现象 1967年发现，来自宇宙空间的 突然增强，称 射线爆现象,1) 能量：10keV10MeV，少数达1GeV以上。 射线爆现象的本质是什么？,2) 射线爆的空间分布各向同性，远近不均匀。 射线爆的远近？,能量机制是什么？ 产生巨大红移的机制是什么？,第28页 共29页,五、宇宙演化与四种基本相互作用的关系,宇宙极早期只有一种统一的相互作用 主干。,10-44s对应于超流 真空相变，这正是时空的起源，分离出引力作用。,10-36s对应于大统一的真实相变不对称的起源，分离出强作用。,10-10s弱电统一的真实相变，弱作用和电磁作用分离。,沿着宇宙历史往回追溯，预期会见到早期宇宙温度的演变。当温度升高时，自然力的有效强度亦将增加，预期会出现各种力