天体与地球第一章宇宙

天体与地球第一章宇宙第1页，共144页，2023年，2月20日，星期六

第一节

宇宙一、宇宙的基本概念1、科学的宇宙概念—客观性

中国战国鲁人:

四方上下曰宇——空间

往古来今曰宙——时间现代科学的宇宙定义：宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称。

时间宇宙是空间

的最大范畴

物质第2页，共144页，2023年，2月20日，星期六

2.可观测宇宙的概念—相对性人类对宇宙的认识：

①古代宇宙观——地心说

②近代宇宙观——日心体系

——银河系宇宙

③现代宇宙观——总星系（可观测宇宙）由哈勃半径（150亿光年）的数倍为度量

宇宙的范围:数百亿光年第3页，共144页，2023年，2月20日，星期六哈勃太空望远镜第4页，共144页，2023年，2月20日，星期六天体与地球第5页，共144页，2023年，2月20日，星期六人类认识宏观物质世界的尺度第6页，共144页，2023年，2月20日，星期六人类认识宏观物质世界的尺度第7页，共144页，2023年，2月20日，星期六人类认识微观物质世界的尺度第8页，共144页，2023年，2月20日，星期六

3．两类宇宙模型①稳恒态宇宙模型宇宙的平均性质处处相同，并且永远不会随时间变化。在该学说中，为了在宇宙膨胀时保持宇宙的密度不变，必须不断地创生物质。创始人：邦迪、戈尔德、霍伊尔

②

演化态宇宙模型宇宙体积、密度、温度、压力随时间而变化。宇宙有一个开始，也可能有结束。代表理论：大爆炸宇宙学第9页，共144页，2023年，2月20日，星期六第10页，共144页，2023年，2月20日，星期六二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）

-------从牛顿到爱因斯坦坡普(1726,威斯特敏斯特大教堂牛顿墓志铭):

大自然和它的规律深藏在黑夜里.上帝说,让牛顿出世吧!于是一切就都在光明之中.斯夸尔爵士(1920th):

光明不再继续了:恶魔在高声地嚎叫;让爱因斯坦出世吧,使世界重现光明.第11页，共144页，2023年，2月20日，星期六二、现代宇宙时、空观（相对论宇宙时、空观）

1.牛顿经典力学的时、空观（1）牛顿的空间概念是日常经验的空间，有三维南--北东--西上--下

是绝对的空间，人类、太阳、行星和恒星共同拥有的空间，空间的坐标是不变的、绝对的。

第12页，共144页，2023年，2月20日，星期六（2）牛顿的时间概念是日常经验的时间，人类、太阳、行星和恒星共同经历着时间的流逝。是绝对的时间，时间的坐标不变。牛顿1687年《自然哲学的数学原理》“绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀流动的，它不依赖于任何外界事物。”

牛顿时、空观的本质：割裂了时间、空间和物质的联系；仅适用于地球及其周围的有限区域。第13页，共144页，2023年，2月20日，星期六2．相对论宇宙时、空观时间-空间-物质的三角关系：时间用空间和物质运动来测量；物质运动用时间和空间来测量；空间用物质运动和时间来测量。

①

运动的相对性--从牛顿-伽里略相对论到爱因斯坦狭义相对论：运动物体的测量—参照系第14页，共144页，2023年，2月20日，星期六

①

时间的相对性—广义相对论

A.时间随物质运动而变化时钟矛盾：不同速度运动的物体上的时钟相互矛盾。相对论时间公式（时钟变慢）：第15页，共144页，2023年，2月20日，星期六第16页，共144页，2023年，2月20日，星期六例如：相对于地球以0.98倍光速运行的飞船，内部时钟仅为地面时钟的1∕5：

双生子佯谬（悖论）第17页，共144页，2023年，2月20日，星期六双生子佯谬（悖论）第18页，共144页，2023年，2月20日，星期六

B.时间随物质引力而变化运动物体在中心物体的引力场中运动时，对于同一经历过程，在运动物体上测得时间间隔，要比在中心物体上的测定值大。偏大的数值：

地球上的原子钟（铯原子钟）每升高100m，快百万亿分之一秒。第19页，共144页，2023年，2月20日，星期六铯原子钟第20页，共144页，2023年，2月20日，星期六互联网时第21页，共144页，2023年，2月20日，星期六

③

空间的相对性—广义相对论

A.空间坐标的平直：仅适用于地球（天体）表面有限的局部

B.空间坐标的弯曲：在大尺度的宇宙空间内，空间坐标的弯曲是绝对的。空间随物质引力而变化，即空间被引力所弯曲—引力透镜。

第22页，共144页，2023年，2月20日，星期六大质量天体与时空弯曲第23页，共144页，2023年，2月20日，星期六重力不仅改变空间,也改变时间第24页，共144页，2023年，2月20日，星期六时空弯曲与引力透镜光不再以直线行进第25页，共144页，2023年，2月20日，星期六“卡西尼号”进入土星弯曲的时空第26页，共144页，2023年，2月20日，星期六时空弯曲第27页，共144页，2023年，2月20日，星期六引力透镜第28页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙中的海市蜃楼第29页，共144页，2023年，2月20日，星期六引力透镜与爱因斯坦十字星第30页，共144页，2023年，2月20日，星期六第31页，共144页，2023年，2月20日，星期六运行中的Machos第32页，共144页，2023年，2月20日，星期六

相对论宇宙时、空观的基本认识：①时间、空间与物质密不可分，时间、空间随物质的运动而变化。

②在宇宙大尺度范畴内，时间、空间坐标的弯曲（扭曲）是绝对的、普遍的,而其坐标的平直则是相对的、局部的。

——时、空弯曲

③时间、空间坐标系统：平面几何→黎曼几何。第33页，共144页，2023年，2月20日，星期六

广义相对论的基本内容：三维空间和一维时间构成四维时空连续统；物理事件由四维时空连续统中的点表示；四维时空连续统的几何性质由四维黎曼几何描述。空间的度规张量和曲率可通过引力场方程，由物质的能量-动量张量决定。引力场方程：Rμυ—1／2gμυR＝-8πGTμυ

Rμυ为里齐张量；R为标量曲率；gμυ为度规张量；Tμυ为能量-动量张量；G为引力常数。第34页，共144页，2023年，2月20日，星期六广义相对论的验证：

①水星近日点的轨道反常进动。水星是最近太阳的行星，它的椭圆轨道并不回到同一起点，观测近日点每百年进动5601"

，用牛顿力学只能解释5558"

，还差43".11，用广义相对论计算的反常进动为43".03。金星、地球也有近日点的反常进动。

②光线偏转。广义相对论预言，当光线经过太阳引力场后，其方向要发生偏转。1919年日食期间的观测证实了太阳引力造成了星光弯曲。第35页，共144页，2023年，2月20日，星期六广义相对论的验证第36页，共144页，2023年，2月20日，星期六广义相对论的验证第37页，共144页，2023年，2月20日，星期六GPS全球卫星定位系统第38页，共144页，2023年，2月20日，星期六第39页，共144页，2023年，2月20日，星期六物质的引力使时间发生变化第40页，共144页，2023年，2月20日，星期六我们无缘一睹的风景第41页，共144页，2023年，2月20日，星期六

③引力红移。广义相对论预言，从太阳表面发出的谱线与地球上同种原子的谱线相比，波长较长（红移），移动量等于速度为0.6千米/秒的多普勒效应移动量。1960th观测结果是：观测值＝（1.05±0.05）×理论值。

④雷达回波的延迟。广义相对论预言，当从地球向地内行星发射雷达信号并接收其回波时，如果雷达波在太阳附近通过，则回波的时间要比不在太阳附近通过时有所延迟。对水星、金星和“水手”6、7号探测器的观测结果均与理论值相符。第42页，共144页，2023年，2月20日，星期六

宇宙的曲率：在一个闭合的宇宙里，宇宙自我合拢。这是由于物质密度很大，空间轨道绘成一个圆。——即有限、无界的宇宙爱因斯坦:“我们或许生活在一个有限、无界的宇宙中.”第43页，共144页，2023年，2月20日，星期六闭合的宇宙第44页，共144页，2023年，2月20日，星期六

三、微观物质世界的基本法则----量子力学的基本原理

1．波粒二象性1905年，爱因斯坦提出“光电效应”，即波动的光，是由粒子—“光量子”（光子）构成。光子的能量与频率成正比：E＝hγh为普朗克常数1923年法国德布罗意提出：所有物质都具有“物质波”，即“波粒二象性”。波动的意义：电子存在（到达）某个部位，是电子“存在于该处的比率”。第45页，共144页，2023年，2月20日，星期六H电子云第46页，共144页，2023年，2月20日，星期六

2.测不准原理1930th,海森堡和薛定谔提出：微观世界中,不可能同时对基本粒子(如电子)的位置和动量进行精确测定。例如，观测粒子时，用能量小的光照射，E＝hγ,光的频率很低,波长很长，粒子的位置不可能测准；反之，若为了精确测位而减少波长而增加能量时，粒子的动量将发生变化。第47页，共144页，2023年，2月20日，星期六测不准第48页，共144页，2023年，2月20日，星期六测

不准第49页，共144页，2023年，2月20日，星期六对“波粒二象性”和“测不准原理”的评论：

爱因斯坦：“上帝是不掷骰子的”霍金：“上帝不光掷骰子，还常常把骰子掷到你看不见的地方去”第50页，共144页，2023年，2月20日，星期六用概率来解释---薛定谔之猫第51页，共144页，2023年，2月20日，星期六

3.隧道效应根据“测不准原理”，在量子力学范畴内,提供了极短时间内能量变动的可能性：电子可以在极短时间内“借来”能量，迁移到它原来无法到达的地方。即电子可以穿透壁垒—“电子隧道”。第52页，共144页，2023年，2月20日，星期六隧道效应第53页，共144页，2023年，2月20日，星期六

4.真空不空狄拉克指出：根据“测不准原理”,在极短的瞬间,真空中处于负能量状态的电子可以从某处“借来”能量,变为正能量的电子,即电子与正电子成对产生;然而,“借来”的能量必须立刻偿还，正电子必须还掉入负能量状态，即电子与正电子成对湮灭。量子力学描绘的真空：

物质不断地产生和湮灭；能量不断涨落起伏的“狄拉克海洋”。第54页，共144页，2023年，2月20日，星期六能量不断涨落起伏的“狄拉克海洋”第55页，共144页，2023年，2月20日，星期六

四、物质宇宙的一些基本特征1.宇宙大尺度系统性特征①天体的谱线红移哈勃定律：随着时间的推移，所有河外天体（星系）光谱都向红外方向移动，并且红移量与距离成正比。

②宇宙微波背景辐射：K=2.7k——宇宙同此凉热!第56页，共144页，2023年，2月20日，星期六天体的谱线红移第57页，共144页，2023年，2月20日，星期六天体的谱线红移第58页，共144页，2023年，2月20日，星期六天体的谱线红移

第59页，共144页，2023年，2月20日，星期六天体的谱线红移

哈勃定律|第60页，共144页，2023年，2月20日，星期六

③星系是宇宙的基本单元，宇宙宏观形态呈泡沫空心状结构。

④天体时标：所有观测到天体的年龄都小于150亿光年。

⑤He丰度：宇宙基本化学元素由氢和氦构成。其中:

H：75℅；He：25℅。或

He原子︰H原子＝1︰12第61页，共144页，2023年，2月20日，星期六2．微观物质世界的基本特征①基本粒子家族的成员构成普通物质（正物质）的12种粒子第62页，共144页，2023年，2月20日，星期六基本粒子家族第63页，共144页，2023年，2月20日，星期六基本粒子家族和希格斯子第64页，共144页，2023年，2月20日，星期六12种基本粒子第65页，共144页，2023年，2月20日，星期六

②最基本层次上统治宇宙的五大角色：ⅰ上夸克u(+2/3)质子：2u+d(+1)ⅱ下夸克d(-1/3)中子：u+2d(0)

ⅲ电子（-1）ⅵ中微子(0)

ⅴ光子第66页，共144页，2023年，2月20日，星期六第67页，共144页，2023年，2月20日，星期六第68页，共144页，2023年，2月20日，星期六日本神冈中微子探测装置第69页，共144页，2023年，2月20日，星期六震荡的中微子第70页，共144页，2023年，2月20日，星期六

③宇宙物质作用4种基本力ⅰ强力（核力）作用范围：原子核半径是宇宙中最强大的力（束缚强子）！第71页，共144页，2023年，2月20日，星期六ⅱ电磁力作用范围：无限宇宙中第二强大的力，为强力的1/137---正负相吸，阴阳生万物！第72页，共144页，2023年，2月20日，星期六强力被电磁力封闭第73页，共144页，2023年，2月20日，星期六ⅲ（电）弱力作用范围：原子核半径强度为强力的10-5

——可使中子β衰变为质子

第74页，共144页，2023年，2月20日，星期六ⅳ引力（重力）作用范围：无限强度最弱，仅为强力的10-39---但引力可

以多胜少，最终统治宇宙！第75页，共144页，2023年，2月20日，星期六弱电统一理论第76页，共144页，2023年，2月20日，星期六④宇宙4种基本力的传递粒子ⅰ强力→胶子ⅱ电磁力→光子ⅲ（电）弱力→中间玻色子ⅳ引力（重力）→引力子（重力子）胶子、光子、中间玻色子已被测到！第77页，共144页，2023年，2月20日，星期六第78页，共144页，2023年，2月20日，星期六夸克囚禁第79页，共144页，2023年，2月20日，星期六3.宇宙物质基本形态①正物质:ⅰ固态ⅱ液态ⅲ气态

ⅳ等离子态ⅴ场

ⅵ中子态（超固态）ⅶ夸克态(奇异暗物质：黑洞）

②反物质第80页，共144页，2023年，2月20日，星期六太空中最奇特物体和现象第81页，共144页，2023年，2月20日，星期六第二节

大爆炸宇宙学第82页，共144页，2023年，2月20日，星期六盘古开天地第83页，共144页，2023年，2月20日，星期六

第二节

大爆炸宇宙学

一、大爆炸学说思想体系的形成1915爱因斯坦:广义相对论

引力场方程

“有限无界”宇宙概念1922弗里德曼:

“宇宙蛋”1927勒梅特:

宇宙早期“初生原子”1929哈勃:

发现“红移定律”与宇宙膨胀1948~1952伽莫夫:提出αβγ理论，预言：早期元素核合成丰度

宇宙微波背景辐射1981古斯:暴涨模型1985霍金:

量子宇宙创生与黑洞第84页，共144页，2023年，2月20日，星期六第85页，共144页，2023年，2月20日，星期六第86页，共144页，2023年，2月20日，星期六2006年霍金在北京第87页，共144页，2023年，2月20日，星期六教皇向霍金致敬第88页，共144页，2023年，2月20日，星期六二、宇宙最早期演化（最初三分钟）

大爆炸：宇宙起源的事件，约在137亿年前,宇宙由极其高热、极其高密度的奇点处爆发产生。宇宙的时间、空间和质量均从虚无的真空中产生。

0.宇宙创生的量子背景

﹤10-35~10-44秒

普朗克时间

普朗克时代

﹤10-32厘米

普朗克长度（大统一时代）﹥1094克/厘米3普朗克密度第89页，共144页，2023年，2月20日，星期六

大统一：四种宇宙基本力统一为一种，称量子引力。

宇宙的量子创生：宇宙由奇点处诞生于真空的“狄拉克海洋”。时间

奇点空间

宇宙时空管

物质第90页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙时空管第91页，共144页，2023年，2月20日，星期六霍金和“零”的振动第92页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙的量子创生和并列宇宙第93页，共144页，2023年，2月20日，星期六第94页，共144页，2023年，2月20日，星期六时间的起点第95页，共144页，2023年，2月20日，星期六1．强子时代（10-35秒-1秒）①基本粒子诞生：夸克、电子、中微子、光子----五大角色出场！②夸克囚禁：质子、中子产生（1015K）第96页，共144页，2023年，2月20日，星期六

2．轻子时代（1秒-3分钟）①中微子脱耦（1秒，1011K）

——宇宙对其透明②中子冻结n/p=1/6.5③原初核核合成质子、中子合成轻原子核

—H、He、Li:宇宙物质演化单调的开始！第97页，共144页，2023年，2月20日，星期六

原初核核合成:ⅰ.氕核:pⅱ.氘核:n+pD+rⅲ.氚核:D+n

3H寿命17.7年

↘

3Heⅳ.氦3核:D+D→

3He+n

→

3He+pⅴ.氦4核:3He+D→

4He+n

3He+D→

4He+p

氦丰度:4He=1/4(核%);25%氦

第98页，共144页，2023年，2月20日，星期六

ⅵ.氦5核:4He+n→

52He半衰期为锂5核:4He+p→

53Li10-21秒----------氦沟！------------ⅶ.Li7核：宇宙温度降到1010K~108K,只允许合成极少量7Li3He+4He→7Li+

3He+4He→7Be+

7Be+e→7Li+宇宙第一次物质起源合成四种轻核:

D3He4He7Li第99页，共144页，2023年，2月20日，星期六

3.辐射时代（3分钟-30万年）①光子脱耦

——宇宙的第一缕光芒②宇宙微波背景辐射

——原始火炉的余温

——现在2.7K!第100页，共144页，2023年，2月20日，星期六4.原子时代（30万年-100万年）

中性原子H、He形成（1000K）

——原始弥漫星云5.引力时代最初10亿年：古老星系、恒星形成目前探测到的最古老星系（类星体）为130亿光年对银河系古老恒星观测推断银河系年龄为136亿年（误差8亿年）第101页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙的早期演化与时空管第102页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙的诞生和演化第103页，共144页，2023年，2月20日，星期六第104页，共144页，2023年，2月20日，星期六温度年代宇宙编年表第105页，共144页，2023年，2月20日，星期六

三、大爆炸宇宙学的证据

1.目前发现天体年龄时限＜137亿年2.河外天体谱线红移——宇宙膨胀的事实3.宇宙微波背景辐射的预言和发现4.最初三分钟原初核核合成理论的验证：①

1/4的氦丰度②

四种轻核丰度的预测与实际检验5.现代基本粒子物理学研究①

基本粒子家族：大爆炸理论预测只有三族;与发现相符合②

夸克-胶子等离子体的获得第106页，共144页，2023年，2月20日，星期六彭齐亚斯和威尔逊1965年发现宇宙微波背景辐射;获得1978年度诺贝尔物理学奖第107页，共144页，2023年，2月20日，星期六1992年,宇宙微波背景辐射探测器(COBE)绘制的第一张宇宙微波背景辐射图象。

不同的颜色表示辐射温度的差异（1/10000）第108页，共144页，2023年，2月20日，星期六大爆炸理论的最后胜利---(COBE)绘制的宇宙微波背景辐射的涟漪第109页，共144页，2023年，2月20日，星期六ENRHKA(我找到了)!----1992年,乔治·斯穆特和约翰·马瑟主持COBE计划研究,发现了宇宙微波背景辐射的涟漪,被看作是大爆炸理论的最后胜利。获得2006年度诺贝尔物理学奖。乔治·斯穆特约翰·马瑟第110页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙童年的快照第111页，共144页，2023年，2月20日，星期六第112页，共144页，2023年，2月20日，星期六星系祖母第113页，共144页，2023年，2月20日，星期六四种轻核核合成丰度预测与验证第114页，共144页，2023年，2月20日，星期六三种中微子的预测与观测验证第115页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙早期基本粒子的产生第116页，共144页，2023年，2月20日，星期六再现大爆炸第117页，共144页，2023年，2月20日，星期六原始汤---在高温高压下物质破裂成夸克胶子等离子体子。物理学家们认为宇宙大爆炸之初物质就处于这种状态。第118页，共144页，2023年，2月20日，星期六

第三节

宇宙未来命运和暗物质、反物质

一、宇宙未来与弗里德曼宇宙模型1.弗里德曼宇宙模型

开放的宇宙Ω＜1

三个解平直的宇宙Ω＝1闭合的宇宙

Ω＞1

Ω＝

宇宙的物质总量宇宙坍缩的临界质量

第119页，共144页，2023年，2月20日，星期六弗里德曼宇宙模型第120页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙膨胀与生命演化第121页，共144页，2023年，2月20日，星期六

2．宇宙未来的命运①

大坍缩（大挤压）——闭合的宇宙②

热寂——平直的、开放的宇宙热寂宇宙的结局：质子衰变为正电子，宇宙最终变成大的无法想象的轻子薄云

——电子和正电子、光子、中微子。质子的寿命：1031年(1000万亿亿亿年),相当目前宇宙年龄的7

×1022倍！

第122页，共144页，2023年，2月20日，星期六宇宙的三种未来：开放、平坦、闭合第123页，共144页