8　粒子和宇宙

1、第十九章 原子核,基本粒子，基本？,分子,原子,质子,中子,电子,夸克,道尔顿（原子）,汤姆逊（电子）,卢瑟福（质子）,查德威克（中子）,盖尔曼（夸克）,1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在,强子结构的夸克模型,强子结构夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）,粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t,四种基本相互作用,相互作用是通过交换一定粒子实现的,引力子尚未被实验证实,弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。,大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。,1983年，鲁比亚实验组在高能质子反质子对

2、撞试验中发现了W +、W -和 Z0 粒子。为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。,欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器,宇宙的演化,宇宙从何而来？,大爆炸理论 (The Big Bang Theory) 宇宙从一个“奇点”爆炸产生,早在1929年，埃德温哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。,大爆炸宇宙论,1950年前后，

3、伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。整个空间可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。,大爆炸宇宙论,根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原

4、子乃至恒星系统得以相继出现。,大爆炸宇宙论,1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺彭齐亚斯和罗伯特威尔逊发现了一种充满整个宇宙的电磁辐射。特徵和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属与微波范围。它给了大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。,宇宙微波背景辐射,从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史： 大爆炸开始时 150200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后10-43秒 宇

5、宙从量子背景出现。 大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。 大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性

6、原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。,恒星的演化,恒星的摇篮星云,人马座礁湖星云,天蛇座老鹰星云,猎户座马头星云,麒麟座玫瑰星云,猎户座女巫星云,恒星的演化,壮年期的恒星,我们的太阳,全天最亮恒星天狼星(其伴星是一颗白矮星),质量不同的恒星, 安定时间的长短不同,它们寿命的长短取决于其自身的质量。O.2太阳质量的恒星，为1万亿年；1 太阳质量的恒星, 为100亿年；15太阳质量的恒星，为2000万年。这是因为质量大的恒星内部虽然有更多的氢燃料，但是它内部的温度和压力也相应更高，这使核聚变反应的强度也成倍增大，氢的消耗比小质量恒星快

7、得多, 因而它们的光度也大。这导致质量大的恒星寿命反而要短于质量小的恒星。,恒星的演化,不稳定期红巨星、恒星的爆发,红巨星,当内部氦核心被点燃后的恒星的爆发,抛射质量后，如果剩下的燃料无法点燃，而核的质量小于144个太阳质量（钱德拉塞卡极限），这颗恒星便可能演化成为白矮星。由于引力十分巨大，和外电子被紧密压缩，密布在原子核周围，依靠电子间的泡利不相容原理产生的斥力抵抗引力, 处于一种称为简并态的超密状态, 其中一个火柴盒大小的物质, 如果能拿到地球上来, 就重达1吨左右。,人马座钻石星，这块钻石直径是4000公里，质量2千亿亿亿吨。,太阳在70亿年后，也将变成类似的钻石。,恒星的演化,恒星的死

8、亡（一）白矮星,恒星的演化,瞬间的绚烂（二）超新星爆发,对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。,金牛座蟹状星云是1054年爆发超新星的遗骸,大麦哲伦星云1987A超新星,恒星的演化,恒星的死亡（三）中子星,超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1442个太阳质量（奥本海默极限 ）之间。巨大的引力

9、使得电子的简并压力也不足以对抗，电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子的泡利不相容原理产生的简并压力对抗引力。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。也叫脉冲星。,白矮星、地球和中子星大小的比较,恒星的演化,恒星的死亡（四）黑洞,质量超过奥本海默极限的致密天体，中子的简并压力不足以抗衡引力，这个天体还要坍缩 , 它坍缩的结果会变成一种非常特殊的比中子星更致密的天体其体积无限被压缩，以致其第二宇宙速度超过光速，光也无法从其内部逃出，所以叫黑洞。,按照广义相对论推出的黑洞，在其中心的那个几何点，物质密度、引力和起潮力都是无穷大 , 这就是所谓“中心奇点”的状态。这无疑是荒唐的，这说明在中心奇点附近，广义相对论不再正确了。,恒星的演化,星云,恒星,红巨星,白矮星,中子星,黑洞,星云,