宇宙物理學(xué)市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、宇宙過去和未來陳學(xué)雷中國科學(xué)院國家天文臺(tái)北京天文館 .9.19.第1頁第1頁四方上下曰宇，往古來今曰宙 世說新語挑調(diào)篇注引尸佼（約390B.C.-330B.C.)宇宙概念說文cosmos (): order, orderly arrangementuniverse: from Latin universum, Lucretius (99BC-55BC), uni: one, versum: rotate第2頁第2頁關(guān)于宇宙歷史三種觀點(diǎn) 宇宙創(chuàng)生說“清陽者薄靡而為天，重濁者凝滯而為地?！?宇宙永恒說冉求問于仲尼曰：“未有天地可知邪？”仲尼曰：“可。古猶今也?！?宇宙循環(huán)說天開地成生物堯時(shí)宋朝第3

2、頁第3頁近代對(duì)宇宙結(jié)識(shí)伽利略用望遠(yuǎn)鏡發(fā)覺銀河由諸多恒星構(gòu)成布魯諾: 無限宇宙測定恒星距離 光度法 三角視差法William Herschel 1785 恒星分布模型William Herschel 使用望遠(yuǎn)鏡 第4頁第4頁Messier (1730-1871)恒星之外第5頁第5頁對(duì)星系結(jié)識(shí)Lord Rosses telescopeM51 “漩渦” 星系康德猜想一些星云是與銀河系類似“宇宙島”第6頁第6頁梵高“羅納河畔星夜”第7頁第7頁元素光譜與天體物理Fraunhofer (1814) 發(fā)覺太陽光譜中暗線Kirchhoff & Bunsen 據(jù)此認(rèn)證了太陽上元素（1859）Lockyer &

3、Janssen (1868) 提出太陽上存在當(dāng)初未知元素氦(helium)Huggins 夫婦觀測了大量恒星光譜并擬定了其成份和速度我們?cè)诘厍蛏?怎么也許結(jié)識(shí)宇宙呢？ 第8頁第8頁關(guān)于銀河系和旋渦星云大辯論ShapleyCurtis太陽在銀河系邊沿旋渦星云在銀河系內(nèi)太陽在銀河系中心旋渦星云是河外星系第9頁第9頁小麥哲倫星云中造父變星H. S. LeavittG. HaleHooker 100inch telescope第10頁第10頁哈勃與河外星系Lundmark 觀測M31新星和亮星Scheiner 觀測M33 光譜Hubble 觀測造父變星第11頁第11頁業(yè)余興趣者活動(dòng)： 星系動(dòng)物園人在分

4、類方面往往比計(jì)算機(jī)更準(zhǔn)確, 幫助科學(xué)家為一百萬個(gè)星系分類！第12頁第12頁牛頓宇宙學(xué)與奧爾伯斯佯謬假如宇宙是無限、永恒假如恒星均勻分布且始終存在天空亮度將是無限大第13頁第13頁愛因斯坦廣義相對(duì)論利用了非歐幾何時(shí)間空間是彎曲（流形）物質(zhì)能量和動(dòng)量影響時(shí)空彎曲物質(zhì)粒子在不受外力下沿時(shí)空短程線(geodesic)運(yùn)動(dòng)第14頁第14頁愛因斯坦有限靜止宇宙模型 幾何上假定宇宙是均勻各向同性正曲率空間 宇宙是有限無邊 假定存在宇宙學(xué)常數(shù),產(chǎn)生時(shí)空彎曲正好與物質(zhì)產(chǎn)生彎曲相抵消，實(shí)現(xiàn)靜止（引力斥力同出于重力） 但是, 假如物質(zhì)引力不是正好被宇宙學(xué)常數(shù)抵消呢?第15頁第15頁星系光譜紅移多普勒（1842）：運(yùn)

5、動(dòng)造成譜線頻率改變Slipher （1912-1917)發(fā)覺大部分星系(21/25)光譜紅移，且速度遠(yuǎn)高于恒星哈勃(1929), 哈勃&Humason(1934)Hubble 1929： 造父變星、最亮星、星系亮度Hubble & Humason 1934：星系團(tuán)中第五亮星系第16頁第16頁哈勃定律與宇宙膨脹第17頁第17頁膨脹宇宙理論宇宙空間有三種也許性Alex FriedmannLe Maitre第18頁第18頁宇宙大爆炸理論和穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論Gamow勒梅特、伽莫夫：既然宇宙是膨脹，那么越往前追溯,宇宙密度越高,同時(shí)溫度也會(huì)更高,假定已知物理定律是合用,能夠始終到元素發(fā)生核反應(yīng)時(shí)刻，今日可

6、見宇宙當(dāng)初只在一個(gè)很小點(diǎn)內(nèi)。（在這之前物質(zhì)是如何產(chǎn)生取決于我們尚不理解物理過程。）Bondi, Gold, Hoyle: 物質(zhì)被連續(xù)不斷地創(chuàng)生出來，因此宇宙即使膨脹但物質(zhì)密度始終保持不變。Hoyle第19頁第19頁望遠(yuǎn)鏡：回望過去由于光速有限, 我們看得越遠(yuǎn)，就看到越早宇宙第20頁第20頁類星體與射電源計(jì)數(shù)類星體想象圖類星體3C273Ryle 1955完美宇宙學(xué)原理:“古猶今也?第21頁第21頁化學(xué)元素啟示氫和氦占宇宙普通物質(zhì)34和14，其它元素只占很少部分第22頁第22頁元素起源宇宙早期，溫度很高，物質(zhì)以質(zhì)子、中子形式存在。此后，質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核。在這種反應(yīng)中形成氫、氦、氘等輕原子核其

7、它元素: 在恒星中合成后在超新星爆炸中被拋出,或在超新星爆炸時(shí)產(chǎn)生第23頁第23頁宇宙微波背景輻射 (CMB)Alpher, Herman, Gamow （1948）:在高溫下物質(zhì)產(chǎn)生輻射因此宇宙早期一定存在大量光子，物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。伴隨宇宙膨脹冷卻，等離子體復(fù)合成普通氣體。時(shí)至今日，光子紅移成為微波。Dicke, Peebles, Wilkinson (1964):尋找宇宙微波背景Penzias & Wilson 1964調(diào)試Bell Lab 天線第24頁第24頁宇宙微波背景輻射黑體譜COBE 衛(wèi)星第25頁第25頁大爆炸歷史第26頁第26頁宇宙膨脹動(dòng)力學(xué)解K=+1 閉合宇宙K=0 平直

8、宇宙K=-1 開放宇宙第27頁第27頁擬定宇宙命運(yùn): 哈勃常數(shù)Hubble H0= 500 km/s/MpcBaade: 兩個(gè)星族de Vaucouleurs H0=100km/s/MpcSandage H0=50km/s/MpcHST key project: H0=73km/s第28頁第28頁物質(zhì)密度:暗物質(zhì)F. Zwicky 1933COMA cluster星系團(tuán)內(nèi)星系運(yùn)動(dòng)速度與引力相關(guān), 依據(jù)速度大小能夠判斷星系團(tuán)質(zhì)量. 星系團(tuán)內(nèi)質(zhì)量光度比是太陽幾百倍，闡明星系團(tuán)內(nèi)存在不發(fā)光暗物質(zhì)第29頁第29頁星系旋轉(zhuǎn)曲線與暗物質(zhì)第30頁第30頁引力透鏡效應(yīng)第31頁第31頁引力透鏡效應(yīng)第32頁第32

9、頁暗物質(zhì)是不發(fā)光普通物質(zhì)嗎? 人們用各種辦法探測也許存在重子暗物質(zhì)，表明其不也許大量存在 對(duì)星系團(tuán)觀測表明暗物質(zhì)約占宇宙總密度20，但氘豐度表明重子物質(zhì)不也許超出宇宙總密度5%.第33頁第33頁擬定宇宙幾何依據(jù)宇宙早期“聲音”，能夠擬定宇宙幾何！宇宙是平直！第34頁第34頁超新星與暗能量發(fā)覺第35頁第35頁加速宇宙第36頁第36頁友好宇宙學(xué)模型第37頁第37頁宇宙之五個(gè)時(shí)代Adams & Laughlin (1999)t=10n 年原初時(shí)代(primordial era) n6生星時(shí)代(stelliferous era) 6n14簡并時(shí)代(degenerate era) 14n39黑洞時(shí)代(b

10、lack hole era) 39n100黑暗時(shí)代(dark era) 100n第38頁第38頁宇宙是如何變成均勻?視界問題平坦問題第39頁第39頁暴脹 (inflation)Guth為了處理平坦問題和視界問題, 需要暴脹1025 倍以上宇宙可觀測部分是平直第40頁第40頁混沌暴脹Linde宇宙中滿足一定條件就會(huì)發(fā)生暴脹暴脹處體積快速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其它地方可觀測宇宙只是整個(gè)宇宙一小部分第41頁第41頁宇宙是如何變成不均勻?海森堡依據(jù)測不準(zhǔn)原理,在微觀尺度存在量子漲落第42頁第42頁終極理論：大爆炸之前?世界本原是弦？粒子是弦上激發(fā)自動(dòng)包括了引力世界其實(shí)是10維或26維第43頁第43頁如何探測極早期宇宙大爆炸之前是什么: 永恒暴脹? 時(shí)空概念失效？ 有生于無? 循環(huán)宇宙？ 強(qiáng)弱對(duì)偶？.信息藏在密度漲落和引力波中引力波