高中物理《粒子和宇宙》課件6（15張PPT）（新人教選修3-5）

歡迎進(jìn)入物理課堂 探索宇宙大爆炸 一 宇宙模型二 宇宙的誕生與未來三 大爆炸宇宙論四 大爆炸宇宙論的兩個證據(jù)五 宇宙的形成進(jìn)程六 宇宙圖片 基于 宇宙是膨脹的 這個由觀測事實得到的論點 人們建立了宇宙的三種不同模型 第一種是穩(wěn)定態(tài)模型 認(rèn)為宇宙一直在以不變的速率膨脹 新的物質(zhì)不斷產(chǎn)生 某一空間總是有同量的物質(zhì) 第二種是大爆炸模型 認(rèn)為宇宙起源于一次大爆炸 以后各星系會無限膨脹 宇宙的全部元素供應(yīng)都在爆炸的頭半個小時內(nèi)產(chǎn)生齊備 再不會有新的物質(zhì)產(chǎn)生 第三種是脈動模型 認(rèn)為宇宙的所有物質(zhì)都從一團原先壓緊的物質(zhì)飛離 速度逐漸緩慢下來 最終停止不動 而后開始在各部的引力互拉影響下發(fā)生收縮 物質(zhì)凝聚到最后再度發(fā)生爆炸 在這些過程中 物質(zhì)既沒有產(chǎn)生 也沒有毀滅 只是重新編排 互換位置 3種宇宙模型共存 人們?yōu)榇思まq了許多年 到了50年代后期 大爆炸模型漸趨上風(fēng) 到1965年 更有觀測證據(jù)有力地支持大爆炸模型 從此 大爆炸模型被廣泛地接受了 宇宙模型 大爆炸模型認(rèn)為 最初的宇宙是連10 25厘米也未充滿的超高溫 高密度的 一點 大約180億年前 這 一點 突然爆炸了 僅用10 36秒 伴隨著真空相轉(zhuǎn)移的過冷卻現(xiàn)象 一點 做了瞬間幾十個數(shù)量級的膨脹 成為一厘米規(guī)模的宇宙 其后宇宙繼續(xù)膨脹 溫度從幾十億攝氏度開始下降 大約在5500萬攝氏度時 由降溫過程的能量 生成中子 質(zhì)子它們又合民原子核 這些過程僅有3分鐘 約30萬年后當(dāng)宇宙的溫度下降到3000攝氏度時 自由電子被原子核捕捉形成原子 在隨后的大約3000萬年中那些原子繼續(xù)外沖 宇宙也繼續(xù)冷卻 到宇宙溫度降至絕對零度之上167度時 原子開始化合形成稀薄氣體 此后因密度波動 引力作用 部分收縮 向新的天體進(jìn)化 再經(jīng)過100多億年 顯示出多種多樣的物質(zhì)形態(tài) 成了今天的宇宙 宇宙的誕生與未來 大爆炸理論告訴了人們宇宙是怎樣誕生的 但并未說明宇宙將怎樣死亡或是否會死亡 對這個問題 人類現(xiàn)在還未得到確切的答案 人們認(rèn)為 宇宙的未來取決于宇宙的幾何模型 即宇宙是開放的還是閉合的 回答這個問題 要以愛因斯坦的狹義相對論 時空理論和廣義相對論 引力理論為基礎(chǔ) 狹義相對論發(fā)現(xiàn)了高速運動能使時間 長度和質(zhì)量發(fā)生奇怪的畸變 廣義相對論指出空間是彎曲的 運用愛因斯坦的理論 可以找出一種能夠確定宇宙彎曲與否的觀測方法 這種方法所根據(jù)的原理是 宇宙業(yè)己膨脹 必然會自行制動 因為各星系間相互引力一定會發(fā)生使各星系彼此分離的飛行緩慢下來的作用 制動效應(yīng)的測量方法在于過去的膨脹速度 如果過去的膨脹速度比現(xiàn)在的膨脹速度大的多 那就表示宇宙的行動己被制住了很多 它的曲率是正的象一個球體表面 如果制動只有一點點 它的曲率可能是零 象普通歐幾里得 平直 空間 如果完全沒有制動 它的曲率就是負(fù)的 象西部馬鞍的表面 到現(xiàn)在為止 人們對暗淡而迅速后退的星系所做的多次探測 顯示出宇宙大概是正彎曲的 這就是說宇宙無邊然而是有限的 它可能往四面八方無限遠(yuǎn)地伸展 而質(zhì)量并非無窮 人類對宇宙未來的認(rèn)識僅僅如此 但人類己知地球所屬的太陽系及銀河系是無法永存的 五六十億年之后 太陽將膨脹成大火球 那時人類的后代只有移民到銀河系中別的星系的一行星上才會得以續(xù)存 當(dāng)銀河系大大小小的恒星都黯然無光之時 人類將怎么辦呢 當(dāng)然人類不能無動于衷 當(dāng)然 大爆炸理論認(rèn)為今天的宇宙仍在繼續(xù)膨脹 這張珍貴的照片是美國宇航局科學(xué)家通過威爾金森各向異性微波探測器經(jīng)過一年時間的觀測獲得的結(jié)果 照片中包含了許多令人震驚的信息 為支持宇宙大爆炸和宇宙膨脹理論提供了新的依據(jù) 同時為揭開暗能量之謎指引了道路 據(jù)有關(guān)人士估計 這項成果是近幾年宇宙研究中最重大的發(fā)現(xiàn)之一 宇宙是如何形成的 關(guān)于這個課題迄今有多種說法 其中 宇宙大爆炸模型有較多的觀測成果來支持 又被稱為 標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型 這一模型是俄裔美籍科學(xué)家伽莫夫在1948年提出的 認(rèn)為現(xiàn)在觀測到的宇宙開始于最初的一次大爆炸 大爆炸使物質(zhì)四散飛出 宇宙空間不斷膨脹 溫度隨之下降 化學(xué)元素開始形成 宇宙間的物質(zhì)包括質(zhì)子光子電子和較輕的原子核相繼出現(xiàn) 宇宙中的星系 恒星 行星乃至生命都是在這種不斷膨脹和冷卻的過程中形成的 作為這次大爆炸的遺跡和證據(jù)之一的便是宇宙微波背景輻射 早在1929年 埃德溫 哈勃作出了一個具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn) 即不管你往哪個方向看 遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去 換言之 宇宙正在不斷膨脹 這意味著 在早先星體相互之間更加靠近 事實上 似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻 它們剛好在同一地方 所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻 當(dāng)時宇宙無限緊密 1950年前后 伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念 這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個確定的點 然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸 而是一種在各處同時發(fā)生 從一開時就充滿整個空間的那種爆炸 爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔 事實上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹 整個空間 可以指的是整個無限的宇宙 或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙 根據(jù)大爆炸宇宙論 甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體 溫度極高 密度極大 且以很大的速率膨脹著 這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度 這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志 因而稱宇宙溫度 氣體的絕熱膨脹將使溫度降低 使得原子核 原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn) 大爆炸宇宙論 從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來 通過幾十年的努力 宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史 大爆炸開始時150 200億年前 極小體積 極高密度 極高溫度 大爆炸后10 43秒宇宙從量子背景出現(xiàn) 大爆炸后10 35秒同一場分解為強力 電弱力和引力 大爆炸后10 5秒10萬億度 質(zhì)子和中子形成 大爆炸后0 01秒1000億度 光子 電子 中微子為主 質(zhì)子中子僅占10億分之一 熱平衡態(tài) 體系急劇膨脹 溫度和密度不斷下降 大爆炸后0 1秒后300億度 中子質(zhì)子比從1 0下降到0 61 大爆炸后1秒后100億度 中微子向外逃逸 正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn) 核力尚不足束縛中子和質(zhì)子 大爆炸后13 8秒后30億度 氘 氦類穩(wěn)定原子核 化學(xué)元素 形成 大爆炸后35分鐘后3億度 核過程停止 尚不能形成中性原子 大爆炸后30萬年后3000度 化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成 宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì) 并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊 直至恒星和恒星系統(tǒng) 一 宇宙背景輻射若果宇宙早期溫度真的很高 物質(zhì)便應(yīng)放射大量輻射 情況就如一塊碳燒熱時發(fā)光一樣 這些由原始火球發(fā)出的光充斥著整個宇宙 並遺留至今天 我們稱之為 宇宙背景輻射 它們的波長 隨著宇宙的膨脹而被拉長了約一千倍 到今天主要只剩下微波波段 事實上 即使普通的電視天線 亦可以接收一小部份這些差不多完全均勻分佈的宇宙微波背景輻射 成為畫面上 雪花 的一小部份 這可能有點匪夷所思吧 家中的電視竟然可以接收一百數(shù)十億年前宇宙發(fā)出的訊號 無論如何 宇宙微波背景輻射的存在加上宇宙膨脹 很明確地告許我們 宇宙曾經(jīng)很熱 與大爆炸理論相符 微波背景輻射的強度其實亦不是完全均勻 而是在天空不同位置有些微的差異 它們的強弱分佈 或稱為不均勻性是源於原始火球的輕微振動 從這些振動 我們可以推算出早期宇宙的總質(zhì)量等物理性質(zhì) 近幾年來宇宙論觀測的很多突破 都由宇宙微波輻射不均勻性的觀測而得到 而皮布爾斯教授則是宇宙微波輻射不均勻性研究的先驅(qū) 大爆炸的兩個主要證據(jù) 宇宙微波背景輻射在全天空的強弱分佈 圖中紅及黃色部份代表微波輻射稍強於平均 而藍(lán)色部份則稍弱 宇宙微波背景輻射的不均勻性反映出原始火球的輕微振動 數(shù)據(jù)由WilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe衛(wèi)星量得 二 宇宙中輕元素的比例自然界各種物質(zhì)都由原子 atoms 組成 而原子內(nèi)部則有原子核 atomicnucleus 及外圍的電子 electrons 原子核很細(xì)小 由帶正電荷的質(zhì)子 protons 及不帶電荷的中子 neutrons 結(jié)合而成 不同數(shù)目的質(zhì)子及中子組成不同的元素 例如 氫 Hydrogen 原子核只有一顆質(zhì)子 而氦 Helium 原子核則有中子及質(zhì)子各兩顆 由於宇宙早期溫度太高 粒子即使曾經(jīng)聚合 亦很快瓦解 所以早期的宇宙物質(zhì)只是一大堆熾熱的質(zhì)子 中子及電子 隨著宇宙膨脹 原始火球的溫度下降 質(zhì)子和中子才開始結(jié)合成氘 Deuterium 氦等輕元素的原子核 這過程稱為 大爆炸核合成 BigBangNucleosynthesis 不過 原始火球冷卻得很快 在短促的時間內(nèi)製造出最輕的幾種元素後 核合成便停止了 皮布爾斯教授根據(jù)宇宙膨脹的速度推算出原始火球溫度及密度的變化 從而計算核合成的速率及各種輕元素的比例 他的計算結(jié)果與觀測結(jié)果大致脗合 又一次證明大爆炸理論的正確 宇宙形成的進(jìn)程 宇宙圖片 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全