2019-2020年高中物理 《宇宙學簡介》教案 粵教版選修3-4.doc

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2019-2020年高中物理 《宇宙學簡介》教案 粵教版選修3-4 一、教學目標 1.知識與技能 （1）初步了解宇宙學的發(fā)展史 （2）關注宇宙學研究的新進展 2.過程與方法 通過閱讀書刊和上網收集資料、同學間交流、觀看關于宇宙學的科普影片和錄像等形式來關注宇宙學研究的進展 3.情感、態(tài)度與價值觀 通過初步了解宇宙學的發(fā)展和目前研究的新進展，使學生更深刻感受物理學的價值，認識到“利用科學解決人類社會的問題，是人類改造社會不可或缺的手段”。激發(fā)學生熱愛科學，促進學生情感的遷移和人性的完善。 二、教學過程 （一）引入新課 放眼無垠夜空，觸目所視皆是扣人心弦的悸動。令人無法自已的萬里星空，是宇宙造物主鬼斧神工，瑰麗驚艷的傳世之作。自從1929年Hubble 將人類視野延伸至銀河系外，加上1965年發(fā)現(xiàn)的3K（更精確的數(shù)值為2.735K）宇宙背景輻射以及60年代成功的高能粒子理論，人類的宇宙觀有了重大的轉變。20世紀末葉人類的宇宙觀，更由于觀測技術的進步與發(fā)展，而有大幅度的成長。其中對宇宙背景輻射（CMB, Cosmic Microwave Background）的精密觀測與數(shù)據(jù)陸續(xù)出籠，使得宇宙學正式成為實驗物理最為令人看好的一支，也吸引大量人力與物力的投入，是最被物理學家看好，最有前景的主流物理之一。 （二）進行新課 1.人類對宇宙演化的認識 宇宙學進展大事隨紀 1. 1608年　Hans Lippershey 建造第一個折射式光學望遠鏡。 2. 1609年　Galilei 建造第一個折射式光學天文望遠鏡，并用其作為天文觀測之用。 3. 1668年　Issac Newton 牛頓建造第一個反射式光學天文望遠鏡，并用其作為天文觀測之用。 4. 1917年　George Hale 建造完成位于美國加州威爾森山 (Mt. Wilson) 直徑100吋的光學反射式望遠鏡天文觀測站。 5. 1929年　哈伯 (Edwin Hubble) 在美國加州威爾森山利用光學望遠鏡觀測宇宙，發(fā)現(xiàn)銀河系外還有其它星系，而且由光譜線紅位移現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹之中。 6. 1949年　George Hale 負責設計監(jiān)造位于加州帕洛瑪 (Palomar) 直徑200吋的光學反射式望遠鏡天文觀測站完成。 7. 1965年　Arno Penzias和Robert Wilson發(fā)現(xiàn)2.735K宇宙背景輻射。 8. 1966年　Rainer Sachs和Arthur Wolfe預測因為介于觀測者與最后散射面(last scattering surface, LSS)　間導因于重力場變化的CMB微擾。史稱Sachs-Wolfe效應。 9. 1969年　Rashid Sunyaev 和Yakov Zel’dovich 研究CMB 光子和LSS熱電子間的康卜敦散射 (pton scattering)。史稱Sunyaev-Sel’dovich 效應。 10. 1989年　Cosmic microwave Background Explorer (COBE) 升空進入地球軌道。 11. 1990年　哈伯天文望遠鏡　(Hubble Telescope, HUT) 升空進入地球軌道。 12. xx年　對第一類超新星 (type I supernova) 的觀測證實宇宙正在加速膨脹之中。 13. xx年　Microwave Anisotropy Probe (MAP) 升空進入地球軌道。 14. xx年　臺灣Anisotropy Microwave Background Interferometer Baseline Array (AMIBA) 的原型望遠鏡即將正式運作。其它大型計劃亦是箭在弦上。 ３０年代的宇宙觀 20世紀人類有三大創(chuàng)舉，除了高得 (Godel) 的不完整理論 (inplete theory, 1931發(fā)表)，少有人注意到之外，一般物理學家都耳熟能詳?shù)?，就是量子力學 (Quantum mechanics, QM) 及廣義相對論了，而廣義相對論的重要性與影響的深遠，更遠在量子力學之上。然而，頗令人不可思議的是：廣義相對論并沒有在大學課程的安排上，受到量子力學般必修的待遇，這其中的緣由實在值得我們重新思考。 人類文明史的發(fā)展與夜觀天象這回事，密不可分。不論東方或西方的天文記載，早在文字一出現(xiàn)就有脈落可循。隨后較大的突破，始于400年前的伽利略，他不但確立以實驗驗證理論的劃時代作風，宣告物理學的誕生，他還有一項發(fā)明，就是望遠鏡。這項發(fā)明，幫助天文觀測以及理論更上層樓。當然，古典的重力理論隨后由牛頓創(chuàng)立，在愛因斯坦之前的古典天文史，也算頗有年代了。然而，你可能不知道，我們今天所認識的宇宙，是在20年代末，才由哈伯在加州威爾森山的觀測，確立我們現(xiàn)在所熟悉的宇宙及演化模型。還有星星的演化流程與機制，也是在60年代，理論高能物理有了重大突破以后，才逐漸形成今天廣為眾人接受的大霹厘說今天的樣貌。也就是說，你如果活在20年代，你大概會被當代大師的宇宙觀嚇一大跳！ 由于90年以前天文觀測的誤差相當令人難以接受，致使天文與物理之間，如同同床異夢，貌合神離，間而阻礙了這個領域的發(fā)展。但是天文觀測在90年后，由于大量使用新一代電子儀器與借助人造衛(wèi)星、熱汽球與無線電天文望遠干涉儀等新儀器，加上低溫物理的進展，還有寬帶高頻儀器的發(fā)展，使得天文觀測的可信度與精確度大大提高，使得天文觀測與90年之前有如天地之別，天文物理正式發(fā)展成一門可信度相當?shù)膶嶒炍锢怼? 這期間廣義相對論和一般物理的難度與復雜度有段距離，使得一般物理學家在缺乏相關訓練下，有點難以就手，實在有點令人遺憾。所幸，物理一向有多樣的面貌，有些事情，你大可不用廣義相對論，把牛頓的東西搬出來，稍加修飾，也可說得好像那么一回事。 舉例來說 由于宇宙因為是均勻、沒有方向性的 (homogeneous and isotropic) 所以可得其測度度規(guī) (metric) 可化簡成 其中可以看成宇宙半徑，　分別表示封閉、平直與開放的宇宙。這三類的空間我們稱為福里曼．羅柏生．窩可空間Friedmann-Robertson-Walker (FRW) space。若用牛頓力學可得 ； 其中為一個宇宙中某待測質點的質量，T為其動能，U為其重力位能，為宇宙平均能量密度。如果 [為臨界能量密度(critical density)，使得E=，意即宇宙形成束縛態(tài)(bound state)的密度]， 則可得 其中為哈伯常數(shù)(Hubble constant)，而現(xiàn)在（即 lightyear光年），所以可知，約為每立方公尺有3個質子。 事實上，上面的公式不應該用上面這種錯誤的方法導出，應該遵循廣義相對論的原理，直接解愛因斯坦方程式求解。雖然我們沒辦法在這里詳細交代廣義相對論的原理，但是這個方程式，事實上正好是在FRW空間下的愛因斯坦方程式。雖然導出方法大不相同，這樣的巧合戲劇性地說明了物理多樣性的一面！ 2.宇宙學的新進展 ８０年代的宇宙觀 宇宙演化 I think it is fair to say that no one understands the quantum theory. Feynman 1929年，哈伯確定宇宙正在以約為常數(shù)的速率膨脹之中。反推回去，則可推知宇宙在演化早期，應該是非常擁擠，非常炙熱的世界，再加上Penzias 及Wilson在1965年意外地發(fā)現(xiàn)宇宙2.735K背景輻射，不但是均勻的，而且沒有方向性。這意謂我們的宇宙，在早期就已經充份地達到熱平衡。但是由現(xiàn)今宇宙的大小，依目前膨脹速率倒過來推算回去，我們發(fā)現(xiàn)早期宇宙依然太大，無法有效完成熱平衡，進而造成今天高度均勻、無向的宇宙背景輻射。因此1980年MIT的Alan Guth提出暴脹宇宙 (inflationary universe) 的機制，相當程度地解決了宇宙霹靂說 (big bang model) 所留下的缺口。于是我們在60年代成功的粒子標準模型的聲援下，有了以下的宇宙標準模型 (standard model)： 宇宙演化大事隨紀 宇宙起始于很小的奇點，然后一聲BANG！宇宙開始全方位膨脹，啟動時間簡史。隨后在10-43至10-34秒之間，宇宙進行暴脹。宇宙的半徑約從10-25cm膨脹到相當于一粒米的大小，宇宙的溫度則由1019Gev (相當于1032K) 經由一番曲折的歷程在此一瞬間降到1014Gev(1027K)。之后由粒子物理的標準模型接管，進行溫博格在宇宙前三分鐘那本書中所描述的物理。約30萬年時，宇宙由輻射為主 (Radiation Dominate, RD) 的時期，轉成以物質為主 (Matter Dominate, MD) 的時期。當時光子的溫度約為3000K，歷經宇宙膨脹冷卻而殘留我們今天所觀測到的2.735K宇宙背景輻射。 自從Guth提出的宇宙暴脹模型，相當多物理學家開始接受霹靂說，并藉由逐漸成熟的粒子場論模型，物理學家開始對相關的CMB深入探討。這期間物理界有三大盛事，人稱三個超事件。一是1984年超弦理論 (superstring) 死而復活，其二是1986發(fā)現(xiàn)高溫超導，最后是1987人類第一次有計劃觀測超新星 1987A的爆發(fā)歷程。這三件大事，都相當程度地影響整個物理界的進展。 超弦理論的成功，使得更多的物理學家開始接受高維度空間存在的可能性，高溫超導當然是當年一件大事，雖然是高溫超導的夢想尚待實現(xiàn)，卻使得原先設計的美國超導超級對撞機因可能的夢想而稍有停滯，最后導致停建。這兩件事相當程度的使得高能物理學家轉而關注宇宙這個窮人加速器，而大量人力物力的投入，也使得這十年間的宇宙學，不但在理論上更臻成熟，也使得90年代相關的天文衛(wèi)星實驗、大尺度的天文觀測站、熱汽球實驗、航天飛機實驗等等，逐漸變?yōu)榭赡?。觀測超新星 1987A的爆發(fā)歷程，不但驗證相關粒子物理模型與天體演化歷程的可信度，更提供我們對距離測量與宇宙實際密度的相關線索。 總而言之，宇宙學在80年代中期，已經成為一門嚴謹?shù)睦碚撐锢韺W，物理學家對宇宙的演化已有相當程度的掌握。因為對觀測的種種殷望，在物理學家共同的需要下，相關的計算機，半導體產業(yè)與精密工業(yè)的配合下，加上太空觀測在NASA的努力與支持下，逐漸使得精密測量變?yōu)榭尚小? 物理學家開始進行地面與高空，甚至太空的觀測站設置，展開不同波長，可見與不可見光的各式觀測實驗，試圖突破距離與大氣層對我們所造成的種種限制。因此80年代像是實驗準備階段，而90年代則正式成為實驗的年代。由于欠缺實驗的左證，80年代物理學家的宇宙觀非常開闊。不論甚么維度的時空，不論如何復雜的機制，都有人相信，宇宙學不但天馬行空，而且波瀾壯闊，就人類思考行為而言，這真是一個百家齊放，百家爭鳴的文藝復興時期。 ９０年代的宇宙觀 在眾人殷切的期盼下，宇宙相關觀測實驗在90年代陸續(xù)上線。 愛因斯坦最美麗的錯誤--宇宙常數(shù) 　　1915年人類還相信宇宙是靜止的，愛因斯坦為了解釋宇宙為何是靜止的，必須引入一個常數(shù)項，提供一個反制宇宙里所有可見星體受重力內塌的排斥力，才有辦法用他用廣義相對論推導而得的愛因斯坦方程式自圓其說。事后物理學家發(fā)現(xiàn)有其它靜止宇宙的解，甚而隨后又發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜止，因此愛因斯坦曾針對他引進的宇宙常數(shù)發(fā)表評論說：宇宙常數(shù)是他一生所犯下的最大錯誤。 事實上，直到xx年之前的物理學家認為宇宙常數(shù)幾近于零，但是所有的場論理論都預測一個很大的宇宙常數(shù)，這個難解的問題史稱宇宙常數(shù)難題。雖然超弦理論一度讓人們以為我們可以找到量子重力場論，進而解開量子宇宙的迷團，順帶解決宇宙常數(shù)問題，然而過了近二十年，我們的夢想依然遙遠。由于問題無法理解，人稱宇宙常數(shù)是愛因斯坦最美麗的錯誤。 尾大不掉的星系與暗物質 觀察我們銀河系就可以發(fā)現(xiàn)，銀河系外圍的恒星，其繞銀河系中心旋轉的速度，并沒有隨距離銀河中心的距離增加而減慢，反而接近常數(shù)值。強大的離心力，需要比銀河系可見恒星總值量大約100倍的總質量，才有辦法把銀河系邊緣恒星留住。這些不發(fā)光的物質，史稱暗物質。為甚么有這么多暗物質，還有暗物質到底是甚么東西，一直受到物理學家的注意，史稱暗物質問題。直到現(xiàn)在我們仍不清楚為何宇宙大部份能量都不是以可見的物質型態(tài)存在。物理學家正在推測各種可能的黑暗物質，期盼觀測實驗或高能實驗能給我們一個明確的答案。 同時，物理學家一直相信宇宙雖然在持續(xù)膨脹之中，但是一直相信宇宙總質量小于但接近臨界質量，一直忽略宇宙常數(shù)項的影響。但是到了xx年，兩組分別由位于美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的 Saul Permutter博士所主持的超新星宇宙學計劃 (supernova cosmology project) 與澳洲斯壯羅山天文臺(Mt. Stromlo observatory) Brian Schmidt博士所主持的高紅位移超新星搜尋組 (High-Z supernova search team)，以第一類超新星 (type Ia supernova) 為觀測目標，得到的數(shù)據(jù)證實宇宙正在加速膨脹之中。加上其它相關觀測，物理學家相信現(xiàn)在宇宙總能量約有四分之三是由宇宙常數(shù)項提供，又稱為暗能量﹔另外四分之一則是以物質型態(tài)存在的能量。當然絕大多數(shù)的物質都是暗物質。 前面我們有介紹均勻、無向的宇宙演化方程式，在非臨界質量時為 其中的就是愛因斯坦加上的宇宙常數(shù)。把這個方程式稍微微分，再加減整理一下，就可得：) 其中p　為流體的壓力密度，和流體能量密度的關系由能量守恒定律來決定。物理學家就是靠這些方程式來決定物質含量比率與暗能量的比率。 xx年與及最近這一、兩年的發(fā)現(xiàn)，使得我們的宇宙觀有了很大的轉變。人們開始關心，宇宙常數(shù)為何這么大？宇宙常數(shù)和物質之間的比率又為何這么接近？有趣的是，如果宇宙持續(xù)這樣子加速膨脹，數(shù)十億年后，其它恒星都將因離我們太遠，甚而落在視線之外。因此，當我們仰望夜空，暗無星光的月夜，將是何等的孤寂。 前面說過，現(xiàn)在的天文觀測由于大量使用新一代電子儀器并借助人造衛(wèi)星、熱汽球與無線電天文望遠干涉儀等新儀器，加上低溫、寬帶、高頻儀器的發(fā)展，使得天文觀測的可信度與精確度大大提高，幾個大型計劃也正如火如荼的陸續(xù)展開之中。在未來十年內，陸續(xù)獲得的數(shù)據(jù)與信息，將使我們更精確地了解與掌握宇宙的過去與未來可能的演化方向，讓我們下一個世紀的研究方向更加明朗化。 當然，哥倫布當年橫跨大西洋，目標是印度、中國，卻意外的發(fā)現(xiàn)美洲新大陸。同樣的，過往我們投資的許多大型實驗，也如同哥倫布的發(fā)現(xiàn)之旅一樣，幾乎沒有任何實驗能按原定計劃完成。然而原先的設計，卻也常有意外發(fā)現(xiàn)。只要各種計劃持續(xù)的進行，龐大的研究人力也能持續(xù)的投入，人類的宇宙拓荒之旅，一定一樣神速無比，也一定一樣一路充滿驚人的喜悅。 回觀20世紀初物理學家所處充滿變化的環(huán)境，似乎是本世紀初的回影。在這個充滿挑戰(zhàn)與喜悅的年代，從事宇宙、物理研究的物理學家，比任何時代的物理學家更加幸運，不但可以見證物理快速的成長，還將見證大尺度、浩瀚宇宙的神秘面紗在我們面前一點一點地揭開。物理學家過去這幾年開始協(xié)助科幻電影的制作，物理本身的發(fā)展也充滿幻象萬千的科幻情節(jié)。說不定幾年后一、兩個重要的突破，可以讓我們的宇宙觀有全然不同的樣貌，讓我們驚贊不已！年輕的朋友們，想要又high又炫的人生嗎？宇宙之船即將開航，心動就要馬上行動！ 課余作業(yè) 完成練習題目。課下閱讀課本相關內容