宇宙物理与宇宙学

宇宙物理与宇宙学第一页，共二十四页，2022年，8月28日第二页，共二十四页，2022年，8月28日

23－1宇宙概貌*

23－2宇宙天体运动规律*

23－3哈勃定律和宇宙膨胀*第二十三章天体物理与宇宙学

23－4宇宙大爆炸模型*

23－5超新星*

23－6致密星*第三页，共二十四页，2022年，8月28日23－1

宇宙概貌*宇理图（实测宇宙）人类地球月地系太阳系太阳银河系超星团宇宙0781213232428米/量级神话宇宙托勒密地心说哥白尼日心说布鲁诺无限宇宙说开普勒三定律近代宇宙学牛顿万有引力定律第四页，共二十四页，2022年，8月28日一、太阳系第五页，共二十四页，2022年，8月28日第六页，共二十四页，2022年，8月28日二、星系拍摄到的星系图银河系第七页，共二十四页，2022年，8月28日三、星系团102亿光年外的星系团第八页，共二十四页，2022年，8月28日四、超星系团星系团碰撞第九页，共二十四页，2022年，8月28日五、整个宇宙宇宙全景图第十页，共二十四页，2022年，8月28日23－2

宇宙天体运动规律*一、万有引力规律万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。

意义：它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次解释了（自然界中四种相互作用之一）一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。第十一页，共二十四页，2022年，8月28日局限：牛顿的经典力学只适用于低速、宏观、弱引力，而不适用于高速、微观与强引力。二、爱因斯坦的引力理论经典引力理论的问题：1、仅能描述超距作用2、不具有洛仑兹变换下的协变形式1905年，爱因斯坦建立狭义相对论。AlbertEinstein1879-1955第十二页，共二十四页，2022年，8月28日狭义相对论(specialrelativity)

缺陷：1.承认惯性系的特殊地位。2.不能建立令人满意的引力理论。广义相对论

(generalrelativity)：时空弯曲物质引力场惯性系非惯性系相对性原理

清除了以太绝对空间，仅适用于惯性系，而自然界不存在严格惯性系，实际参照系都是非惯性系。爱因斯坦认为非惯性系与惯性系应处同等地位，应同样有效描述物理定理。第十三页，共二十四页，2022年，8月28日

狭义相对论否定物质、能量以无限速度传递，电磁场理论与之符合，牛顿引力理论带有超距作用的烙印。爱因斯坦认为应以引力场理论代替牛顿引力理论，类似于电磁场建立引力场方程，从实验探测引力波存在。其发现在狭义相对论基础上无法建立引力场理论。

广义相对论解决了上述两问题：狭义相对论指出时空的内在联系，但未表明时空与物质的联系。将相对性原理推广到一切参照系，把引力同时空的几何性质联系起来，物质、引力场和时空三者联结为一整体，建立了新引力理论。第十四页，共二十四页，2022年，8月28日一、哈勃定律(Hubblelaw)：哈勃常数：H0=5.5厘米·(秒·秒差距)－1星系谱线红移星系相互退行过去靠得更近宇宙开端奇点二、宇宙膨胀

宇宙(universe)由某个更小、更密的状态－奇异态变化而来。

1929年，美国天文学家发现遥远恒星发出的光谱线普遍存在“红移”现象。EdwinHubble1889-195323－3

哈勃定律和宇宙膨胀*第十五页，共二十四页，2022年，8月28日大爆炸理论证据：1)宇宙膨胀2)宇宙微波背景辐射3)化学元素的相对丰度

预言大爆炸初期留存的氢氦丰度与测量结果吻合。

1965年美国天文学家彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙空间均匀分布温度3K的热辐射，为大爆炸辐射残留。1978NobelPrizeinPhysicsRobertW.Wilson1936-ArnoAllanPenzias1933-23－4

宇宙大爆炸模型*第十六页，共二十四页，2022年，8月28日一、宇宙大爆炸(TheBigBang)模型：

在约150-200亿年前，宇宙是从一个高温高密度的奇异态，开始爆炸，膨胀之后渐渐冷却，形成星系。膨胀是发生在每一处。演化模型奇点粒子形成原子形成星系形成宇宙透明恒星形成行星形成古生代010-44秒智慧人3分3105年109年4109年5109年1010年21010年

1948年伽莫夫首先提出了大爆炸宇宙说

(bigbangcosmology)。GeorgeGamov1904-1968第十七页，共二十四页，2022年，8月28日二、暴胀(inflaionaryuniverse)时的宇宙

暴胀机制：宇宙在10-35

秒时发生相变，放出巨量的“潜热”，造成宇宙暴胀。

假设：宇宙在10-35s至10-33s之间发生暴胀。在此期间，宇宙的直径大约由10-26m暴增1050倍，至1024m(～30Mpc)。在10-33s时，暴胀终止，膨胀速率变得与标准模型相同。第十八页，共二十四页，2022年，8月28日三、恒星和星系的形成星云聚为恒星的过程可分为快收缩阶段和慢收缩阶段。前者历经几十万年，后者历经数千万年。星云快收缩后半径仅为原来的百分之一，平均密度提高1亿亿倍，最后形成一个“星胚”。这是一个又浓又黑的云团，中心为一密集核。此后进入慢收缩，也叫原恒星阶段。这时星胚温度不断升高，温度升高到一定的程度就要闪烁发光，以示其存在，并步入恒星的幼年阶段。但这时恒星尚不稳定，仍被弥漫的星云物质所包围着，并向外界抛射物质。星系是由大星云收缩形成的第十九页，共二十四页，2022年，8月28日23－5

超新星*质量相当于太阳质量的8~20倍的恒星，由于质量的巨大，在它们演化的后期，星核和星壳彻底分离的时候，往往要伴随着一次超级规模的大爆炸。这种爆炸就是超新星爆发。第二十页，共二十四页，2022年，8月28日23－6

致密星*一、白矮星(WhiteDwarf)：一种低光度、高密度、高温度的恒星。形成：核反应停止后，主要靠电子简并压的梯度与引力平衡达到的一种稳定结构，在其内部，高温使原子失去电子，裸原子核挤在一起造成了高密度。第二十一页，共二十四页，2022年，8月28日特点：

光度低，不易发现；有效温度介于5500－40000K；大多呈白色，少数呈黄色甚至红色；质量越大，半径越小，质量于太阳差不多，大小于地球相仿平均密度：105－108g/cm3。钱德拉塞卡极限：

1933年印度Chandrasekhar提出白矮星的质量上限为太阳质量的1.44倍。1983NobelPrizeinPhysicsSubramanyanChandrasekhar1910-1995太阳也将变成白矮星第二十二页，共二十四页，2022年，8月28日二、中子星

（neutronstar）中子星：主要由中子组成的恒星。

对质量超过钱德拉塞卡极限德恒星，在核燃料耗尽后，电子简并压无法与引力抗衡，将继续坍塌，密度增加，开始发生逆衰变，产生中子，在其内部，中子简并压与引力平衡达到稳定结构。形成

1967年剑桥的Hewish和他的研究生Bell发现脉冲星。特点Oppenheimer极限：质量为太阳的2-3倍