1、 物理学对物质世界的基本认识物理学对物质世界的基本认识 前面几章已介绍物理学的一些基本原理，本章将从更一般的角度上介绍物前面几章已介绍物理学的一些基本原理，本章将从更一般的角度上介绍物理学对宇宙物质世界的基本认识。理学对宇宙物质世界的基本认识。8.1物质世界的层次、形态与基本相互作用物质世界的层次、形态与基本相互作用 在人类已研究的物质客体中，空间尺度跨越了42个数量级（如图8-1-1），可分为宇观、宏观、介观、微观诸层次。图8-1-1 8.1.1 物质世界的层次物质世界的层次 微观系统微观系统分子、原子尺度以下的物质客体。分子、原子尺度以下的物质客体。宏观系宏观系统统人体尺寸上下几个数量级范
2、围内的物质客体。人体尺寸上下几个数量级范围内的物质客体。介观系介观系统统介于宏观与微观之间的物质层次。介于宏观与微观之间的物质层次。宇观系统宇观系统大于宏观大于宏观层次的物质客体。层次的物质客体。从宏观角度看，物质内部结构连续、而宇从宏观角度看，物质内部结构连续、而宇宙不连续。从宇观角度看，整个宇宙的物质密度均匀。从微宙不连续。从宇观角度看，整个宇宙的物质密度均匀。从微观角度看，物质内部结构则不连续。观角度看，物质内部结构则不连续。微观客体是构成宏观物质的基本单元如原子、原子核微观客体是构成宏观物质的基本单元如原子、原子核和基本粒子。物质由分子组成，分子由原子组成，原子又由和基本粒子。物质由分
3、子组成，分子由原子组成，原子又由原子核和绕核运转的电子组成。原子核由核子（质子和中子）原子核和绕核运转的电子组成。原子核由核子（质子和中子）构成，核子的组成单元是夸克。还有传递各种作用力的基本构成，核子的组成单元是夸克。还有传递各种作用力的基本粒子如光子、粒子如光子、w w粒子、粒子、Z Z0 0粒子、胶子和引力子。粒子、胶子和引力子。各种各样的宏各种各样的宏观物质最后归结于若干个基本粒子所组成观物质最后归结于若干个基本粒子所组成。介观系统介观系统物理学的一个新的研究领域。介观体系分物理学的一个新的研究领域。介观体系分为亚微米体系（尺寸为亚微米体系（尺寸0.10.11m1m）、纳米体系（约）、
4、纳米体系（约1 1100nm100nm）和团簇（含几十到几百个或上千个原子、分子、离子的聚集体，和团簇（含几十到几百个或上千个原子、分子、离子的聚集体，典型尺寸小于典型尺寸小于1nm1nm，大的尺寸也可达几十纳米）。在这些介观，大的尺寸也可达几十纳米）。在这些介观体系中，出现了许多既不同于宏观物体也不同于微观体系的奇体系中，出现了许多既不同于宏观物体也不同于微观体系的奇特的现象，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等性质。特的现象，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等性质。宇观世界是万有引力起主要作用的世界。按尺度规模，天宇观世界是万有引力起主要作用的世界。按尺度规模，天体可分为四个层次：体
5、可分为四个层次：行星层次、恒星层次、星系层次和宇宙整行星层次、恒星层次、星系层次和宇宙整体。体。8.1.2 物质存在的基本形态物质存在的基本形态 人类对物质的认识，首先是人类对物质的认识，首先是“实物实物”即原子、分子组成即原子、分子组成的各种固体、液体和气体，有固定的质量，看得见，实实在在。的各种固体、液体和气体，有固定的质量，看得见，实实在在。场是除实物以外的另一种物质实在。场是除实物以外的另一种物质实在。目前认识的物态有目前认识的物态有固态、液态、气态、等离子态、超密度固态、液态、气态、等离子态、超密度态、反物质态和真空态态、反物质态和真空态7 7种种。固、液和气态是常见的。固、液和气态
6、是常见的。等离子态等离子态是是由足够数量的正负带电粒子组成、运动受电磁力支配的物态。它存由足够数量的正负带电粒子组成、运动受电磁力支配的物态。它存在于电弧、日光灯、高空电离层和极高温度下的物体系统（如热核在于电弧、日光灯、高空电离层和极高温度下的物体系统（如热核反应）中，也是宇宙物质存在的主要形式（恒星内部）。晚期恒星反应）中，也是宇宙物质存在的主要形式（恒星内部）。晚期恒星的物态是的物态是超密度态超密度态,如白矮星密度高达如白矮星密度高达10105 510106 6g/Cmg/Cm3 3,中子星密度中子星密度更高达更高达101014 14 10101616 g/cm g/cm3 3。反物质态
7、反物质态是由反粒子构成的物态，如反质子和正电子组成反氢原是由反粒子构成的物态，如反质子和正电子组成反氢原子。子。真空态真空态是物质存在的最低能态，物理意义上的真空并非是物质存在的最低能态，物理意义上的真空并非“一一无所有无所有”。此外，在宇宙中还存在有大量的暗物质。暗物质可分。此外，在宇宙中还存在有大量的暗物质。暗物质可分两类两类:一类是利用天体发射、吸收、反射、折射或散射电磁波的特一类是利用天体发射、吸收、反射、折射或散射电磁波的特性，可探测到的天体物质，因为太远或辐射太弱而看不见。另一性，可探测到的天体物质，因为太远或辐射太弱而看不见。另一类是不会发光而与电磁波无缘的物质，它们对各种波长的
8、光是完类是不会发光而与电磁波无缘的物质，它们对各种波长的光是完全透明体，但具有万有引力全透明体，但具有万有引力,这才是真正的暗物质。这类暗物质占这才是真正的暗物质。这类暗物质占宇宙总质量的宇宙总质量的95%95%以上。以上。场是宇宙中另一种物质形态，如电磁场、引力场。场是宇宙中另一种物质形态，如电磁场、引力场。场的场的物质性表现在物质性表现在：（：（1 1）有能量、质量、动量，在场中进行的过程）有能量、质量、动量，在场中进行的过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等规律。（遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等规律。（2 2）也以时间和）也以时间和空间为其存在的基本形式。（空间为其存在的基本形式。（
9、3 3）场与实物可以相互转化，如）场与实物可以相互转化，如光子在一定条件下可以变成正负电子对，反之亦然。但光子在一定条件下可以变成正负电子对，反之亦然。但场与实场与实物的根本差别在于物的根本差别在于：实物粒子如电、质子、中子具有不可入性：实物粒子如电、质子、中子具有不可入性或定域性，两个实物粒子不能同时占据同一个空间；而场具有或定域性，两个实物粒子不能同时占据同一个空间；而场具有可叠加性或弥散性；场的粒子如光子没有静止质量，在真空中可叠加性或弥散性；场的粒子如光子没有静止质量，在真空中的传播速度不变，而实物粒子有静止质量且运动的质量与速度的传播速度不变，而实物粒子有静止质量且运动的质量与速度有
10、关。场和实物粒子从不同侧面反映了宇宙世界的物质性有关。场和实物粒子从不同侧面反映了宇宙世界的物质性。从量子场论观点看，从量子场论观点看，量子场才是物质的基本形态量子场才是物质的基本形态。各种基。各种基本粒子都可以引进相应的量子场，量子场是具有波动性和粒子本粒子都可以引进相应的量子场，量子场是具有波动性和粒子性相结合的客体。场的最低能态称为基态，其他能态为激发态。性相结合的客体。场的最低能态称为基态，其他能态为激发态。量子场的激发表现出相应粒子的产生，退激表现出粒子的量子场的激发表现出相应粒子的产生，退激表现出粒子的湮没。湮没。互为复共扼的两种激发态表现为动量和质量相同的正、反互为复共扼的两种激
11、发态表现为动量和质量相同的正、反粒子状态。粒子状态。量子场可分为三种基本场即实物场、媒介场和希格斯量子场可分为三种基本场即实物场、媒介场和希格斯场。场。实物场所属的粒子有夸克和轻子（包括电子、电子中微子、实物场所属的粒子有夸克和轻子（包括电子、电子中微子、子、子、子中微子、子中微子、子、子、子中微子）。媒介场所属粒子有光子中微子）。媒介场所属粒子有光子、胶子、引力子和子、胶子、引力子和W W+、W W-、Z Z0 0粒子。希格斯场所属粒子是希格粒子。希格斯场所属粒子是希格斯粒子，希格斯粒子的作用是负责给所有粒子提供质量。所以，斯粒子，希格斯粒子的作用是负责给所有粒子提供质量。所以，物质存在归结
12、于场，物质粒子是场的一种特殊形态。物质存在归结于场，物质粒子是场的一种特殊形态。如电子和正如电子和正电子从属于电子场，是电子场的量子。电子场的激发表现为正电电子从属于电子场，是电子场的量子。电子场的激发表现为正电子和电子的产生，电子场的退激表现为电子和正电子的湮灭。退子和电子的产生，电子场的退激表现为电子和正电子的湮灭。退激的能量又使电磁场激发，产生一对光子。光子从属于光子场即激的能量又使电磁场激发，产生一对光子。光子从属于光子场即电磁场，是电磁场的基本粒子。其他物质粒子类似，是它们所从电磁场，是电磁场的基本粒子。其他物质粒子类似，是它们所从属的量子场的激发，量子场的量子即粒子。属的量子场的激
13、发，量子场的量子即粒子。量子场是基本的，粒量子场是基本的，粒子是派生的。断续的粒子和连续的场统一于既有微粒性又有波动子是派生的。断续的粒子和连续的场统一于既有微粒性又有波动性的量子场中性的量子场中。8.1.3 真空真空物质存在的一种状态物质存在的一种状态 1.1.狄拉克关于真空的解释狄拉克关于真空的解释 根据相对论能量根据相对论能量动量关系动量关系:E E2 2=(PC)=(PC)2 2 +m +m0 02 2C C4 4 （8-1-18-1-1）狄拉克结合相对论和量子力学，建立了狄拉克狄拉克结合相对论和量子力学，建立了狄拉克波动方程。由该方程得出的解有四个波函数，对应电波动方程。由该方程得出
14、的解有四个波函数，对应电子的四个状态。其中两个波函数对应两种自旋取向的子的四个状态。其中两个波函数对应两种自旋取向的电子正能态，另两个波函数则对应于电子的电子正能态，另两个波函数则对应于电子的“负能负能态态”。对电子每一个量。对电子每一个量,由（由（8-1-18-1-1）式，能量有两个）式，能量有两个值即值即 E=（8-1-2）22 20(Pc)(m c)在经典力学中，不存在负能量物体。狄拉克认为，在经典力学中，不存在负能量物体。狄拉克认为，在量子力学中负能量有物理意义。在量子力学中负能量有物理意义。由（由（8-1-28-1-2），可得到电子能级如图），可得到电子能级如图8-1-8-1-1 1
15、所示，能量从所示，能量从-变到变到-m-m0 0c c2 2，又从，又从+m+m0 0c c2 2变到变到+，但不在，但不在-m-m0 0c c2 2与与+m+m0 0c c2 2之间。之间。正能正能态电子由实验可观察，而负能态电子从未观态电子由实验可观察，而负能态电子从未观察到察到。狄拉克假设，负能级都被电子填满了，狄拉克假设，负能级都被电子填满了，正能态电子无法进入。这种正能态电子无法进入。这种“负能电子海负能电子海”叫真空。叫真空。“真空真空”是一种负能态被填满而正是一种负能态被填满而正能态全空着的状态能态全空着的状态，什么也，什么也观察不到。只有当负能电子海中少了一个电子即出现一个观察
16、不到。只有当负能电子海中少了一个电子即出现一个“空穴空穴”时，才表现出可观察效应。即少了一个电荷时，才表现出可观察效应。即少了一个电荷-e-e能能量量-mc-mc2 2的粒子，相当于多了一个电荷的粒子，相当于多了一个电荷+e+e能量能量+mc+mc2 2的粒子。的粒子。负能级中空穴又会被其它负能电子填充，于是出现空穴的负能级中空穴又会被其它负能电子填充，于是出现空穴的运动，表现为带正电（运动，表现为带正电（+e+e）粒子的运动。这个与电子等质）粒子的运动。这个与电子等质量、电荷为量、电荷为+e+e的粒子叫做的粒子叫做“正电子正电子”。如果给真空中负能。如果给真空中负能态电子以大于态电子以大于2
17、 m2 m0 0c c2 2的能量（如的能量（如光子能量），则可使其光子能量），则可使其激发至正能态，于是出现可观察的正负电子对。激发至正能态，于是出现可观察的正负电子对。图8-1-2 反之，正负电子对相遇时会同时消失，继而转变成反之，正负电子对相遇时会同时消失，继而转变成光子。这一过程称为光子。这一过程称为正负电子对湮没正负电子对湮没。2.2.关于反粒子关于反粒子 按照狄拉克理论，真空并非按照狄拉克理论，真空并非“空无所有空无所有”，而是一，而是一种负能粒子海。狄拉克预言，种负能粒子海。狄拉克预言，每一种粒子都会有相应的反每一种粒子都会有相应的反粒子粒子。19321932年，安德森在研究宇宙
18、射线时发现了正电子。年，安德森在研究宇宙射线时发现了正电子。19551955年，美国的张伯伦年，美国的张伯伦塞格雷小组发现了反质子，不久塞格雷小组发现了反质子，不久又发现了反中子。又发现了反中子。19611961年，美国布鲁克海汶实验室发现了年，美国布鲁克海汶实验室发现了反氘核。反氘核。19561956年，我国著名物理学家王淦昌发现了反西格年，我国著名物理学家王淦昌发现了反西格玛超子。以后其他许多基本粒子的反粒子也陆续被发现。玛超子。以后其他许多基本粒子的反粒子也陆续被发现。反粒子与其对应的粒子的质量、自旋、平均寿命、磁矩的反粒子与其对应的粒子的质量、自旋、平均寿命、磁矩的大小都相等。如果带电
19、，则两者的电荷相反。磁矩和自旋大小都相等。如果带电，则两者的电荷相反。磁矩和自旋方向也相反。各种粒子与反粒子相遇会发生湮没而而转化方向也相反。各种粒子与反粒子相遇会发生湮没而而转化为其它粒子，如正负电子对湮没产生为其它粒子，如正负电子对湮没产生2 2个个光子，不同能光子，不同能量下的质子和反质子相遇湮没可转化为量下的质子和反质子相遇湮没可转化为介子或介子或光子等光子等各种各样的粒子。各种各样的粒子。3.3.真空真空量子场的基态量子场的基态 按量子场论，物质世界由各种量子场组成。这些按量子场论，物质世界由各种量子场组成。这些量量子场系统的能量最低态（基态）就是真空子场系统的能量最低态（基态）就是
20、真空。物理真空好。物理真空好比一个蕴含着无穷大能量的大海，所有物理反应都在大比一个蕴含着无穷大能量的大海，所有物理反应都在大海的上空进行。由于激烈的物理反应，会扰动海的上空进行。由于激烈的物理反应，会扰动“海面海面”，一些一些“浪花浪花”从海中溅出并参与从海中溅出并参与“海面海面”上空的反应。上空的反应。这就是所谓的这就是所谓的真空激发真空激发。根据海森伯不确定关系，在真。根据海森伯不确定关系，在真空的细微时空区域，能量不确定度会很大，将出现能量空的细微时空区域，能量不确定度会很大，将出现能量“涨落涨落”。如果涨落的能量超过电子静止质量的两倍，如果涨落的能量超过电子静止质量的两倍，就可能引起正
21、负电子对的产生就可能引起正负电子对的产生。但这种电子对只存在于。但这种电子对只存在于细微的时空区域，所以是虚粒子对。如果涨落的能量更细微的时空区域，所以是虚粒子对。如果涨落的能量更大，将可能产生更大质量的虚粒子对。若外界不提供能大，将可能产生更大质量的虚粒子对。若外界不提供能量，这些虚粒子对会迅速湮没。量，这些虚粒子对会迅速湮没。当外界提供足够能量时，当外界提供足够能量时，真空就会被激发，而表现出可观察的粒子效应。因此，真空就会被激发，而表现出可观察的粒子效应。因此，真空是物质存在的一种状态，是量子场的基态。真空是物质存在的一种状态，是量子场的基态。8.1.4 8.1.4 物质的基本相互作用物
22、质的基本相互作用 (1).(1).引力相互作用引力相互作用 引力是存在于任何两个物质客体引力是存在于任何两个物质客体之间的吸引力，是一种长程力。重力是地球对地面及地面之间的吸引力，是一种长程力。重力是地球对地面及地面附近的物体的引力，这种引力如此明显是由于地球质量十附近的物体的引力，这种引力如此明显是由于地球质量十分巨大的缘故。宇宙中天体的质量很大，因此天体之间的分巨大的缘故。宇宙中天体的质量很大，因此天体之间的相互作用表现的是引力。理论研究认为，引力相互作用是相互作用表现的是引力。理论研究认为，引力相互作用是由一种称为由一种称为“引力子引力子”的媒介粒子（类似于光子）来传递的媒介粒子（类似于
23、光子）来传递的。但目前还没有观察到引力子。的。但目前还没有观察到引力子。(2).(2).电磁相互作用电磁相互作用 电磁力是带电粒子或宏观带电体电磁力是带电粒子或宏观带电体之间的作用力。两个点电荷之间的作用力遵循库仑定律。之间的作用力。两个点电荷之间的作用力遵循库仑定律。库仑力比万有引力强得多。运动的电荷之间除了有电力外，库仑力比万有引力强得多。运动的电荷之间除了有电力外，还会有磁力相互作用。磁力和电力具有同一本源。因此，还会有磁力相互作用。磁力和电力具有同一本源。因此，电力和磁力统称为电磁力。电磁力是一种长程力。电磁相电力和磁力统称为电磁力。电磁力是一种长程力。电磁相互作用是通过电磁场传递的，
24、电磁力的传递速度是光速。互作用是通过电磁场传递的，电磁力的传递速度是光速。如果说引力相互作用支配着天体的运行，那么电磁相互作如果说引力相互作用支配着天体的运行，那么电磁相互作用则支配着原子与分子的世界。用则支配着原子与分子的世界。(3).(3).强相互作用强相互作用。存在于质子、中子、介子等强子之。存在于质子、中子、介子等强子之间的作用力称为强力（强力作用占压倒优势的粒子叫强间的作用力称为强力（强力作用占压倒优势的粒子叫强子），表现的是强子之间很强的相互吸引。这种力把中子子），表现的是强子之间很强的相互吸引。这种力把中子和质子结合成核。轻子如电子之间不会有这种作用。强力和质子结合成核。轻子如电
25、子之间不会有这种作用。强力是短程力，作用范围小于是短程力，作用范围小于1010-15-15米。在原子核内，强力占支米。在原子核内，强力占支配地位。夸克是组成质子和中子等粒子的更基本的粒子，配地位。夸克是组成质子和中子等粒子的更基本的粒子，强相互作用是使夸克结合成质子和中子等粒子强相互作用是使夸克结合成质子和中子等粒子.强相互作强相互作用是通过一种称为胶子的媒介粒子来传递的。用是通过一种称为胶子的媒介粒子来传递的。(4).(4).弱相互作用弱相互作用。费米认为，。费米认为，-衰变的本质是核内衰变的本质是核内中子变为质子，中子变为质子，+衰变相反。中子与质子可看成核子的衰变相反。中子与质子可看成核
26、子的两个状态，它们之间的转变相当于不同量子态的跃迁，在两个状态，它们之间的转变相当于不同量子态的跃迁，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。导致产生光子的是电跃迁过程中同时放出电子和中微子。导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的则是一种新的相互磁相互作用，导致产生电子和中微子的则是一种新的相互作用，称之为弱相互作用。弱力的力程比强力还短，而且作用，称之为弱相互作用。弱力的力程比强力还短，而且很弱。弱相互作用只在粒子之间的某些反应（如很弱。弱相互作用只在粒子之间的某些反应（如衰变）衰变）才显示出其重要性。才显示出其重要性。弱力是由弱力是由W W+、W W-、Z Z0 0粒子作为传递媒介
27、的，但是这种媒粒子作为传递媒介的，但是这种媒介粒子的质量较大，比质子和中子的质量还大。介粒子的质量较大，比质子和中子的质量还大。4 4种基本相互作用的特征列于表种基本相互作用的特征列于表8-1-18-1-1中，按力的强弱中，按力的强弱排序，依次是强力、电磁力、弱力和引力排序，依次是强力、电磁力、弱力和引力。表表8-1-1 8-1-1 四种基本相互作用力的特征四种基本相互作用力的特征力的种类力的种类相互作用的对象相互作用的对象力的强力的强度度力程力程万有引力万有引力一切质点一切质点1010-34-34N N无限远无限远弱力弱力大多数粒子大多数粒子1010-2-2N N小于小于1010-17-17
28、m m电磁力电磁力电荷电荷10102 2N N无限远无限远强力强力核子、介子等核子、介子等10104 4N N1 01 0-15-15m m 8.2 物理学与宇宙观物理学与宇宙观8.2.1 宇宙的总体图象与概貌宇宙的总体图象与概貌 1 宇宙的整体结构银河系太阳系宇宙的整体结构银河系太阳系 按尺度规模,宇宙天体可以分为四个层次：（1 1）行星行星层次层次：地球、其他行星、太阳系小天体和其他行星系统（含星际物质）。（2）恒星层次恒星层次：太阳、其他恒星和恒星系统（含星际物质）。恒星最近距离约41光年。（3）星系层次星系层次：银河系、各类星系和其他河外天体，星系群（几个或几十个星系构成）、星系团（几
29、百个星系构成）等系统。最近的星系距离约106光年。星系约有1011个。（4 4）宇宙整体宇宙整体：在物理学和天文学中，常把宇宙与总星系等同看待即银河系及河外星系的总称。目前可测的宇宙范围约1.51010(150亿)光年，是人类认识所能到达的范围。天文学观测表明，天文学观测表明，宇宙中的物质分布有强烈的结团性，宇宙中的物质分布有强烈的结团性，从而形成了行星、恒星、星系、星系团从而形成了行星、恒星、星系、星系团。在太阳周围约十。在太阳周围约十万光年的范围内聚集大约万光年的范围内聚集大约10101111颗恒星，即银河系。在银河颗恒星，即银河系。在银河系外，还有大量光点，它们并非恒星，而是类似银河系的
30、系外，还有大量光点，它们并非恒星，而是类似银河系的恒星集团（星系）。星系的形状各不相同，有球型的，椭恒星集团（星系）。星系的形状各不相同，有球型的，椭球型的，旋涡型的，棒旋型的，还有许多稀奇古怪的不规球型的，旋涡型的，棒旋型的，还有许多稀奇古怪的不规则型。则型。球形星系 漩涡星系 棒旋星系 在在10108 8光年的光年的宇观尺度下，宇宙物质的分布是均匀和宇观尺度下，宇宙物质的分布是均匀和各向同性的各向同性的。宇宙很简单，是以星系为。宇宙很简单，是以星系为“分子分子”组成的组成的“均匀气体均匀气体”。好比一箱密度均匀的气体，尽管原子的。好比一箱密度均匀的气体，尽管原子的质量集中在很小的原子核上，
31、但从宏观上看，气体的分质量集中在很小的原子核上，但从宏观上看，气体的分布是均匀的。按宇宙学原理，所有星系都是平权的，宇布是均匀的。按宇宙学原理，所有星系都是平权的，宇宙没有中心。宙没有中心。银河系是一个包含银河系是一个包含10101111个恒星的庞大的个恒星的庞大的“旋涡星旋涡星系系”，恒星分布象一个扁平的铁饼，直径约万光年，恒星分布象一个扁平的铁饼，直径约万光年，中间凸起部分直径约万光年，外部由几条旋臂构成，中间凸起部分直径约万光年，外部由几条旋臂构成，我们的太阳位于离银心约我们的太阳位于离银心约.万光年的一条旋臂上。万光年的一条旋臂上。太阳系以太阳为中心，周围有九大行星绕其转动，从太阳系以
32、太阳为中心，周围有九大行星绕其转动，从里到外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天里到外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。行星周围还有卫星绕其转动。行王星、海王星、冥王星。行星周围还有卫星绕其转动。行星运行轨道为椭圆，绕太阳公转，大体上在一个平星运行轨道为椭圆，绕太阳公转，大体上在一个平面上且面上且公转方向一致。除金星外，都以同一方向自转。公转方向一致。除金星外，都以同一方向自转。太阳的质量占太阳系总质量的太阳的质量占太阳系总质量的.。太阳周围还。太阳周围还有数千个小行星、彗星。这些星体构成了太阳系。人类所有数千个小行星、彗星。这些星体构成了太阳系。人类所
33、在的星球在的星球地球从属于太阳系。人类能够幸运地出现和生地球从属于太阳系。人类能够幸运地出现和生存在地球上，存在地球上，主要因为：（）地球离太阳的距离适当，主要因为：（）地球离太阳的距离适当，近则太热，远则太冷。（）地球大小适当，引力能维系近则太热，远则太冷。（）地球大小适当，引力能维系着厚度适当的大气圈着厚度适当的大气圈。宇宙在膨胀宇宙在膨胀 从从19091909年到年到19141914年间，美国天文学家斯里弗发现来源年间，美国天文学家斯里弗发现来源于大多数星云的光谱都有红移。于大多数星云的光谱都有红移。19291929年，美国天文学家哈年，美国天文学家哈勃发现：所有星系的光谱都存在勃发现：
34、所有星系的光谱都存在“红移红移”，且红移的大小，且红移的大小与星系离我们的距离成正比。即所有星系都在飞快地远离与星系离我们的距离成正比。即所有星系都在飞快地远离我们而去，退行速度我们而去，退行速度v v与星系离我们的距离与星系离我们的距离R R成正比即成正比即v=HR。这一结论称为哈勃定律，。这一结论称为哈勃定律，H H叫哈勃常数。什么是叫哈勃常数。什么是“红移红移”？观察远方星系发出的光谱，比地球上同种物质？观察远方星系发出的光谱，比地球上同种物质的光谱的波长要长，这种波长变长的现象称为的光谱的波长要长，这种波长变长的现象称为“红移红移”。根据多普勒效应，当波源远离观测者运动时，观测者根据多
35、普勒效应，当波源远离观测者运动时，观测者接收的频率将变低（波长变长接收的频率将变低（波长变长红移）。红移）。星系的光谱红移星系的光谱红移说明它们正在远离我们而去。那么，哈勃定律则给出了一说明它们正在远离我们而去。那么，哈勃定律则给出了一幅宇宙正在膨胀的图景。幅宇宙正在膨胀的图景。3宇宙的年龄与大小宇宙的年龄与大小 膨胀使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨胀必有一个膨胀使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨胀必有一个密度非常大的起点。根据现在的膨胀速度，可以推断这密度非常大的起点。根据现在的膨胀速度，可以推断这种起点出现在大约种起点出现在大约100100200200亿年亿年前，这就是宇宙的年龄。前，这就是
36、宇宙的年龄。宇宙到底有多大？人类能探索的只能是光信号能送达我宇宙到底有多大？人类能探索的只能是光信号能送达我们的那些星系。因此，即使宇宙的确是无限的，但可观们的那些星系。因此，即使宇宙的确是无限的，但可观测的宇宙是有限的，这种有限的大小约测的宇宙是有限的，这种有限的大小约150150亿光年。亿光年。8.2.2 宇宙的起源与演化宇宙的起源与演化 如果宇宙正在膨胀，回溯过去，整个宇宙必定压缩在如果宇宙正在膨胀，回溯过去，整个宇宙必定压缩在一个极小的范围里，然后在某个时刻发生了一次一个极小的范围里，然后在某个时刻发生了一次“大爆大爆炸炸”，启动了宇宙膨胀。，启动了宇宙膨胀。19481948年，俄裔美
37、国物理学家伽莫夫等人建立了年，俄裔美国物理学家伽莫夫等人建立了“大爆大爆炸宇宙论炸宇宙论”，认为宇宙始于，认为宇宙始于150150亿年前的一个密度极大、亿年前的一个密度极大、温度极高的温度极高的“原始火球原始火球”，那时既没有原子和分子，更谈，那时既没有原子和分子，更谈不上恒星和星系，随着宇宙空间不断膨胀，密度减少（现不上恒星和星系，随着宇宙空间不断膨胀，密度减少（现在的密度约在的密度约1010-27-27千克千克/立方米），温度下降（目前绝对温立方米），温度下降（目前绝对温度度3 3开左右），在这个过程中发生了一系列相变，宇宙间开左右），在这个过程中发生了一系列相变，宇宙间的万事万物就是在这
38、个不断膨胀冷却的有限时间里形成的。的万事万物就是在这个不断膨胀冷却的有限时间里形成的。所谓所谓大爆炸，并非发生在三维空间中的一次爆炸，物质向大爆炸，并非发生在三维空间中的一次爆炸，物质向虚无空间飞散，而是空间本身的膨胀虚无空间飞散，而是空间本身的膨胀。大爆炸宇宙模型能解释最多的观测事实，而且至今还大爆炸宇宙模型能解释最多的观测事实，而且至今还没有观测事实与它矛盾，因而被公认为宇宙演化的标准模没有观测事实与它矛盾，因而被公认为宇宙演化的标准模型。所谓型。所谓宇宙标准模型宇宙标准模型是指以宇宙大爆炸模型为基础，结是指以宇宙大爆炸模型为基础，结合粒子物理、核物理、相对论、量子物理知识对宇宙起源合粒子
39、物理、核物理、相对论、量子物理知识对宇宙起源和演化的一种解释。和演化的一种解释。大爆炸模型所描述的宇宙演化过程大致如下大爆炸模型所描述的宇宙演化过程大致如下:(1)(1)大爆炸大爆炸 宇宙开始于一个奇点，温度无限高，密度无宇宙开始于一个奇点，温度无限高，密度无限大，限大，t=0t=0时刻发生大爆炸。在大爆炸后到时刻发生大爆炸。在大爆炸后到1010-44-44秒（称为普朗克时秒（称为普朗克时间）的宇宙极早期，只存在量子引力，量子效应起主要作用，四间）的宇宙极早期，只存在量子引力，量子效应起主要作用，四种相互作用是统一的即只有一种力。爆炸是如何从一个奇点状态种相互作用是统一的即只有一种力。爆炸是如
40、何从一个奇点状态开始的，尚不清楚。宇宙的故事只能从开始的，尚不清楚。宇宙的故事只能从1010-44-44秒开始，此时宇宙的秒开始，此时宇宙的温度高达温度高达10103232开，密度是开，密度是10109393千克千克/立方米。这时的宇宙极其简单立方米。这时的宇宙极其简单而对称，而对称，1010-44-44秒标志经典宇宙的开始。秒标志经典宇宙的开始。（2 2）最初半小时最初半小时 在在1010-44-44秒时发生了超统一秒时发生了超统一“相变相变”，引力，引力首先从统一的力中分化出来，其余三种力即弱、电磁和强相互作首先从统一的力中分化出来，其余三种力即弱、电磁和强相互作用力仍然是统一的。用力仍然
41、是统一的。1010-35-35秒时，温度降到秒时，温度降到10102828开，宇宙半径约开，宇宙半径约3 3毫毫米，从米，从1010-35-351010-33-33秒，宇宙经历了一次暴涨过程，其直径在秒，宇宙经历了一次暴涨过程，其直径在1010-32-32秒内增大了秒内增大了10105050倍，引起了数目惊人的粒子的产生。由于强力、弱倍，引起了数目惊人的粒子的产生。由于强力、弱力、电磁力的统一，所产生的粒子也不可区分力、电磁力的统一，所产生的粒子也不可区分(如夸克和轻子可以如夸克和轻子可以相互转变相互转变)。暴涨过后，宇宙继续膨胀，强力、弱力、电磁力逐渐暴涨过后，宇宙继续膨胀，强力、弱力、电磁
42、力逐渐分化。首先是强作用分离出来分化。首先是强作用分离出来 具有分数电荷的原来自由具有分数电荷的原来自由的夸克和反夸克迅即结合成核子及其他强子以及它们的反的夸克和反夸克迅即结合成核子及其他强子以及它们的反粒子粒子,宇宙演化到宇宙演化到强子时代强子时代.然后弱电相变发生，电磁作用和弱作用分开，然后弱电相变发生，电磁作用和弱作用分开，“夸克禁闭夸克禁闭”出现出现,此时宇宙是粒子、反粒子、光子的混此时宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。合物。1010-6-6秒时秒时,温度降到温度降到10101313开，此时各种粒子处于不断开，此时各种粒子处于不断的碰撞、转化、湮灭过程之中。宇宙继续膨胀、冷却，数的碰撞
43、、转化、湮灭过程之中。宇宙继续膨胀、冷却，数目巨大的核子与反核子大量湮灭，产生大量的光子、中微目巨大的核子与反核子大量湮灭，产生大量的光子、中微子、反中微子。核子及所有的重子在宇宙创生子、反中微子。核子及所有的重子在宇宙创生1010-6-6秒后在秒后在数量上大大减少了，这时电子、正电子、中微子和光子主数量上大大减少了，这时电子、正电子、中微子和光子主宰着宇宙，宇宙进入了宰着宇宙，宇宙进入了轻子时代轻子时代。到。到1 1秒时，温度下降到秒时，温度下降到10101010开，此后正负电子大量湮灭，产生大量光子、中微子、开，此后正负电子大量湮灭，产生大量光子、中微子、反中微子，只剩下少量的电子。反中微
44、子，只剩下少量的电子。约在约在1 1分钟时，温度降到分钟时，温度降到10109 9开，宇宙进入开，宇宙进入辐射时代辐射时代，宇宙的主要成分是光子和中微子。由于弱力比电磁力小得宇宙的主要成分是光子和中微子。由于弱力比电磁力小得多，只参与弱作用的中微子最先多，只参与弱作用的中微子最先“脱耦脱耦”，此后中微子自，此后中微子自由运动，很少与其它粒子作用。由运动，很少与其它粒子作用。目前的一种看法是，假如目前的一种看法是，假如中微子有微小质量，则它们可能是宇宙中大量不发光的暗中微子有微小质量，则它们可能是宇宙中大量不发光的暗物质。物质。以后几分钟内，重要的事件以后几分钟内，重要的事件核聚变反应开始，中核
45、聚变反应开始，中子与质子碰撞形成氘核并放出子与质子碰撞形成氘核并放出光子，不稳定的氘核再结光子，不稳定的氘核再结合成稳定的氦核。半小时后，宇宙膨胀，温度大大降低，合成稳定的氦核。半小时后，宇宙膨胀，温度大大降低，各种粒子在相互碰撞中由于能量不够，核聚变反应停止各种粒子在相互碰撞中由于能量不够，核聚变反应停止（直至几百万年后，核聚变反应再在恒星内部发生），（直至几百万年后，核聚变反应再在恒星内部发生），自自然界各种粒子的丰度（质量百分比）从此遗留下来保持到然界各种粒子的丰度（质量百分比）从此遗留下来保持到现在。现今宇宙中可见的主要物质是氢和氦。在各种天体现在。现今宇宙中可见的主要物质是氢和氦。在
46、各种天体上，氢与氦含量之比大致相同，质量比大致约上，氢与氦含量之比大致相同，质量比大致约7575：2525。（3 3）随后一百万年随后一百万年 半小时后，宇宙中有比其它粒子数大半小时后，宇宙中有比其它粒子数大10109 9倍的光子，当时的宇宙是光子的海洋。由于这时温度仍然很高，倍的光子，当时的宇宙是光子的海洋。由于这时温度仍然很高，光子有足够的能量击碎任何短暂形成的原子。随着宇宙膨胀，约光子有足够的能量击碎任何短暂形成的原子。随着宇宙膨胀，约经过一百万年经过一百万年,这些由爆炸初期产生的光子的能量已不足以击碎这些由爆炸初期产生的光子的能量已不足以击碎或激发原子。宇宙此时进入了或激发原子。宇宙此
47、时进入了退耦代退耦代 ,光子和原子及其它粒子相光子和原子及其它粒子相分离分离,宇宙对光子变得透明。而光子在太空中游戈，能量不断减宇宙对光子变得透明。而光子在太空中游戈，能量不断减少，自身保持黑体辐射谱并随着宇宙膨胀而一直冷却到今天的少，自身保持黑体辐射谱并随着宇宙膨胀而一直冷却到今天的2.752.75开温度，波长相当于微波。这就是开温度，波长相当于微波。这就是宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射。宇宙。宇宙年龄年龄100100万年后，温度降到万年后，温度降到30003000开，原子开始形成，但只能产生开，原子开始形成，但只能产生较轻的元素较轻的元素(较重的元素在以后的恒星内部形成较重的元素在以后的
48、恒星内部形成)。此时，宇宙开。此时，宇宙开始始物质为主宰的时代物质为主宰的时代。大约在距今。大约在距今5050亿年之前，宇宙中大量的氢亿年之前，宇宙中大量的氢和氦在引力作用下，凝聚成了星系、恒星、行星，后出现人类。和氦在引力作用下，凝聚成了星系、恒星、行星，后出现人类。宇宙从大爆炸演化至今约经过宇宙从大爆炸演化至今约经过150150亿年。但是大爆炸以前的宇宙亿年。但是大爆炸以前的宇宙是什么样子？时间是否该从大爆炸是什么样子？时间是否该从大爆炸时刻算起？等等，都有待于探时刻算起？等等，都有待于探索而不易回答。索而不易回答。上述大爆炸宇宙模型之所以被科学界较普遍接受，是上述大爆炸宇宙模型之所以被科
49、学界较普遍接受，是由于它得到了一系列观测事实的支持：由于它得到了一系列观测事实的支持：（1 1）关于天体的年龄关于天体的年龄 按宇宙大爆炸理论推算宇宙年按宇宙大爆炸理论推算宇宙年龄在龄在100100200200亿年之间。目前通过各种方法测得天体的亿年之间。目前通过各种方法测得天体的年龄大约在年龄大约在5050110110亿年之间，与宇宙大爆炸理论大体相亿年之间，与宇宙大爆炸理论大体相符。符。（2 2）关于宇宙微波背景辐射关于宇宙微波背景辐射 伽莫夫曾经预言，显示伽莫夫曾经预言，显示100100多亿年前大爆炸遗迹的光子至今存在于太空之中，宇多亿年前大爆炸遗迹的光子至今存在于太空之中，宇宙间充满着
50、具有黑体辐射谱的残余辐射，其波长约宙间充满着具有黑体辐射谱的残余辐射，其波长约1mm1mm，温度在温度在5 5开左右。观测结果与伽莫夫的预言基本相符。开左右。观测结果与伽莫夫的预言基本相符。（3 3）关于氦的丰度关于氦的丰度 大爆炸宇宙理论给出氦元素基本大爆炸宇宙理论给出氦元素基本上是在大爆炸后几分钟宇宙温度为上是在大爆炸后几分钟宇宙温度为10109 9开时由质子的聚变开时由质子的聚变形成的，由此可算出反应产生的氢和氦的质量比约为形成的，由此可算出反应产生的氢和氦的质量比约为7575：2525，半小时后以大致相近的比例保持到现在。实测的氦，半小时后以大致相近的比例保持到现在。实测的氦的丰度在不
