1、第第2讲讲 物理学与宇宙观物理学与宇宙观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宇宙天体可以分为四个层次：（1）行星层次行星层次：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）宇宙整体宇宙整体：在物理学和天文学中，常把宇宙与总
2、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，宇宙中的物质分布有强烈的结团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、星系团性，从而形成了行星、恒星、星系、星系团。在太阳周围约十万光年的范围内聚集大约1011颗恒星，即银河系银河系。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则型。球形星系 漩涡星系 棒旋星系 在108光年的宇观尺度下，宇宙物质的分布是均匀和各向同性的。宇宙很简单，是
3、以星系为“分子”组成的“均匀气体”。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，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，宇宙没有中心。银河系是一个包含1011个恒星的庞大的“旋涡星系”，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，我们的太阳位于离银心约.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。行星运行轨道为椭圆，绕太阳公转，大体上在一个平面上且公转方向一致。除金星外，都以同一方向自转。太
4、阳系图 太阳的质量占太阳系总质量的.。太阳周围还有数千个小行星、彗星。人类所在的星球地球从属于太阳系。人类能够幸运地出现和生存在地球上，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，引力能维系着厚度适当的大气圈。宇宙在膨胀宇宙在膨胀 从1909年到1914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。1929年，美国天文学家哈勃发现：所有星系的光谱都存在“红移”，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我们而去，退行速度v与星系离我们的距离R成正比即v=HR。这一结论称为哈勃定律哈勃定律，H叫哈勃常数。什么是“红移”？观察远方星系
5、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“红移红移”。根据多普勒效应，当波源远离观测者运动时，观测者接收的频率将变低（波长变长红移）。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100200亿年前，这就是宇宙的年龄。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150亿光年。2.2 宇宙的起源与演化
6、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一个极小的范围里，然后在某个时刻发生了一次“大爆炸”，启动了宇宙膨胀。1948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150亿年前的一个密度极大、温度极高的“原始火球”，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（现在的密度约10-27千克/立方米），温度下降（目前绝对温度3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个不断膨胀冷却的有限时间里形成的。所谓大爆炸大爆炸，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。大爆
7、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，结合粒子物理、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。大爆炸模型所描述的宇宙演化过程大致如下:（1）大爆炸大爆炸 宇宙开始于一个奇点，温度无限高，密度无限大，t=0时刻发生大爆炸。在大爆炸后到10-44秒（称为普朗克时间）的宇宙极早期宇宙极早期，只存在量子引力，量子效应起主要作用，四种相互作用统一即只有一种力。爆炸是如何从一个奇点状态开始的，尚不清楚。宇宙的故事只能从10-44秒开始，此时宇宙的温度高达1032开，密度是1093
8、千克/立方米。这时的宇宙极其简单而对称，10-44秒标志经典宇宙的开始。（2）最初半小时最初半小时 在10-44秒时发生了超统一“相变”，引力首先从统一的力中分化出来引力首先从统一的力中分化出来，其余三种力即弱、电磁和强相互作用力仍然是统一的。10-35秒时，温度降到1028开，宇宙半径约3毫米，从10-3510-33秒，宇宙经历了一次暴涨过程暴涨过程，其直径在10-32秒内增大了1050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(如夸克和轻子可以相互转变)。暴涨过后，宇宙继续膨胀，强力、弱力、电磁力逐渐分化。首先是强作用分离出来 具有分数电荷的原来自
9、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粒子,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，“夸克禁闭”出现,此时宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。10-6秒时,温度降到1013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10-6秒后，在数量上大大减少了，这时电子、正电子、中微子和光子主宰着宇宙，宇宙进入了轻子时代轻子时代。到1秒时，温度下降到1010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。约在1分钟时，温
10、度降到109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多，只参与弱作用的中微子最先“脱耦”，此后中微子自由运动，很少与其它粒子作用。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物质。以后几分钟内，重要的事件核聚变反应开始，中子与质子碰撞形成氘核并放出光子，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，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），自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。在各种天体上，氢与氦含量
11、之比大致相同，质量比大致约75：25。（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109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或激发原子。宇宙此时进入了退耦代退耦代,光子和原子及其它粒子相分离,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2.75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。宇宙年龄100万年后，温度降到3000开，原子开始形成，但只能产生较轻的元素(较
12、重的元素在以后的恒星内部形成)。此时，宇宙开始物质为主宰的时代物质为主宰的时代。大约在距今50亿年之前，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。宇宙从大爆炸演化至今约经过150亿年。但是大爆炸以前的宇宙是什么样子？时间是否该从大爆炸时刻算起？等等，都有待于探索而不易回答。上述大爆炸宇宙模型之所以被科学界较普遍接受，是由于它得到了一系列观测事实的支持：（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龄在100200亿年之间。目前通过各种方法测得天体的年龄大约在50110亿年之间，与宇宙大爆炸理论大体相符。（2）关于宇宙微波背景辐射关于宇宙微波背景辐射
13、伽莫夫曾经预言，显示100多亿年前大爆炸遗迹的光子至今存在于太空之中，宇宙间充满着具有黑体辐射谱的残余辐射，其波长约1mm，温度在5开左右。观测结果与伽莫夫的预言基本相符。（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上是在大爆炸后几分钟宇宙温度为109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75：25，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同天体上大致相同且约为30%。需要指出的是，大爆炸理论虽然得到了重要的观测支持，但也有不少观测与理论不符，于是就有其他的宇宙演化理论。原苏联科学家林德就提出了“混沌暴涨论”，认为存在由一个许多不同步发展的
14、宇宙组成的大宇宙，而我们所在的这个大约一百多亿光年的宇宙只不过是众多不同性质的小宇宙之一。人们对宇宙的认识在不断地发展着。2.3 星系、恒星的起源与演化星系、恒星的起源与演化 现时宇宙存在着星系团、星系和恒星。该结构是如何形成的？比较流行的观点是“引力不稳定理论引力不稳定理论”。大约在宇宙年龄100万年时，物质与光子分离形成了由中性原子构成的宇宙弥散气体(主要是氢、氦等中性原子)，其中总存在微小的密度涨落，即一些小区域的物质密度稍高于别处。这个小区域由于引力将吸引更多的物质使自己的密度增加。另外，由于内部的物质处于运动之中，因而存在内部压强。内部压强则与引力作用相反，趋向于使高密度区域分裂。所
15、谓引力不稳定引力不稳定，指的是物质区域的自引力超过内部压力而使区域密度增加的过程。这样的区域尺寸大于某一临界尺寸，内部引力作用将大于内部压力作用，从而成为凝聚中心，宇宙物质将凝聚收缩成原星系原星系。原星系聚集在一起形成等级式结构的星系集团。与此同时，原星系本身又自行坍缩、出现碎裂，因碎裂出现的团块将演化成千千万万个恒星。这种过程是漫长的，要经过几十亿年的时间。星云是星际弥散物质凝成的团块（质量是太阳质量的数千倍以上），团块因引力而收缩，体积变小，密度增大，聚成球状，温度上升到一定阶段，向外发射不可见的红外线。一般认为恒星由星云收缩而成一般认为恒星由星云收缩而成。演变经历原恒星（幼原恒星（幼年）
16、年）主序星（中年）主序星（中年）红巨星（老年）红巨星（老年）白矮星、白矮星、黑矮星（黑矮星（质量小于太阳质量 8倍的恒星）；超新星、中子；超新星、中子星（星（质量为太阳质量850倍的恒星）；黑洞（；黑洞（原始质量更大的恒星）当星云中心密度增加到一定程度，中心部分逐渐变得不透明，热量不易外逸，温度急剧上升。当中心温度达到2000开时，氢分子开始变成原子，吸收大量热量，使压力骤减，抵不住引力，因而中心崩陷为体积更小、密度更大的内核。外围形成一股强大的星风，速度达每秒几百公里,将驱散外围物质。全部的星周物质逐渐消失后，恒星便渐渐显露面目，亮度上升。以后进入慢收缩，温度继续上升。中心温度升到700万度
17、以上时，便发生氢聚变为氦的核反应。核反应所产生的辐射压力与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入了一个相对稳定阶段，成为一颗正常的恒星，叫主序星主序星。恒星从星云团块过渡到主序星的收缩阶段的天体叫原恒星原恒星，原恒星阶段经历的时间约数千万年到几亿年不等。主序星阶段是恒星的壮年期。恒星的光和热是靠燃烧自己的核燃料提供的。当恒星中心区的氦质量约占到整个星体质量的12%时，恒星结构会明显变化，开始离开主序。这时恒星的外壳仍有丰富的氢燃料。紧靠核心的包层的温度升高到1000万开，氢燃烧转移到那里进行。从而加热周围的壳层，引起包层膨胀，星体半径增大上百倍，有效温度降低，成为又红又大的红巨星红巨星
18、（进入了老年期）。在红巨星的中心，氢已经燃烧完，变成一个氦核。辐射压力没有了，它将在引力作用下进一步收缩，温度又急剧上升。如果温度高到上亿开，又诱发氦核合成碳核的核反应，类似的过程继续下去，还将合成氧、硅等越来越重的元素，直到最稳定的铁为止。在恒星生命即将结束的时候，它以爆发的方式抛出含有重元素的气体和尘粒，这些气体和尘粒可能是构成新一代恒星的原料之一。据认为，太阳的年龄已有约50亿年，它是由大爆炸产生的原始气体及前代恒星爆炸抛射到空间的物质凝聚而成。在形成时期，围绕着中央原恒星旋转的冷的气尘会坍缩成一个旋转的薄盘，这些物质通过相互吸引碰撞粘合，最后形成小行星、大行星、卫星等各种天体包括地球。
19、大约50亿年后，当太阳核心的氢燃烧光时，它的膨胀会使水星化为蒸汽、金星的大气被吹光、地球的海洋沸腾。然后还会继续膨胀，并把地球吞灭。恒星的最终归缩与其初始质量有关。初始质量小于太阳质量 8倍的恒星最终将成为白矮星白矮星。白矮星直径只有几千公里，但密度非常高（比地球上金属的密度还要高数万倍），温度也非常高，使其表面呈白热化状态。白矮星在发出辐射的同时，逐渐冷却,数亿年后将变成棕矮星棕矮星，最后变成黑矮星黑矮星。质量为太阳质量850倍的恒星在核燃料耗尽后会发生极猛烈的爆炸，外层物质向星际空间猛烈抛射，在短短几天内亮度骤增千万倍甚至亿倍，称为超新星超新星。爆发后留下的星核几乎全部由中子紧紧堆成。因为
20、在巨大的压力下，原子中的电子被挤到原子核里去，和核里的质子结合成中子，故称为中子星中子星。快速转动的中子星会产生射电脉冲，故也叫叫脉冲星脉冲星。原始质量更大的恒星最终将变为黑洞。黑洞不是黑的，也不是一个空洞。黑洞的密度比中子星更高，其万有引力能吸引所有进入其区域的物质，连光也不能从中逃逸出来。因为这种天体观测不到，故称之为黑洞黑洞。2.4 宇宙中的反物质世界宇宙中的反物质世界 我们周围的物质世界是由质子、中子和电子组成的原子构成的。原则上，反质子、反中子也可以构成原子核，再配上正电子就得到反原子，由反原子再构成反分子，直至形成反物质。宇宙中究竟有没有反物质？根据宇宙标准模型，在宇宙大爆炸初期的
21、极高温度条件下，完全可以产生大量的正反质子、正反中子和正反电子，这些反粒子形成反物质乃至反天体是有可能的。但迄今为止，人们除了在实验室或太空中发现反粒子外，还没有找到反物质的踪影。可能有以下原因：（1）大爆炸时产生的正反物质在开始就不对称，正物质多于反物质。而正反物质相遇时会产生湮没而转化为光子等粒子。宇宙爆炸以来已历经150多亿年，残留的反物质已不多了。在浩瀚的宇宙世界很难找到它们。丁肇中研究小组进行的磁谱仪太空探测实验的结果表明，正电子仅为电子数的1/4，这说明宇宙大爆炸时形成的正反物质之比可能是4比1。如果正反物质世界共存于宇宙，会不断出现巨大的湮没性爆炸。所以即使能找到反物质，其量也很
22、少。关于正反物质的不对称，还有一些说法。一种说法是,宇宙开始时正反粒子数几乎相等，由于某种涨落存在微小差别，后来大部分正反粒子一起湮没转化为能量，只留下稍多一些的某类粒子的多余部分，构成了现在的正物质宇宙。另一种说法是，由于反粒子消亡得更快些，使得宇宙的正物质更多一些。（2）宇宙大爆炸后，可能由于在高温宇宙火球内，正反粒子存在磁相互作用，出现有序磁场使正反粒子绕强磁场方向螺旋运动并以旋风形式从两端抛出，大量的反物质没有与正物质相遇湮没，远离正物质到达了宇宙的另一端。我们现在的“视野”或探测手段，还触及不到遥远的反物质世界，才使得我们有正反物质不对称的感觉。再之，由于正、反物质发出的电磁波或光谱
23、相似，目前的观察手段还无法区分来自正反物质的天文信息，即使有反物质存在也难发现。宇宙的反物质存在之谜等待着人们去揭开。2.5 宇宙的未来宇宙的未来 宇宙从大爆炸时起，一直处于膨胀之中，那么宇宙的未来如何？是继续永远膨胀下去，还是有一天会收缩？或者有其它命运？当然收缩是可能的，因为各星系间存在着万有引力，万有引力可以减少星系的退行速度。如果某一天退行速度减少到零，此后由于万有引力作用，星系开始聚拢，宇宙便开始收缩。收缩到一定时候将回到一个奇点，又开始新的大爆炸，再膨胀，这可能吗？通过分析，可以用临界密度来预言宇宙的命运。经过计算，临界密度临界密度110-26kg/m3。宇宙永远膨胀下去的条件是，
24、现时宇宙平均密度小于临界密度。那么，现时的宇宙密度是多大呢？测量宇宙现时密度是一个相当困难的事情。目前只能通过星系发光（包括无线电波、x射线等）来估计发光物质的密度，这个密度比临界密度低一到两个数量级，看来宇宙将永远膨胀下去。但有证据表明，宇宙中除了发光的物质外，还有大量的不发光的暗物质。暗物质包括宇宙尘、黑洞、中微子。中微子曾经被认为没有质量，但研究表明中微子也有静止质量，即使其质量只有电子质量的1/105，那它们的总质量也比所有质子和氦的质量大。近年来，天文学家认为宇宙中90%以上是暗物质。如果这样，宇宙将来可能会收缩。另外，天体物理学家认为，氘是大爆炸初期核反应所产生的，可以根据宇宙中氘的丰度算出宇宙密度，计算结果表明这一密度不超过10-27kg/m3。如果这种计算正确，宇宙又将永远膨胀下去。宇宙将来的情景到底如何？膨胀还是收缩？目前的数据还不足以回答这个问题，有待于进一步探明宇宙真正的物质密度。
