Transcript 杨远征《宇宙学》讲座课件

宇宙学
——物理前沿的重要分支
重庆巴蜀中学
杨远征
内容
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一、宇宙学的理论基础
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二、宇宙学理论的发展

三、宇宙学目前遇到的困惑
一、宇宙学的理论基础
宇宙学是研究整个宇宙的一门科学 . 人
类认识宇宙的历史几乎与人类认识史本身
一样古老. 但是,宇宙学真正成为一门科学还
是近一百年来的事.
由于弱作用和强作用都是短程力,在宇
宙学中不起作用,而电磁作用虽为长程力,但
电荷有正有负,在大尺度上来看将两两相消,
在宇宙学整体上看也基本不起作用. 因此,在
宇宙学中真正起支配作用的只有万有引力.
虽然牛顿早在300 多年前就已经发现了万有
引力定律,但牛顿力学框架本身却与宇宙学
不相容. 只有爱因斯坦的广义相对论才为宇
宙学的研究提供了正确的科学框架。
爱因斯坦的广义相对论为物理学家研究
宇宙学的理论基础。
爱因斯坦的广义相对论也是在经过天文
上的所谓三大经典验证(水星近日点进动、
光线的引力偏转、谱线的引力红移) 而确立
的.
水星近日点进动
光线的引力偏转
谱线的引力红移
二、宇宙学理论的发展
1.爱因斯坦在1915 年发表了他的广义相对论,又在1917
年将广义相对论应用到宇宙学上. 作为近似,爱因斯
坦假设宇宙在大尺度上看来是均匀、各向同性的.
这个近似后来被大尺度观测事实所证实,被称为宇宙
学原理. 爱因斯坦在此基础上提出了第一个现代宇
宙学模型(爱因斯坦静态宇宙) .
2.1922 年,弗里德曼(A. Friedmann) 发展了爱因斯坦宇宙
学,提出了动态宇宙模型.
3.1929 年,哈勃(E. P. Hubble) 在观测上发现宇宙正在膨
胀. 至此,建立在广义相对论基础上的现代宇宙学基
本框架(膨胀宇宙模型) 诞生了.
4.加莫夫(G. Gamow) 于1946 年提出了大爆炸宇宙学.
加莫夫(G. Gamow) 的大爆炸宇宙学
宇宙诞生于某一时刻,那时宇宙处于高温、高
密状态,随后随着宇宙膨胀而降温、降密,相继经历
粒子物理、正负电子对湮灭、原子核物理、等离
子体、中性气体、流体力学等等极为丰富的各种
物理过程. 正因为不同温度,代表了不同的热运动
能量,随着宇宙膨胀演化,从高能到低能各个层次的
物理便相继在宇宙演化中扮演角色. 特别重要的是,
加莫夫对整个宇宙演化给出了可自然操作的、也
容易计算的方案,得到了许多易于观测检验的具体
预言
三、宇宙学目前遇到的困惑
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在哈勃发现宇宙膨胀的基础上,加莫夫提出
的宇宙大爆炸学说,获得了原初核合成和微
波背景辐射两大成功检验,已经被公认为宇
宙学中的标准模型. 但是,这里还有两个个重
大问题需要说明：
暗物质
暗能量
什么是暗物质？
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就拿太阳来说，它围绕着银河中心以一定
的速度在旋转，这是引力引起的，而根据
它的速度，可以计算出银河系中心应该存
在多大质量的物质使它产生了这样一个速
度。但是经过计算，人们发现以太阳这样
的速度，银河系中心现有的物质根本无法
产生这么大的引力，而是需要更多的物质
才能产生，但是这些物质究竟是什么呢？
为什么我们观察不到呢？
早在1937 年,茨维基(F. Zwicky) 为
了解释大星系团中星系速度太大的困
难,提出了暗物质概念.
此后,人们用光学方法和力学方法
研究了许许多多天文现象,发现用力学
方法测出的天体质量总比光学方法测
出的要大很多倍,从而确凿地肯定了比
重子物质高许多倍的暗物质的存在.
暗物质：目前我们观察的世界都是通过
电磁波的方式传递到我们的眼中，光也是
一种电磁波，但即便是不可见光，我们也
可以用探测仪探测到，比如红外线、紫外
线、γ射线等。但是，宇宙中还存在不以电
磁波方式传播的物质，而这种物质也遵守
能量守恒定律，能被探测到引力和重力，
但人类就是看不见它们，而这部分物质就
叫做暗物质。黑洞就是暗物质的一种形式。
中国锦屏极深地下暗物质实验室
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2010年12月12日，清华大学与二滩公司联合建立的中
国首个极深地下实验室，也是世界最深的地下实验室“中
国锦屏极深地下暗物质实验室”投入使用，这标志着全世
界岩石覆盖最深的暗物质实验室正式建成启用。也标志着
我国正式加入暗物质研究这个自然奥秘探索的最前沿领域。
在建设二滩水电站的过程中，四川锦屏山底曾修建了
18公里可以通行汽车的隧道，上面是2400多米厚的山体岩
石。现在的地下实验室，就是利用这条隧道，在其侧面挖
出的一个长40米，宽、高各为6米的空间。目前，它是世
界上岩石覆盖最深的地下实验室，也是世界上最优越的探
测暗物质的环境。
之所以称之为最优，是因为它与国外一些“脱胎”于
矿井的地下实验室相比，使用更为便利，不必坐着电梯上
上下下，乘坐汽车就能“入地”。而埋深2400米的隧道，
更是难得，因为埋得越深，宇宙射线的干扰就越少。
暗物质与反物质不同
反物质：我们平常看到的宏观物质具
体到微观世界，都是由一个个原子构成，
原子是由质子、中子和电子组成，其中质
子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电，
这样的物质可以被叫做正物质。而反物质
一切相反，它的质子带负电荷，电子带正
电荷，中子和正物质里的中子性质也相反。
所以就被称为反物质。
反物质已经不止一次地被科学家们探索到了，
它们是的的确确存在的。上世纪二三十年代，就有
科学家提出并发现了带正电的电子，它们都是在实
验室里被发现的，但存在时间都很短暂，因为反物
质在遇到和它对应的正物质时就会湮灭，也就是消
失或转变为其他物质了。比如欧洲核子研究中心研
究出来的反氢原子，这38个人工制造的反氢原子被
“保存”了大约0.17秒，因为一旦这些反氢原子遇
到空气中正常的氢原子，它们就会产生湮灭效应，
消失不见了。尽管如此，这个时间已经被认为是反
物质存在时间较长的一次了，一般它们都是转瞬即
逝的。
目前人类对暗物质的探索还是停留在理论阶段，
因为它们一直都没有真正被发现。暗物质的寻找比
反物质困难多了，因为我们不知道用什么办法来探
测它们，因为我们看不见它们，不知道它们是以什
么方式存在，也就不知道用什么方法来探测它们。
但它们又确确实实地存在着。
什么是暗能量？
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按照宇宙大爆炸理论，在大爆炸发生之后，随着时间的推
移，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减
慢，就像缓慢踩了刹车的汽 车一样。也就是说，距离地球
相对遥远的星系，其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。
但1998年，美国加州大学伯克利分校（UCBerkeley）物
理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）高级科学
家索尔皮尔姆特（SaulPerlmutter），以及澳大利亚国立大
学布赖恩施密特（BrianSchmidt）分别领导的两个小组，
通过观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远
离我们。 换句话说，宇宙是在加速膨胀，仿佛一辆不断踩
油门的汽车，而不是像此前科学家所预测的那样处于减速
膨胀状态。
这样一个完全出乎意料的观测结果，从
根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底
是什么样的力量，在促使所有的星系或者其
他物质加速远离呢？ 科学家们将这种与引力
相反的斥力来源，称为“暗能量”。
至今我们能够给出的，只是一个十分粗略的
宇宙结构“金字塔图景”：
1、所熟悉的世界，即由普通的原子构成的一
草一木、山河星月，仅占整个宇宙的4％，相当于
金字塔顶的那一块。
2、下面的22％，则为暗物质。这种物质由仍然
未知的粒子构成，它们不参与电磁作用，无法用
肉眼看到。但其和普通物质一样，参与引力作用，
因此仍可能探测到。
3、 作为塔基的74％，则由最为神秘的暗能量构
成。它无处不在，无时不在，由于我们对其性质
知之甚少，所以科学家还不清楚如何在实验室中
验证其存在。惟一的手段，仍然是通过天文观测
这种间接手段来了解其奥秘。
结束语
19 世纪末20 世纪初,物理学家开尔文在远处看
到了两朵乌云,一朵是“以太”问题;一朵是“黑体
谱”问题.什么是以太? 那时,人们都知道光是波,而
波必须在介质中传播. 但光是可以穿过真空的,因此
真空中有介质,以太就是这种介质. 然而,许多实验试
图找到这种介质,却均没有成功. 爱因斯坦摒弃了以
太,从而建立了相对论.什么是“黑体谱”问题? 当时
理论上遇到的主要是发散问题,普朗克引入了量子
性,解决了发散问题.从而,导致了量子力学的建立.
开尔文的两朵乌云引发了20 世纪物理学的两
大革命:相对论和量子力学. 这两大革命,导致了高科
技的发展.
暗物质与暗能量是不是21世纪物理学晴朗天
空中的两朵乌云? 它们会不会引发新世纪物理学新
的革命?