现代物理讲座3：现代宇宙学

推荐文章：【物理】【物理目录】(https://jb243.github.io/pages/725)

1. 古代宇宙学

2. 中世纪宇宙学

a. Cosmos

1.古代宇宙学

⑴ 希腊几何模型

① 预测日食和月食

② 月食的周期性 : 沙罗周期

⑵ 亚里士多德模型

①球形宇宙、四元素论、以太

② 以地球为中心、天体必须完美的偏见

○ 太阳系作圆周运动（地心模型）

○ 其他恒星被认为是一动不动的

③ 火星逆行难以解释

⑶ 托勒密模型或外摆线模型

① 建立地心或地静力理论

② 偏心率

○ 圆周运动中心不是地球

○ 解释内行星和外行星的逆行

③ 等距：托勒密模型由大圆的初级圆周运动和小圆的次级圆周运动组成（等距）

○ 内行星的等分中心位于地球和太阳的直线上

○ 原因：解释为什么在午夜观测不到内行星

④ 限制：逆行运动应该频繁发生

2.中世纪宇宙学

⑴ 哥白尼模型

① 提出日心说或定日理论

② 解释无外摆线的逆行运动

⑵ 伽利略模型

① 第一^第一。伽利略拜访一家镜片制造商来制造望远镜

② 第二^第二。观察太阳黑子，认识太阳的不完美

③ 第三^第。 1543年，观察太阳上的阴影并区分内行星和外行星

④ 第 4。通过太阳上行星和阴影的逆行运动推断定日理论

⑤ 第 5。通过使用望远镜观察内行星和外行星的相位变化来拒绝地心说

⑶ 第谷·布拉赫模型

① 第一^第一。通过精确观测行星位置建立定日理论

② 第二^第二。准确的肉眼观测行星运动

③ 第三^第。提出一种折衷日光静力学和地静力学理论的模型

⑷ 开普勒模型

① 开普勒相信他可以根据包括伽利略在内的天文学家的观察制定定律

② 开始以地球为中心进行数学分析，从运动学转向动力学

③【开普勒定律】(https://jb243.github.io/pages/345)

○ 开普勒第一定律：椭圆轨道定律

○ 开普勒第二定律：等面积定律

○ 开普勒第三定律：和谐定律

⑸ 牛顿模型

① 牛顿推广开普勒定律，推导出万有引力定律

② 逆算开普勒定律时获得微分思想

3。爱因斯坦的宇宙学：主张静止宇宙

⑴ 广义相对论

①概述：时空曲率由能量-物质分布决定，物体沿测地线运动

② 关键概念1：爱因斯坦场方程（宇宙方程）

○ 左边代表空间，右边代表质量和能量

○ 有时在左侧表示为 Gμv» ○ 爱因斯坦添加了 Λgμv 项来假设非收缩宇宙

○ Λ 称为宇宙常数

○ 后来爱因斯坦承认引入Λ是一个错误

○ 随后，随着宇宙加速膨胀的发现，引入Λ变得有效

③ 关键概念2： 测地线方程：确定直线路径

④ 关键概念3：弗里德曼方程

⑵ 爱因斯坦的宇宙论

① 将宇宙学原理应用于爱因斯坦场方程

○ 均质：指空间的均匀性

○ 各向同性：意思是旋转对称

② FLRW 公制

③ Tμν = (ρ, -p, -p, -p)

⑶ 与广义相对论的区别

① ρ代表能量密度，而不是质量密度

② k 为标量曲率

③附加项ρΛ

⑷ 宇宙膨胀与k的关系

① 配方

② 宇宙的膨胀和收缩

图。 1. 宇宙的膨胀和收缩

图。 2. 宇宙曲率

③ 开放宇宙：ρ＜ρc。具有负曲率的宇宙类似于马鞍

④ 封闭宇宙：ρ ＞ ρc

⑤ 宇宙平坦：ρ = ρc

4。弗里德曼的宇宙学：主张宇宙膨胀

⑴ 也称为勒梅特宇宙论

⑵ 物体在引力场中运动的总能量

⑶ 将(4/3)πR3ρ代入M

5。哈勃膨胀宇宙理论

⑴奥尔伯斯悖论：为什么夜空是黑暗的

① 声称如果宇宙无限大，那么应该有无限多的星星，使得夜空明亮

② 理由一：星星不是永恒的

③ 原因2：仍有未发出的光

④ 原因3：宇宙正在膨胀

⑵ 哈勃定律

① 哈勃观测外部星系，发现宇宙膨胀的证据

图。 3. 哈勃的观测数据

② 邻近和遥远的星系

○ 附近的星系呈蓝色

○ 遥远的星系持续红移

③ 星系红移速度∝距离

○ 红移公式：光速c，原始吸收波长λ0，吸收线波长变化Δλ，

v = c Δλ / λ0

○ 哈勃常数：50 kms-1Mpc-1

v = H × r（其中 r 是距离）

④结论：宇宙正在膨胀

⑶（参考）红移的类型

① 类型1： 由于普通多普勒效应引起的红移

○ vs：源（例如发射器）的速度

○ vd：探测器（例如观察者）的速度

○ v0：波的速度（例如声波）

○ f0: 波的频率

○ f: 观测频率

② 类型2： 由于相对论多普勒效应引起的红移

○ 第一^第一。重力扭曲时空 → 导致空间膨胀

○ 第二^第二。随着空间的扩大，光的波长增加

○ 第三^第。可见光波长向光谱的红端移动

③ 类型3：由于宇宙膨胀引起的红移

○ 第一^第一。宇宙正在膨胀

○ 第二^第二。随着空间的扩大，光的波长增加

○ 第三^第。可见光波长向光谱的红端移动

○ 计算方法 (参考 1、参考 2)

6。大爆炸理论

⑴ 概述

①定义：提出宇宙起源于138亿年前大爆炸中一个极热、致密点的理论

②（注）大爆炸的思想源于哈勃膨胀宇宙理论中的时间逆转

③ 在大爆炸之前，时间的概念并不存在。

⑵ 第一^第一。基本粒子的生成> ① 随着宇宙温度迅速降低，夸克和电子等基本粒子产生。

⑶ 第二^第二。质子和中子的产生

① 三夸克结合形成质子和中子。

② 质子与中子的比例从最初的约 1:1 变为约 7:1。

③ 由于稳定性差异，中子通过核反应转化为质子。

⑷ 第三^rd。大爆炸后约 3 分钟

① 宇宙温度约为 10 亿 K，两个质子和两个中子结合形成氦核。

② 16个原子核中，14个是质子，2个是中子。

③ 12个质子形成12个氢核，2个质子和2个中子形成1个氦核。

⑸ 第四^th。大爆炸后约 38 万年

① 当宇宙温度降至约 3000 K 时，原子核和电子结合。

② 形成氢原子和氦原子。

③从不透明宇宙到透明宇宙的转变：

○ 不透明宇宙：光与自由漫游的电子碰撞，被捕获。

○ 透明宇宙：由于电子与原子核结合，光可以直线传播，使空间透明。

④ 光子逃离等离子体状态并以宇宙微波背景辐射的形式在空间中传播。

⑹ 证据1. 宇宙微波背景辐射

图。 4. WMAP卫星观测到的宇宙微波背景辐射

①定义：早期宇宙发出的光。

② 当原子在 3000 K 的温度下形成时，光传播到整个宇宙。

③ 宇宙膨胀导致波长变长，在约 2.7 K 处以辐射能形式观察到。

○ 微波形式。

○ 2.7 K 值是在假设黑体辐射的情况下利用维恩位移定律计算得出的。

④ 伽莫夫预言。

⑤ 后来由 Penzias 和 Wilson 于 1965 年发现。

⑺ 证据2. 宇宙中元素的分布

① 氢原子核与氦原子核之比 = 12:1

② 1 个氢原子核的质量 : 1 个氦原子核的质量 = 1:4

③ 所有氢原子核与所有氦原子核的质量比 = 3:1

④ 宇宙中氢和氦的实际质量分布约为3:1。

7.现代宇宙学

⑴ 暴胀宇宙论

①定义：宇宙大爆炸后发生膨胀，满足宇宙稳定条件的理论。

⑵ 加速膨胀宇宙学

图。 5. Ia型超新星的观测数据和解释宇宙膨胀的模型

① 红移距离图显示，对于相同的 z 值，随着宇宙膨胀得越大，距离指数也越大。

② 由于距离指数较大，Ia 型超新星看起来比模型 B 预测的更暗。

③采用解释加速扩张的模型A。

④ 索尔·珀尔穆特 (Saul Perlmutter) 因加速膨胀荣获 2011 年诺贝尔物理学奖。

⑶ Λ-CDM宇宙学

①概述：Λ代表暗能量，C代表冷，D代表暗，M代表物质。

② 普通物质（4%）影响宇宙收缩。

③ 暗物质（23%）影响宇宙收缩。

○ 定义：具有不发光的质量的物质，因此无法被观察到。

○（注）太阳系中行星距太阳不同距离的推断速度。

○ 根据表面亮度和实际旋转速度推断星系旋转速度。

数字。 6. 根据表面亮度和实际旋转速度推断星系旋转速度

○（脚注）推断的旋转速度表现出与距太阳不同距离的行星速度相似的轮廓。

○ 1933 年，Fritz Zwicky 得出结论，星系团中看不见的质量比观测到的质量多 400 倍。» ○ 我们银河系质量的 90% 是暗物质。

○ 暗物质候选者：褐矮星、白矮星、黑洞、中子星、轴子、WIMP、惰性中微子。

○ 通过引力透镜间接证实。

○ 暗物质与引力相互作用，但不与光相互作用。

○ 暗物质也不与自身相互作用，这意味着压力或自相互作用为零。关于暗物质重叠处奇点的可能性存在争议。

④ 暗能量（73%）

○ 在一个有普通暗物质的宇宙中，收缩将会盛行。

○ 暗能量是驱动宇宙膨胀的力量。

○ 爱因斯坦废弃的宇宙学常数可能与此有关。

○ 暗能量候选者：量子真空。

⑤ 对物理量的依赖性

○ 由于波长效应，光能∝ 1/R^4，而不是1/R^3。

○ 物质∝ 1/R^3。

○ 暗能量 Λ ∝ 1.

⑷ 粒子物理

① 粒子标准模型：共17个粒子。

○ 基本粒子：最小的、不可分割的粒子。由轻子和夸克组成。

○ 分类1：夸克——上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克。

○ 分类2：轻子-电子、μ子、τ子、电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。

○ 分类 3：规范玻色子 - 胶子、光子、Z 玻色子、W 玻色子。

○ 胶子介导强核力。

○ 光子介导电磁力。

○ Z 和 W 玻色子介导弱核力。

○ 所有规范玻色子的自旋均为 1。

○ 分类 4：希格斯玻色子。

○ 质量

○ 如果希格斯玻色子质量 > 130 GeV，则宇宙稳定。

○ 如果希格斯玻色子质量 < 130 GeV，则宇宙不稳定。

○ 目前测得的希格斯玻色子质量约为125 GeV，表明宇宙稍显不稳定。

○ 如果希格斯玻色子质量 > 普朗克尺度，电子的引力与电磁力竞争，导致差异。

○ 自旋：0 表示希格斯玻色子，2 表示引力子。

○ 相互作用：希格斯玻色子可以与光子等各种粒子相互作用。

○ 衰变：希格斯玻色子是一种基本粒子，但寿命很短。它的衰变释放出伽马射线，可以在大型强子对撞机上检测到。

○ 相关方程（简化版）。

○ 相关方程（复数版）。

数字。 7. 粒子标准模型相关方程（复数版）

②反粒子：反夸克、正电子等。

③ 物质的组成

○ 质子：由2个上夸克和1个下夸克结合而成。带正电荷。

○ 中子：由1个上夸克和2个下夸克结合而成。电中性。

○ 原子核：由质子和中子组成。

○ 原子：由原子核和电子组成。

④ 配对产生与湮灭

○ 粒子-反粒子对的形成和湮灭。

⑤ 对称性破缺

○ 量子时间之箭：根据哥本哈根解释，量子力学的主要方程薛定谔方程由于粒子态坍缩而失去了时间对称性，尽管这种关系并不精确，并且在测量时失去了对称性。

○ CPT 违规：粒子可能以极低的概率出现时间反转对称性违规。

⑸ 统一理论

⑹ 超弦理论

① 粒子被认为是共振弦，解释了波的性质。

② 超弦的本征维数为6。

⑺多元宇宙理论

① 史蒂芬·霍金的虚时间论为宇宙构建了一个无限的框架。

输入： 2019.04.15 23:54

5758