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第三節 宇宙的起源和演化
第五章　經典力學的局限性與相對論初步
01
02
03
關注宇宙的起源和演化的研究進程。
教學目標
了解人類對宇宙永不停息的探索歷程。
初步了解宇宙大爆炸理論。
宇宙是什么呢？宇宙有多大？宇宙存在有多久了？宇宙中的物質是從哪里來的？宇宙有沒有起源和演化？
新課引入
這一觀測是人們走出了靜態絕對的宇宙觀，開始用膨脹的宇宙觀探索宇宙的起源。
1929 年，哈勃（E. Hubble，1889—1953）做了一個具有里程碑意義的觀測：遙遠的恒星發出的光譜與地球上同種物質的光譜相比，波長變長，即向紅光方向偏移。這一現象說明：不管往哪個方向看，遠處的星系都正在急速地遠離我們而去，并且距離我們越遠的星系離開我們的速度越快。
一、宇宙的起源
宇宙的演化
美國科學家伽莫夫（G.Gamow，1904-1968）將微觀的核物理、化學元素的起源與宏觀的膨脹宇宙聯系在一起，提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型，認為宇宙從圖一個溫度無限高、物質密度無限大的“奇點”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不僅能解釋宇宙光譜的紅移現象，而且預言在大爆炸的特殊宇宙背景下產生的微波輻射至今存在于宇宙空間中。
1965年，威爾森和彭齊亞斯觀測到了宇宙背景微波輻射，大爆炸宇宙模型得到了有力的支持。
大爆炸宇宙模型
大約150億年前，我們所處的宇宙全部以粒子的形式、極高的溫度、極大的密度，被擠壓在一個“原始火球” 中。
大爆炸理論主要觀點
大爆炸使物質四散出擊，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應下降，后來相繼出現在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。
大爆炸之后約10-2秒
大爆炸之后約1秒
大爆炸之后約10秒
宇宙溫度約1011K，宇宙主要成分是電子、正電子、光子、中微子、反中微子等及少量核子.
宇宙溫度下降為1010K，宇宙中的中子占24%，質子占76%.
宇宙溫度下降為3×109K，宇宙中的中子、質子可形成4He.而較重的原子核仍沒有形成的機會.
觀測支持和宇宙的熱演化
到了3分鐘
宇宙溫度下降為109K。中子衰變為質子，剩下的中子都可直接組合到氦核中，因此造成氦核的豐度為26%，其余的質子則只能成為氫核了。
到了約1012秒
宇宙繼續冷卻和膨脹，溫度降為4×103K。原子氣體靠引力作用結團形成恒星和星系，而恒星和星系演化，其中的核聚變過程產生更重的原子核；脫離了熱偶合的光子氣體稱為宇宙背景輻射，溫度下降到現在的2.7K。1964年彭齊亞斯和威爾遜發現這種背景輻射。
根據愛因斯坦廣義相對論的預言，宇宙的未來在很大程度上依賴于宇宙中的物質分布（宇宙物質的平均密度）。如果宇宙物質的平均密度大于某個臨界值，星系間的引力將最終使膨脹停止并使宇宙開始重新收縮，最終坍縮；如果宇宙物質的平均密度小于該臨界值，宇宙將會繼續膨脹。但對宇宙物質平均密度的觀測非常困難，因為宇宙中除了可見的發光天體之外，還有大量的暗物質和暗能量。
暗物質是一種不能釋放任何電磁輻射的物質.
二、宇宙的未來
1998年，科學家索爾·珀爾馬特（S.Perlmutter）、布萊恩·施密特（B.Schmidt）和亞當·里斯（A.Riess）通過觀測遙遠的超新星，發現宇宙正在加速膨脹，并且證明了暗能量的存在，因而獲得2011年諾貝爾物理學獎。
通過觀測和理論分析，科學家推測宇宙的大部分都是由暗物質和暗能量組成的，但人類對暗物質和暗能量的本質至今仍不了解，現有的天文觀測資料還不能確定宇宙的未來將走向何處，這有待于人類的進一步探索。
黑洞
黑洞
4月10日21時，全球六地（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓）同時召開新聞發布會，宣布人類首次利用一個口徑如地球大小的虛擬射電望遠鏡，在近鄰超巨橢圓星系M87的中心成功捕獲世界上首張黑洞圖像。
超新星
太陽的一生
星云
太陽
50億年
紅巨星
40億年
白矮星
10億年
暗矮星
漫長
太陽的一生
宇宙也像恒星一樣，也有誕生，成長，死亡的時候。
二、宇宙的未來
一、宇宙的起源
本課小結
1、在宇宙中，密度最大的是 (　　)
A、鉑 　　 B．黑洞
C、暗矮星 D．中子星
B
跟蹤練習
2、比太陽更大的恒星最終將演化成(　　)
A.紅巨星 B．白矮星
C．超新星 D．中子星或黑洞
D
3、進入成年的太陽大約可以穩定100億年，再過__________年，太陽將進入晚年期，太陽將逐漸演化成_______。它將再活躍10億年，然后成為一顆_____，并在緩慢中死去，最后作為一顆______。
50億
紅巨星
白矮星
暗矮星
謝謝
大家

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