牛顿定律宇宙之旅.ppt

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1、一、牛顿第一定律,1-2 牛顿定律 Newtons Law of Motion,牛顿第一定律的数学形式：,任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直至其它物体对它作用的力迫使它改变这种状态为止,二、牛顿第二定律,四、万有引力定律,m1、m2：引力质量,4、弱 力：微观领域中的一种短程力，存在于强子和轻子（电子、中微子等）之间 如:在导致原子核的衰变放出电子和中微子.中微子是一种质量很小或几乎是零的中性粒子.中微子的处现,是弱相互作用的一种可靠的标记.,3、强 力：在微观领域中的一种短程力，存在于强子（核子、介子和超子）之间它比电磁力更强,约大 倍.是一种短程相互作用力.,五、自然界中的四种基本

2、相互作用（力）,1、万有引力：任何物体与物体之间都存在着相互吸引的力,2、电 磁 力：存在于静止电荷以及运动电荷之间的电性力 和磁性力，统称为电磁力 弹性力,摩擦力,气体的压力,浮力,粘滞力等,解:,解:,第2章 宇宙之旅,2-1 宇宙之旅,宇 宙,德国哲学家康德说过：,“世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵：一件是我们心中崇高的道德准则；另一件是我们头顶上灿烂的星空”,四方上下曰宇,古往今来曰宙。新华字典,先来观测宇宙！越看越远将看到什么？,中国南极天文台摄,星空,亮星分布各向同性,银河系全景图,银河系示意图,几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘厚度范围内的星体。,仙女座大星云,河

3、外星系：银河系的邻近星系 与银河系很相似,宇宙学原理,宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。宇宙没有中心，也没有边界。在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。一句话：宇宙是一个物质在其中几乎均匀分布的体系。,夜晚的天空为什么是黑暗的？,早在1720年到1823年期间英、法、德三国各有一位天文家(分别是哈雷，切西亚赫，奥尔勃斯)提出了如下命题：如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙空间，我们从任何一个方向上去看，总会看到一颗星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说，夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明亮！但事实远非如此。后来这命题被称为“奥尔

4、勃斯佯谬”,亮度与距离平方成反比。不同距离上贡献的总亮度是一样的。无限大空间贡献的将是无限亮。黑夜应当是明亮的。,Olbers 之谜,观察者,1、一种解释 1946年，哈里森研究指出，在上述命题中，一个根本的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料烧完，从生到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约t*100亿年(1010年)，它远比光离开恒星表面后，到波吸收所经过的平均时间(约1023年)小得多。,哈里森的计算表明：不考虑恒星有寿命时，星光传到我们所在处叠加起来的总的辐射能量密度u 等于一颗恒星表面的辐射能量密度 u*。考虑到有寿命时，则：可见 u

5、 很小，观察不到。,2、另一种解释 1965年，也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间，相当温度T 3K的黑体辐射。假如认为这种背景辐射就是来自宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式，其中T 4为黑体的总辐射本领,求得恒星表面的u*值，取 T*6000K(太阳表面温度)可得：两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。,宇宙大爆炸理论,宇宙在膨胀,宇宙起源于一次“大爆炸”（Big Bang）,大爆炸理论基本思想大致如下：,约在距今137亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开始约10-35s后，后一个特别快速的膨胀过程(称暴胀)，当膨胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子到10-6s时，夸克结合成

6、中子和质子等强子，他们约在3分钟后形成原子核约38万年后，宇宙以冷却到温度为4000K左右，质子能俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满宇宙空间50亿年后，星系形成，太阳系形成100亿年后，宇宙温度冷却到2.7K，出现人类活动。,宇宙大爆炸理论,1946年物理学家伽莫夫首先提出：宇宙是从一个高宽度的火球爆炸开始的。但直到20世纪60年代初还很少有人相信。当时的一个主要根据是哈勃红移。1965年,3K微波背景辐射的发现，才使上述假设逐步发展成为被公认的理论。,1、大爆炸理论的5个依据,宇宙在膨胀,宇宙起源于一次“大爆炸”（Big Bang）,大爆炸宇宙学的提出

7、Gamow:1946,宇宙诞生于高温高密状态。膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段。可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物理过程的发生以及引起的各种观测特征。大爆炸学说给出了宇宙的极为丰富而且确定的物理内容，可供实在的观测检验。,2、大爆炸理论的5个依据,哈勃红移1929年起，科学家测得遥远恒星发出的光谱线普遍存在一种“红移”现象，称哈勃红移。这是由于恒星以速度v远离地球所造成的。根据多普勒效应，光源远离地球时，地球上的观察者测得的表现频率将减小，即波长增大，称为红移。,宇宙膨胀 导致的红移,2、大爆炸理论的5个依据,(2)1965年，3K微波背景辐射的发现

8、，是大爆炸理论的有力论据。两位发现者：美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。1989年利用COBE卫星进一步测得了宇宙背景温度为：T=2.725K,电视机屏幕上在没有节目时呈现的雪花噪声中就包含有微波背景辐射,无处不在！微波背景辐射是宇宙38万岁时从3000度的高温等离子体状态转化为中性气体而遗留下来的残留余辉，现在的温度只有约2.725度。它是宇宙中最完美的黑体辐射。,微波背景辐射是什么？,2、大爆炸理论的5个依据,(3)第三个证明是宇宙的可见物质主要是氢和氦，约3/4是氢，1/4是氦，与理论估计相符。(4)第四个论据是关于恒星和星系的演化，1990年升

9、空至今的哈勃空间望远镜已能看到100亿光年外的天体，观测发现那些遥远的星很少有重元素，正符合大爆炸理论的预言。(5)哈里森在计算时考虑了一个在时间上有限膨胀的宇宙模型和恒星的演化，合理地解释了夜晚的天空为什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理论的第五个论据。,宇宙膨胀：加速还是减速,宇宙膨胀究竟减速还是加速？万有引力只允许减速。,宇宙加速膨胀的发现,（暗能量的提出）,L.M.Krauss,Scientific American,1999,减速,加速,可见物质暗物质,暗能量,三种物质,三种物质：普通物质（重子物质）；暗物质；暗能量。,宇宙成分分配 Ostriker&Steinhardt,2003,S

10、cience,300,1909,暗能量：73%；暗物质：23%；发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）；不可见的普通物质：3.7%（星系际气体3.6%；中微子0.1%；超重黑洞0.04%）,宇宙学引发重大革命,普林斯顿大学的斯坦哈德（Paul Steinhardt）感慨地说：现今宇宙学正处于一个重大的革命时期，正如哥白尼（N.Copernicus）的发现所带来的状况一样。,所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的 假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话，他应该去学习天文物理学。杨振宁,杨振宁：20世纪物

11、理学,20世纪物理学的第一个“1/4”是黄金时代，第三个“1/4”是白银时代。人们曾普遍惋惜未能赶上20世纪的黄金时代，现在很可能正是新世纪的黄金时代”！不要失之交臂！,一、恒星的诞生,星际云,1、稀薄：几十个原子/cm2;2、T=100K,扰动,打破平衡态,密度大的部分开始收缩,形成结构紧密的球体,中心的压强、温度密度不断升高。,开始辐射能量,继续收缩,核反应开始,恒星诞生！,1、恒星演化的三种归宿,白矮星、中子星和黑洞是恒星演化的三种归宿,恒星在稳恒的核燃烧阶段时，氢不断地转变为氦及更重的元素，灼热气体的向外压强与向内收缩的引力达到平衡。稳恒阶段为恒星的“壮年期”（主序星）。迄今发现的恒星

12、有90%处“壮年期”。,二、恒星的生命历程,二、恒星的生命历程,2、白矮星,恒星质量：M；太阳质量：M,恒星,M 8M,红巨星,白矮星,红矮星,黑矮星,依靠电子简并压抵抗万有引力,白矮星的质量不超过 1.4 M,钱德拉塞卡极限：1.4M,二、恒星的生命历程,3、中子星,恒星质量：M；太阳质量：M,恒星,8M M 25M,超红巨星,白矮星(1.4M),中子星,超新星 爆发,依靠中子简并压抵抗万有引力,稳定中子星的极限：3 M,1731年，英国的一位天文爱好者比维斯发现:星云的形状有点像螃蟹被取名为蟹状星云(Crab Nebula),1920年，推算其膨胀开始时刻应在860年前公元1060年。,宋

13、会要记载：“嘉佑元年三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”,4、黑 洞,M 25M,恒星 黑洞,当恒星开始形成时质量大于25M，且Mcore超过3M，就没有一种已知的力可以顶得住引力了，此核心将是一个黑洞,三、黑 洞,1、黑洞的形成,具有封闭视界的天体,黑洞：,当速度足够大，物体可以摆脱星球引力的控制。,引力半径,史瓦西半径,逃逸动能,黑洞,当恒星在自身引力作用下收缩到半径小于rs时，就形成黑洞，以rs为半径的球面就是它的视界。,引力势能,太阳,r s 3 km,M=1.9891030 kg,R=6.96 105 k

14、m,地球,RE 6370km,ME=5.9761024 kg,r Es 1.5 mm,1）黑洞由引力单独支配，一旦形成将无限止地收缩 直至奇点,1）微型黑洞可能在宇宙创生时就产生了。,2）黑洞并不一定密度都极大。巨型黑洞也可能密度非常小 例如：一个质量为1023 M的黑洞，相应的密度只需要1029 g/cm3,2）外来的物质和辐射可以进入视界以内，但视界内的任何 物质、信息都不能跑到外面。,2、黑洞的特点,注 意,3）孤立黑洞应该是黑色的，但是如果其他天体在黑洞的引力范围附近，被拽向黑洞的物质在旋转着落入黑洞时会发射电磁波黑洞被套上光环。,1972年，天鹅座X-1双星，通过引力计算发现其质量为

15、太阳15倍第一个发现的黑洞,2-2 时空联姻,赫尔曼闵可夫斯基 Hermann Minkowski,从现在起，绝对的空间和绝对的时间都不复存在，只有二者的某种结合才有意义,相 对 论,Theory of Relativity,一样！,绝对时空不能观测，也不能用任何实验证明根本不存在。但是，它在理解牛顿定律中所起的巨大作用，迫使牛顿引进这一概念。,这是牛顿天才的一个标志,相对不同的参照系，长度和时间的测量结果都一样吗？,Newton16421727,Einstein18791955,1、力学的相对性原理,一、伽利略相对性原理 伽利略变换 Galilean Transformation,Galil

16、eo Galilei15641642,不能区分船是静止还是匀速直线运动,伽利略相对性原理：在一切惯性系中力学规律相同,伽利略封闭船舱里的力学实验,在彼此作匀速直线运动的所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是完全相同的，具有完全相同的数学表达式。即在研究力学规律时，一切惯性系是等价的。,在一切惯性系内的任何力学实验都不能确定该惯性系是静止的还是作匀速直线运动的，因此要确切知道某一惯性系本身是否“绝对静止”，则用任何力学实验都不可能办到。,-力学的相对性原理,力学定律在一切惯性系中都是相同的，即所有惯性系都是等价的。,1、力学的相对性原理,一、伽利略相对性原理 伽利略变换 Galilean Tr

17、ansformation,2、伽利略变换 Galilean Transformation,1）、坐标系的建立,在两个惯性系中考察同一物理事件,设惯性系 相对惯性系S 以速度 u 作匀速直线运动,当 时两坐标系的原点O 与 相重合。,2）、实际观测,t 时刻在P点发生任一事件,伽利略变换,系,(x,y,z,t),逆变换,正变换,3）、速度变换与加速度变换,在两个不同的惯性系中,自不同的惯性系，所观测到的同一质点运动的加速度是相同的，即物体的加速度具有伽利略变换下的不变性。,3、牛顿定律具有伽利略变换不变性,牛顿力学规律（包括动量守恒定律、机械能守恒定律等）在伽利略变换下形式不变。,结论：,在牛顿力学中,质量与运动无关,力与参考系无关,4、经典力学的时空观,经典力学的绝对时空观,时间具有绝对性空间具有绝对性时间和空间是彼此分离不相关的,当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动,现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问.,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约。,实际持续时间约为 22 个月,这怎么解释?,