同学们好 ！
大学物理
第 2页 共 29页
第三节 宇宙
一、几个概念
1.宇宙 ——时间和空间联合
构成的统一整体
目标：了解宇观层次的物质结构
了解宇宙的起源
近代物理观点, 物质和它的运动
是统一的客观实在（空间广延、时间广延）
既不可能有脱离物质的运动，也不可能有脱离运动的物质。
而时间和空间也只能凭借物质及其运动的存在才能体现 。
观测宇宙 ——人们用肉眼或仪器观测到的整个宇宙空间
及其各类天体的总称。（哈勃半径,150亿光年）
大学物理
第 3页 共 29页
宇宙 —— 哲学意义上的概念
观测宇宙 —— 天文学研究的对象
2.天体 ——宇宙间一切物质集团的总称
天空中的浮云、大气，山川、河流 ——气象现象
人造卫星，宇宙火箭等 ——人造天体
3.光年 ——光传播一年所经过的距离
1光年 =1013km（ 3?108 ?365 ?24 ?3600）
光 1秒钟可以绕地球运行 7圈，光从太阳传到地球只需
要约 8min。
意义,? 表征天体间的空间距离
? 表征携带信息的时间历史
哈勃半径 150亿光年 ——从空间上得到了 150 亿光年尺
度的横断面，时间上追溯到了 150亿年前宇宙的历史。
大学物理
第 4页 共 29页
二、宇宙的一般图景
1,天体的层次
人类对宇宙的认识由近到远，由现在到过去逐渐展开
星球
“富”星系团
河外星系
太阳系
恒星系
(银河系 )
星球：有自身内部结构和特性，包括恒星、行星、卫
星、彗星、流星等。
行星：绕恒星运动的近似球形天体，本身不发光。
地球,本星系群 —— 银河系 —— 太阳系 —— 一颗行星
大学物理
第 5页 共 29页
各种天体的层次
天体层次 行星 恒星 星际云 星团 星系 宇宙
(地球 ) (太阳 ) (平均 ) (球状 )
半径 /pc 10-10 10-8 10 10 104 1010
平均距离 /pc 10-5 1 10 103 106 ?
质量 /M日 10-6 1 103 106 1011 1021
平均密度 5.515 1 10-23 10-21 10-23 10-30
/(g/cm3)
中心温度 /K 104 107 102 ? ? ?
pc为秒差距 1pc = 3.261633光年 =3.085678?1016 m
大学物理
第 6页 共 29页
(1) 太阳系 —— 以太阳为中心，以及由它的引力支
配而绕它运动的天体所构成的系统。
含有九大行星,
3000多个小行星,
66 个天然卫星,
为数众多的彗星,
流星、星际物质,
人造天体。
九星连珠,由于各行星绕太
阳运动的轨道大小、速度各
不相同，它们很难聚集在以
太阳为中心的扇形区域内。
这是 1982年出现的九星连珠
现象
大学物理
第 7页 共 29页
太阳, 银河系中一颗普通恒星
直径约 1.5?10-7光年，表面温度 6000K,中心温
度 1.5?107K,质量相当于 33.3万个地球。
大学物理
第 8页 共 29页
地球, 一颗大行星,年龄约 40 ~ 50 亿年
人类起源,
~100万年
中华文明史,
5000年以上
地球的内部结构
半径,平均 6370km
外衣,地壳（平均厚度 33km）
中间层,地幔 (平均厚度 2800多 km)
核心,地核（内核、外核）
大学物理
第 9页 共 29页
月球, 围绕地球运行的惟一颗卫星
地月
地月
RR
MM
27.0
81
1
?
?
大学物理
第 10页 共 29页
彗星, 围绕太阳运行或行经太阳附近的云雾状
天体，由慧核、慧发、慧尾组成。
大学物理
第 11页 共 29页
陨石, 流星体进入地球的大气
层中一般都能完全燃烧
气化，只有较大的流星
体燃烧不完，可以陨落
到地面上而被称为 陨星 。
90%为硅酸盐矿物的石
陨星称为 陨石 。
吉林 1号陨石是目前世界
上最大的陨石，重 1770kg。
于 1976年 3月 8日陨落在吉
林省内。
大学物理
第 12页 共 29页
(2) 银河系
扁平铁饼状结构，直径达 10万光年
3000亿个恒星 + 星团 + 星云
太阳距银河系中心约 3.3万光年
大学物理
第 13页 共 29页
2,宇宙学原理
几条先验原则 —— 对称性思想的体现
1) 宇宙间物质（及其发展规律）的统一性。
2) 人类在宇宙中不具有特殊的地位。
3) 宇宙间物质的无限性。
宇宙学原理,宇宙在整体上（能代表宇宙特
征的大尺度上）是均匀的，各向同性的。任何
一个典型星系上的观察者“看到”的物理规律
相同。
大学物理
第 14页 共 29页
三、大爆炸宇宙模型
1,天文学历史上的三次飞跃
(1) 行星层次
——连结开普勒定律的飞跃 (17世纪 )
弟谷, 积累大量资料,达到前所未有的观测精度。
开普勒,发现开普勒行星运动三定律，适用于所有
行星的运动，给出行星理论的约束条件。
牛顿,将地面物体力学规律应用于天体运动，实
现物理学的第一次大综合。
大学物理
第 15页 共 29页
(2) 恒星层次 ——连结赫 -- 罗图的飞跃
1905 赫茨普龙
1913 罗素
发现恒星表面温度
与恒星光度之间的关
系，将纷杂现象纳入
统一模型，给出恒星
理论的 约束条件,
第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚
而成。
第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。
大学物理
第 16页 共 29页
各恒星的区别：原始质量不同，“年龄”不同。
大学物理
第 17页 共 29页
星际星云 ?原始恒星 ?主序星 ?红巨星 ?超新星
爆发（或白矮星） ?黑洞（或中子星、星际物质）
大学物理
第 18页 共 29页
(3) 星系层次
——连结哈勃定律的飞跃（ 20世纪）
1929年，发现所有
星系的光谱均有红移
现象，红移量与距离
r 成正比。
将红移量折合成星
系的运动速度，即
rHv 0?
哈勃常数,光年/sm101.2 14
0 ????H
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第 19页 共 29页
2.大爆炸宇宙理论
现代理论认为，宇宙起源于一次大爆炸,
大爆炸前全部粒子处于高温高密度状态。
大学物理
第 20页 共 29页
, 大爆炸”启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演
化成了现在的宇宙。
大学物理
第 21页 共 29页
(1) 微波背景辐射
支持大爆炸宇宙学说的主要 实验事实,
1965年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉
的各向同性的微波段的噪声辐射。
1989年，宇宙背景探测卫星 (COBE)对微波
背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为
2.271?0.010K的 黑体辐射谱。
大学物理
第 22页 共 29页
(2) 天体的年龄
(3) 氦的丰度
元素在地壳中存在的百分含量,称为 丰度。
大爆炸学说计算出的宇宙年龄 150~200亿年。目前
各种方法测定的天体年龄 50~110亿年，且均小于宇
宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。
大爆炸理论计算出大爆
炸初期 (3min以内 )形成的氦
的丰度约为 27%，与观测
结果基本符合；同时很好
地解释了为什么各星系氦
的丰度奇妙地相似。
星 系 氦的丰度
银河系
小麦云
大麦云
M33
NG C6822
NG C44499
NG C5461
NG C5471
NG C7679
0.29
0.25
0.29
0.34
0.27
0.28
0.28
0.28
0.29
大学物理
第 23页 共 29页
问题, 我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限
地进行下去？
三种膨胀宇宙
开宇宙,无限伸
展且永远膨胀。
闭宇宙,有限，最
终往回收缩到一次
“大塌聚”。
临界宇宙,无限
大，永远膨胀。
O
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第 24页 共 29页
如,物质不能凝聚成星系和恒
星，不能产生生命。 临界膨胀
vv ?
我们的宇宙膨
胀处于,临界
状态,。
临界膨胀 vv ?
如,
能形成星系和恒
星，能产生生命。
“大塌聚”
此处可演
化出生命
临 界 分 划 线
(“平坦宇宙” )
“大爆炸” 15 约 1000 约 2000
时间（ 10亿年）
距
离
现在
?
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第 25页 共 29页
四、宇宙学的发展
1,大爆炸宇宙学说的发展
1) 振荡宇宙模型 (20世纪 70年代 ) [美 ]桑德奇提出：
在每一振荡周期开始时刻，全部宇宙物质以基本粒子
形式处于高温、高密度状态。爆炸后演化为宇宙。
2) 暴胀宇宙模型 (1980年 )古斯、温伯格在弱电统一
理论基础上提出暴胀宇宙模型：爆炸后的最初 10-30s内
宇宙尺度暴胀 1050倍，再以较平和速度膨胀。
3) 宇宙弦 (1984年开始 ) 大爆炸后的瞬间，物质的
高能状态下存在着一个统一场。在 10-35s左右，统一场
种的冰结碎片形成纤细而密度极大的“宇宙弦”。宇
宙弦在极强的引力场作用下形成星系。
大学物理
第 26页 共 29页
2,宇宙学的未知课题
(1) 暗物质之谜
1) 20世纪 30年代，天文学家慧兹克注意到：星系的
环绕速度快，但稳定地呆在星系团中 —— 推测有暗物
质。
2) 20世纪 70年代，发现银河系边缘的运动速度比理
论家预言的快得多 —— 暗物质弥漫于星际空间。
3) 宇宙中星际所含物质总量 >>可见物质总量。
4) 对涡旋星系旋转情况的射电和光学观测表明，它
们被暗物质晕包围。
(2) 类星体能量之谜
1) 类星体红移大，退行速度大，距离远。
2) 类星体光度变化快，周期为普通星系的 10-5倍，
尺度小。
3) 类星体辐射功率极大，是普通星系的几百万倍。
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第 27页 共 29页
(3) ? 射线爆现象
1967年发现，来自宇宙空间的 ? 突然增强，称 ? 射线
爆现象
1) 能量,10keV~10MeV，少数达 1GeV以上 。
? 射线爆现象的本质是什么？
2) ?射线爆的空间分布各向同性，远近不均匀。
? 射线爆的远近？
能量机制是什么？
产生巨大红移的机制是什么？
大学物理
第 28页 共 29页
五、宇宙演化与四种基本相互作用的关系
宇宙极早期只有一种统一
的相互作用 —— 主干。
10-44s对应于超流 —— 真
空相变，这正是时空的起
源，分离出引力作用。
10-36s对应于大统一的真实
相变 ——不对称的起源，
分离出强作用。
10-10s弱电统一的真实相变，
弱作用和电磁作用分离。
沿着宇宙历史往回追溯，预期会见到早期宇宙温度的演变。
当温度升高时，自然力的有效强度亦将增加，预期会出现各种
力的统一。
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第 29页 共 29页
六、宇宙演化和粒子生成的关系
创生期,t < 10 - 44 s
时空产生
极早期,t ≈10- 36 s,
宇宙暴涨，形成夸克、轻
子。宇宙 ~高能实验室
早期,t ≈ 102 s,产生各种
轻元素。又称核合成期。
近期,t ≈ 105 年,温度降至
4000K，形成原子、并逐渐
形成各种尺度的星体和星系。
现在,t ≈ 150亿 年,温度
下降至 2.7K
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第三节 宇宙
一、几个概念
1.宇宙 ——时间和空间联合
构成的统一整体
目标：了解宇观层次的物质结构
了解宇宙的起源
近代物理观点, 物质和它的运动
是统一的客观实在（空间广延、时间广延）
既不可能有脱离物质的运动，也不可能有脱离运动的物质。
而时间和空间也只能凭借物质及其运动的存在才能体现 。
观测宇宙 ——人们用肉眼或仪器观测到的整个宇宙空间
及其各类天体的总称。（哈勃半径,150亿光年）
大学物理
第 3页 共 29页
宇宙 —— 哲学意义上的概念
观测宇宙 —— 天文学研究的对象
2.天体 ——宇宙间一切物质集团的总称
天空中的浮云、大气，山川、河流 ——气象现象
人造卫星，宇宙火箭等 ——人造天体
3.光年 ——光传播一年所经过的距离
1光年 =1013km（ 3?108 ?365 ?24 ?3600）
光 1秒钟可以绕地球运行 7圈，光从太阳传到地球只需
要约 8min。
意义,? 表征天体间的空间距离
? 表征携带信息的时间历史
哈勃半径 150亿光年 ——从空间上得到了 150 亿光年尺
度的横断面，时间上追溯到了 150亿年前宇宙的历史。
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二、宇宙的一般图景
1,天体的层次
人类对宇宙的认识由近到远，由现在到过去逐渐展开
星球
“富”星系团
河外星系
太阳系
恒星系
(银河系 )
星球：有自身内部结构和特性，包括恒星、行星、卫
星、彗星、流星等。
行星：绕恒星运动的近似球形天体，本身不发光。
地球,本星系群 —— 银河系 —— 太阳系 —— 一颗行星
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各种天体的层次
天体层次 行星 恒星 星际云 星团 星系 宇宙
(地球 ) (太阳 ) (平均 ) (球状 )
半径 /pc 10-10 10-8 10 10 104 1010
平均距离 /pc 10-5 1 10 103 106 ?
质量 /M日 10-6 1 103 106 1011 1021
平均密度 5.515 1 10-23 10-21 10-23 10-30
/(g/cm3)
中心温度 /K 104 107 102 ? ? ?
pc为秒差距 1pc = 3.261633光年 =3.085678?1016 m
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(1) 太阳系 —— 以太阳为中心，以及由它的引力支
配而绕它运动的天体所构成的系统。
含有九大行星,
3000多个小行星,
66 个天然卫星,
为数众多的彗星,
流星、星际物质,
人造天体。
九星连珠,由于各行星绕太
阳运动的轨道大小、速度各
不相同，它们很难聚集在以
太阳为中心的扇形区域内。
这是 1982年出现的九星连珠
现象
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太阳, 银河系中一颗普通恒星
直径约 1.5?10-7光年，表面温度 6000K,中心温
度 1.5?107K,质量相当于 33.3万个地球。
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第 8页 共 29页
地球, 一颗大行星,年龄约 40 ~ 50 亿年
人类起源,
~100万年
中华文明史,
5000年以上
地球的内部结构
半径,平均 6370km
外衣,地壳（平均厚度 33km）
中间层,地幔 (平均厚度 2800多 km)
核心,地核（内核、外核）
大学物理
第 9页 共 29页
月球, 围绕地球运行的惟一颗卫星
地月
地月
RR
MM
27.0
81
1
?
?
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彗星, 围绕太阳运行或行经太阳附近的云雾状
天体，由慧核、慧发、慧尾组成。
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第 11页 共 29页
陨石, 流星体进入地球的大气
层中一般都能完全燃烧
气化，只有较大的流星
体燃烧不完，可以陨落
到地面上而被称为 陨星 。
90%为硅酸盐矿物的石
陨星称为 陨石 。
吉林 1号陨石是目前世界
上最大的陨石，重 1770kg。
于 1976年 3月 8日陨落在吉
林省内。
大学物理
第 12页 共 29页
(2) 银河系
扁平铁饼状结构，直径达 10万光年
3000亿个恒星 + 星团 + 星云
太阳距银河系中心约 3.3万光年
大学物理
第 13页 共 29页
2,宇宙学原理
几条先验原则 —— 对称性思想的体现
1) 宇宙间物质（及其发展规律）的统一性。
2) 人类在宇宙中不具有特殊的地位。
3) 宇宙间物质的无限性。
宇宙学原理,宇宙在整体上（能代表宇宙特
征的大尺度上）是均匀的，各向同性的。任何
一个典型星系上的观察者“看到”的物理规律
相同。
大学物理
第 14页 共 29页
三、大爆炸宇宙模型
1,天文学历史上的三次飞跃
(1) 行星层次
——连结开普勒定律的飞跃 (17世纪 )
弟谷, 积累大量资料,达到前所未有的观测精度。
开普勒,发现开普勒行星运动三定律，适用于所有
行星的运动，给出行星理论的约束条件。
牛顿,将地面物体力学规律应用于天体运动，实
现物理学的第一次大综合。
大学物理
第 15页 共 29页
(2) 恒星层次 ——连结赫 -- 罗图的飞跃
1905 赫茨普龙
1913 罗素
发现恒星表面温度
与恒星光度之间的关
系，将纷杂现象纳入
统一模型，给出恒星
理论的 约束条件,
第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚
而成。
第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。
大学物理
第 16页 共 29页
各恒星的区别：原始质量不同，“年龄”不同。
大学物理
第 17页 共 29页
星际星云 ?原始恒星 ?主序星 ?红巨星 ?超新星
爆发（或白矮星） ?黑洞（或中子星、星际物质）
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第 18页 共 29页
(3) 星系层次
——连结哈勃定律的飞跃（ 20世纪）
1929年，发现所有
星系的光谱均有红移
现象，红移量与距离
r 成正比。
将红移量折合成星
系的运动速度，即
rHv 0?
哈勃常数,光年/sm101.2 14
0 ????H
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2.大爆炸宇宙理论
现代理论认为，宇宙起源于一次大爆炸,
大爆炸前全部粒子处于高温高密度状态。
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, 大爆炸”启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演
化成了现在的宇宙。
大学物理
第 21页 共 29页
(1) 微波背景辐射
支持大爆炸宇宙学说的主要 实验事实,
1965年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉
的各向同性的微波段的噪声辐射。
1989年，宇宙背景探测卫星 (COBE)对微波
背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为
2.271?0.010K的 黑体辐射谱。
大学物理
第 22页 共 29页
(2) 天体的年龄
(3) 氦的丰度
元素在地壳中存在的百分含量,称为 丰度。
大爆炸学说计算出的宇宙年龄 150~200亿年。目前
各种方法测定的天体年龄 50~110亿年，且均小于宇
宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。
大爆炸理论计算出大爆
炸初期 (3min以内 )形成的氦
的丰度约为 27%，与观测
结果基本符合；同时很好
地解释了为什么各星系氦
的丰度奇妙地相似。
星 系 氦的丰度
银河系
小麦云
大麦云
M33
NG C6822
NG C44499
NG C5461
NG C5471
NG C7679
0.29
0.25
0.29
0.34
0.27
0.28
0.28
0.28
0.29
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问题, 我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限
地进行下去？
三种膨胀宇宙
开宇宙,无限伸
展且永远膨胀。
闭宇宙,有限，最
终往回收缩到一次
“大塌聚”。
临界宇宙,无限
大，永远膨胀。
O
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如,物质不能凝聚成星系和恒
星，不能产生生命。 临界膨胀
vv ?
我们的宇宙膨
胀处于,临界
状态,。
临界膨胀 vv ?
如,
能形成星系和恒
星，能产生生命。
“大塌聚”
此处可演
化出生命
临 界 分 划 线
(“平坦宇宙” )
“大爆炸” 15 约 1000 约 2000
时间（ 10亿年）
距
离
现在
?
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四、宇宙学的发展
1,大爆炸宇宙学说的发展
1) 振荡宇宙模型 (20世纪 70年代 ) [美 ]桑德奇提出：
在每一振荡周期开始时刻，全部宇宙物质以基本粒子
形式处于高温、高密度状态。爆炸后演化为宇宙。
2) 暴胀宇宙模型 (1980年 )古斯、温伯格在弱电统一
理论基础上提出暴胀宇宙模型：爆炸后的最初 10-30s内
宇宙尺度暴胀 1050倍，再以较平和速度膨胀。
3) 宇宙弦 (1984年开始 ) 大爆炸后的瞬间，物质的
高能状态下存在着一个统一场。在 10-35s左右，统一场
种的冰结碎片形成纤细而密度极大的“宇宙弦”。宇
宙弦在极强的引力场作用下形成星系。
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2,宇宙学的未知课题
(1) 暗物质之谜
1) 20世纪 30年代，天文学家慧兹克注意到：星系的
环绕速度快，但稳定地呆在星系团中 —— 推测有暗物
质。
2) 20世纪 70年代，发现银河系边缘的运动速度比理
论家预言的快得多 —— 暗物质弥漫于星际空间。
3) 宇宙中星际所含物质总量 >>可见物质总量。
4) 对涡旋星系旋转情况的射电和光学观测表明，它
们被暗物质晕包围。
(2) 类星体能量之谜
1) 类星体红移大，退行速度大，距离远。
2) 类星体光度变化快，周期为普通星系的 10-5倍，
尺度小。
3) 类星体辐射功率极大，是普通星系的几百万倍。
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(3) ? 射线爆现象
1967年发现，来自宇宙空间的 ? 突然增强，称 ? 射线
爆现象
1) 能量,10keV~10MeV，少数达 1GeV以上 。
? 射线爆现象的本质是什么？
2) ?射线爆的空间分布各向同性，远近不均匀。
? 射线爆的远近？
能量机制是什么？
产生巨大红移的机制是什么？
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五、宇宙演化与四种基本相互作用的关系
宇宙极早期只有一种统一
的相互作用 —— 主干。
10-44s对应于超流 —— 真
空相变，这正是时空的起
源，分离出引力作用。
10-36s对应于大统一的真实
相变 ——不对称的起源，
分离出强作用。
10-10s弱电统一的真实相变，
弱作用和电磁作用分离。
沿着宇宙历史往回追溯，预期会见到早期宇宙温度的演变。
当温度升高时，自然力的有效强度亦将增加，预期会出现各种
力的统一。
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六、宇宙演化和粒子生成的关系
创生期,t < 10 - 44 s
时空产生
极早期,t ≈10- 36 s,
宇宙暴涨，形成夸克、轻
子。宇宙 ~高能实验室
早期,t ≈ 102 s,产生各种
轻元素。又称核合成期。
近期,t ≈ 105 年,温度降至
4000K，形成原子、并逐渐
形成各种尺度的星体和星系。
现在,t ≈ 150亿 年,温度
下降至 2.7K
