PHYS2013的學(xué)習(xí)以初中物理和第一學(xué)期的中級(jí)物理為基礎(chǔ)，介紹宇宙學(xué)(宇宙的結(jié)構(gòu)和演化)和狹義相對(duì)論(高速時(shí)的空間和時(shí)間)。實(shí)踐：實(shí)驗(yàn)物理作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行教學(xué)，包括恒星圖像分析、電磁現(xiàn)象、電子儀器、量子物理等方面的實(shí)驗(yàn)。評(píng)估基于對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的掌握程度。學(xué)期結(jié)束時(shí)，學(xué)生可以小組合作完成一個(gè)項(xiàng)目。學(xué)生將就其項(xiàng)目或一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備書面報(bào)告和口頭報(bào)告。

一、什么是狹義相對(duì)論?

阿爾伯特·愛因斯坦的特殊相對(duì)論理論是關(guān)于對(duì)象速度變化如何影響時(shí)間、空間和質(zhì)量測(cè)量的解釋。有助于建立電磁學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)顯示，在電磁場(chǎng)中的波動(dòng)(我們看到的是光)以每秒299,792,458米的速度穿過空無一物的空間(大約每秒186,000英里)。

從不更快，也從不更慢。這個(gè)唯一的速度極限恰好也是無論觀察者的運(yùn)動(dòng)速度如何，都是一樣的，這乍一看確實(shí)沒有多少意義。因此，在1905年，愛因斯坦寫了一篇詳細(xì)解釋這一現(xiàn)象的論文。

速度如何影響時(shí)間和空間?

艾薩克·牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律描述了力、物體質(zhì)量和加速度之間的關(guān)系。這些定律適用于所有物體，無論它們的運(yùn)動(dòng)方式如何。

在火車上娛樂乘客的小丑可以相信，他們的雜耍球會(huì)以緩慢而穩(wěn)定的速度上下運(yùn)動(dòng)。另一方面，乘坐另一輛飛馳的火車的乘客則會(huì)透過窗戶看到那些雜耍球以兩列火車的合并速度掠過。沒有什么奇怪的。

如果這些球是光波，無論誰(shuí)在觀察，它們只能以相同的速度移動(dòng)。坐在雜耍者旁邊的乘客也會(huì)看到這些球以光速上下運(yùn)動(dòng)。坐在飛馳的火車上的人也會(huì)看到它們以完全相同的速度移動(dòng)，盡管火車的速度有差異。

對(duì)于速度較慢的雜耍球，這已經(jīng)很難想象。但是如果把它們加速到光速，就需要一些巧妙的思考來理解。

愛因斯坦的解決辦法是將時(shí)間和空間視為相對(duì)因素。根據(jù)特殊相對(duì)論理論，隨著加速度變得極快，時(shí)間和距離之間的比較會(huì)因觀察者的不同而發(fā)生變化。

二、什么是宇宙學(xué)?

宇宙誕生于138億年前的事件，我們稱之為大爆炸。我們之所以知道這是真實(shí)的，是因?yàn)橛卸鄺l不同的證據(jù)線索。當(dāng)前宇宙的膨脹表明，在過去，宇宙要小得多，這是通過觀測(cè)星系相互遠(yuǎn)離的速度越來越快來衡量的。宇宙微波背景輻射是宇宙曾經(jīng)更加熾熱和更加密集的證據(jù)。與其他元素相比的氫和氦的相對(duì)含量告訴我們，宇宙的熾熱和密度不足以使更重的元素融合。等等。

哈佛大學(xué)與史密森天體物理中心的宇宙學(xué)家致力于填補(bǔ)這一宏偉畫卷的細(xì)節(jié)。

大爆炸后的最早時(shí)刻仍然是個(gè)謎。根據(jù)宇宙膨脹假說，量子相互作用導(dǎo)致宇宙在大爆炸后的一瞬間擴(kuò)張了約10^26倍——超過一萬萬億倍——。除其他事情外，膨脹解釋了為什么宇宙在每個(gè)方向上具有相同的內(nèi)容和溫度，以及在最大尺度上物質(zhì)是如何組織的。然而，關(guān)于膨脹還有很多不解之謎，因此理論家和觀察者們努力描述它，尋找任何可觀測(cè)的痕跡，以及測(cè)試替代可能性。

在大爆炸后的大約380,000年里，宇宙充滿了熾熱的不透明等離子體。宇宙的膨脹將等離子體擴(kuò)散，直到足夠冷卻以形成第一個(gè)穩(wěn)定的原子，宇宙變得透明。從這個(gè)過渡中剩下的光形成了宇宙微波背景輻射(CMB)，這是填充宇宙的低能量光線。CMB溫度的微小變化揭示了宇宙各種內(nèi)容的相對(duì)量，以及后來產(chǎn)生星系的密度波動(dòng)。

宇宙中的第一顆恒星可能誕生在大爆炸后大約7億年后。然而，我們并不確定，因?yàn)樽钤绲暮阈翘?，無法從如此遙遠(yuǎn)的地方看到。天文學(xué)家尋找最早的星系，以尋找那些原始恒星的跡象，并研究有關(guān)它們性質(zhì)的間接線索。

可觀察宇宙中包含約1000億個(gè)星系。這些星系不是隨機(jī)分布在天空中的：引力將它們聚集成了一個(gè)巨大的宇宙網(wǎng)，稱為宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。在更大尺度上，星系顯示出所謂的重子聲學(xué)振蕩(BAO)的痕跡，這些聲波在CMB形成之前橫掃整個(gè)宇宙。宇宙學(xué)家研究大尺度結(jié)構(gòu)和BAO，以測(cè)量宇宙膨脹的速度，并理解星系如何在最大尺度上組織。

宇宙中的所有原子只占其總質(zhì)量的約5%。其余的是暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)約占宇宙的總質(zhì)量的27%，為構(gòu)建星系和星系團(tuán)提供了引力基礎(chǔ)。宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)是由暗物質(zhì)產(chǎn)生的，但我們?nèi)匀徊恢浪墒裁唇M成。暗能量占宇宙總質(zhì)量的其余68%，導(dǎo)致宇宙的膨脹加速。暗物質(zhì)和暗能量的推拉力使宇宙呈現(xiàn)出我們所看到的樣子，因此準(zhǔn)確理解這些神秘物質(zhì)是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

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