2019-2020年高中物理 宇宙學(xué)簡(jiǎn)介教案 粵教版選修3-4一、教學(xué)目標(biāo)1.知識(shí)與技能（1）初步了解宇宙學(xué)的發(fā)展史（2）關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展2.過(guò)程與方法通過(guò)閱讀書(shū)刊和上網(wǎng)收集資料、同學(xué)間交流、觀看關(guān)于宇宙學(xué)的科普影片和錄像等形式來(lái)關(guān)注宇宙學(xué)研究的進(jìn)展3.情感、態(tài)度與價(jià)值觀通過(guò)初步了解宇宙學(xué)的發(fā)展和目前研究的新進(jìn)展，使學(xué)生更深刻感受物理學(xué)的價(jià)值，認(rèn)識(shí)到“利用科學(xué)解決人類社會(huì)的問(wèn)題，是人類改造社會(huì)不可或缺的手段”。激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)，促進(jìn)學(xué)生情感的遷移和人性的完善。二、教學(xué)過(guò)程（一）引入新課放眼無(wú)垠夜空，觸目所視皆是扣人心弦的悸動(dòng)。令人無(wú)法自已的萬(wàn)里星空，是宇宙造物主鬼斧神工，瑰麗驚艷的傳世之作。自從1929年Hubble 將人類視野延伸至銀河系外，加上1965年發(fā)現(xiàn)的3K（更精確的數(shù)值為2.735K）宇宙背景輻射以及60年代成功的高能粒子理論，人類的宇宙觀有了重大的轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)末葉人類的宇宙觀，更由于觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，而有大幅度的成長(zhǎng)。其中對(duì)宇宙背景輻射（CMB, Cosmic Microwave Background）的精密觀測(cè)與數(shù)據(jù)陸續(xù)出籠，使得宇宙學(xué)正式成為實(shí)驗(yàn)物理最為令人看好的一支，也吸引大量人力與物力的投入，是最被物理學(xué)家看好，最有前景的主流物理之一。（二）進(jìn)行新課1.人類對(duì)宇宙演化的認(rèn)識(shí)宇宙學(xué)進(jìn)展大事隨紀(jì)1. 1608年Hans Lippershey 建造第一個(gè)折射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。2. 1609年Galilei 建造第一個(gè)折射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，并用其作為天文觀測(cè)之用。3. 1668年Issac Newton 牛頓建造第一個(gè)反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，并用其作為天文觀測(cè)之用。4. 1917年George Hale 建造完成位于美國(guó)加州威爾森山 (Mt. Wilson) 直徑100吋的光學(xué)反射式望遠(yuǎn)鏡天文觀測(cè)站。5. 1929年哈伯 (Edwin Hubble) 在美國(guó)加州威爾森山利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙，發(fā)現(xiàn)銀河系外還有其它星系，而且由光譜線紅位移現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹之中。6. 1949年George Hale 負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)監(jiān)造位于加州帕洛瑪 (Palomar) 直徑200吋的光學(xué)反射式望遠(yuǎn)鏡天文觀測(cè)站完成。7. 1965年Arno Penzias和Robert Wilson發(fā)現(xiàn)2.735K宇宙背景輻射。8. 1966年Rainer Sachs和Arthur Wolfe預(yù)測(cè)因?yàn)榻橛谟^測(cè)者與最后散射面(last scattering surface, LSS)間導(dǎo)因于重力場(chǎng)變化的CMB微擾。史稱Sachs-Wolfe效應(yīng)。9. 1969年Rashid Sunyaev 和Yakov Zeldovich 研究CMB 光子和LSS熱電子間的康卜敦散射 (pton scattering)。史稱Sunyaev-Seldovich 效應(yīng)。10. 1989年Cosmic microwave Background Explorer (COBE) 升空進(jìn)入地球軌道。11. 1990年哈伯天文望遠(yuǎn)鏡(Hubble Telescope, HUT) 升空進(jìn)入地球軌道。12. xx年對(duì)第一類超新星 (type I supernova) 的觀測(cè)證實(shí)宇宙正在加速膨脹之中。13. xx年Microwave Anisotropy Probe (MAP) 升空進(jìn)入地球軌道。14. xx年臺(tái)灣Anisotropy Microwave Background Interferometer Baseline Array (AMIBA) 的原型望遠(yuǎn)鏡即將正式運(yùn)作。其它大型計(jì)劃亦是箭在弦上。年代的宇宙觀20世紀(jì)人類有三大創(chuàng)舉，除了高得 (Godel) 的不完整理論 (inplete theory, 1931發(fā)表)，少有人注意到之外，一般物理學(xué)家都耳熟能詳?shù)?，就是量子力學(xué) (Quantum mechanics, QM) 及廣義相對(duì)論了，而廣義相對(duì)論的重要性與影響的深遠(yuǎn)，更遠(yuǎn)在量子力學(xué)之上。然而，頗令人不可思議的是：廣義相對(duì)論并沒(méi)有在大學(xué)課程的安排上，受到量子力學(xué)般必修的待遇，這其中的緣由實(shí)在值得我們重新思考。人類文明史的發(fā)展與夜觀天象這回事，密不可分。不論東方或西方的天文記載，早在文字一出現(xiàn)就有脈落可循。隨后較大的突破，始于400年前的伽利略，他不但確立以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的劃時(shí)代作風(fēng)，宣告物理學(xué)的誕生，他還有一項(xiàng)發(fā)明，就是望遠(yuǎn)鏡。這項(xiàng)發(fā)明，幫助天文觀測(cè)以及理論更上層樓。當(dāng)然，古典的重力理論隨后由牛頓創(chuàng)立，在愛(ài)因斯坦之前的古典天文史，也算頗有年代了。然而，你可能不知道，我們今天所認(rèn)識(shí)的宇宙，是在20年代末，才由哈伯在加州威爾森山的觀測(cè)，確立我們現(xiàn)在所熟悉的宇宙及演化模型。還有星星的演化流程與機(jī)制，也是在60年代，理論高能物理有了重大突破以后，才逐漸形成今天廣為眾人接受的大霹厘說(shuō)今天的樣貌。也就是說(shuō)，你如果活在20年代，你大概會(huì)被當(dāng)代大師的宇宙觀嚇一大跳！由于90年以前天文觀測(cè)的誤差相當(dāng)令人難以接受，致使天文與物理之間，如同同床異夢(mèng)，貌合神離，間而阻礙了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。但是天文觀測(cè)在90年后，由于大量使用新一代電子儀器與借助人造衛(wèi)星、熱汽球與無(wú)線電天文望遠(yuǎn)干涉儀等新儀器，加上低溫物理的進(jìn)展，還有寬帶高頻儀器的發(fā)展，使得天文觀測(cè)的可信度與精確度大大提高，使得天文觀測(cè)與90年之前有如天地之別，天文物理正式發(fā)展成一門可信度相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)物理。這期間廣義相對(duì)論和一般物理的難度與復(fù)雜度有段距離，使得一般物理學(xué)家在缺乏相關(guān)訓(xùn)練下，有點(diǎn)難以就手，實(shí)在有點(diǎn)令人遺憾。所幸，物理一向有多樣的面貌，有些事情，你大可不用廣義相對(duì)論，把牛頓的東西搬出來(lái)，稍加修飾，也可說(shuō)得好像那么一回事。舉例來(lái)說(shuō)由于宇宙因?yàn)槭蔷鶆?、沒(méi)有方向性的 (homogeneous and isotropic) 所以可得其測(cè)度度規(guī) (metric) 可化簡(jiǎn)成其中可以看成宇宙半徑，分別表示封閉、平直與開(kāi)放的宇宙。這三類的空間我們稱為福里曼羅柏生窩可空間Friedmann-Robertson-Walker (FRW) space。若用牛頓力學(xué)可得；其中為一個(gè)宇宙中某待測(cè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，T為其動(dòng)能，U為其重力位能，為宇宙平均能量密度。如果 為臨界能量密度(critical density)，使得E=，意即宇宙形成束縛態(tài)(bound state)的密度，則可得 其中為哈伯常數(shù)(Hubble constant)，而現(xiàn)在（即 lightyear光年），所以可知，約為每立方公尺有3個(gè)質(zhì)子。事實(shí)上，上面的公式不應(yīng)該用上面這種錯(cuò)誤的方法導(dǎo)出，應(yīng)該遵循廣義相對(duì)論的原理，直接解愛(ài)因斯坦方程式求解。雖然我們沒(méi)辦法在這里詳細(xì)交代廣義相對(duì)論的原理，但是這個(gè)方程式，事實(shí)上正好是在FRW空間下的愛(ài)因斯坦方程式。雖然導(dǎo)出方法大不相同，這樣的巧合戲劇性地說(shuō)明了物理多樣性的一面！2.宇宙學(xué)的新進(jìn)展年代的宇宙觀宇宙演化I think it is fair to say that no one understands the quantum theory. Feynman1929年，哈伯確定宇宙正在以約為常數(shù)的速率膨脹之中。反推回去，則可推知宇宙在演化早期，應(yīng)該是非常擁擠，非常炙熱的世界，再加上Penzias 及Wilson在1965年意外地發(fā)現(xiàn)宇宙2.735K背景輻射，不但是均勻的，而且沒(méi)有方向性。這意謂我們的宇宙，在早期就已經(jīng)充份地達(dá)到熱平衡。但是由現(xiàn)今宇宙的大小，依目前膨脹速率倒過(guò)來(lái)推算回去，我們發(fā)現(xiàn)早期宇宙依然太大，無(wú)法有效完成熱平衡，進(jìn)而造成今天高度均勻、無(wú)向的宇宙背景輻射。因此1980年MIT的Alan Guth提出暴脹宇宙 (inflationary universe) 的機(jī)制，相當(dāng)程度地解決了宇宙霹靂說(shuō) (big bang model) 所留下的缺口。于是我們?cè)?0年代成功的粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的聲援下，有了以下的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型 (standard model)：宇宙演化大事隨紀(jì)宇宙起始于很小的奇點(diǎn)，然后一聲BANG！宇宙開(kāi)始全方位膨脹，啟動(dòng)時(shí)間簡(jiǎn)史。隨后在10-43至10-34秒之間，宇宙進(jìn)行暴脹。宇宙的半徑約從10-25cm膨脹到相當(dāng)于一粒米的大小，宇宙的溫度則由1019Gev (相當(dāng)于1032K) 經(jīng)由一番曲折的歷程在此一瞬間降到1014Gev(1027K)。之后由粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型接管，進(jìn)行溫博格在宇宙前三分鐘那本書(shū)中所描述的物理。約30萬(wàn)年時(shí)，宇宙由輻射為主 (Radiation Dominate, RD) 的時(shí)期，轉(zhuǎn)成以物質(zhì)為主 (Matter Dominate, MD) 的時(shí)期。當(dāng)時(shí)光子的溫度約為3000K，歷經(jīng)宇宙膨脹冷卻而殘留我們今天所觀測(cè)到的2.735K宇宙背景輻射。自從Guth提出的宇宙暴脹模型，相當(dāng)多物理學(xué)家開(kāi)始接受霹靂說(shuō)，并藉由逐漸成熟的粒子場(chǎng)論模型，物理學(xué)家開(kāi)始對(duì)相關(guān)的CMB深入探討。這期間物理界有三大盛事，人稱三個(gè)超事件。一是1984年超弦理論 (superstring) 死而復(fù)活，其二是1986發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)，最后是1987人類第一次有計(jì)劃觀測(cè)超新星 1987A的爆發(fā)歷程。這三件大事，都相當(dāng)程度地影響整個(gè)物理界的進(jìn)展。超弦理論的成功，使得更多的物理學(xué)家開(kāi)始接受高維度空間存在的可能性，高溫超導(dǎo)當(dāng)然是當(dāng)年一件大事，雖然是高溫超導(dǎo)的夢(mèng)想尚待實(shí)現(xiàn)，卻使得原先設(shè)計(jì)的美國(guó)超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)因可能的夢(mèng)想而稍有停滯，最后導(dǎo)致停建。這兩件事相當(dāng)程度的使得高能物理學(xué)家轉(zhuǎn)而關(guān)注宇宙這個(gè)窮人加速器，而大量人力物力的投入，也使得這十年間的宇宙學(xué)，不但在理論上更臻成熟，也使得90年代相關(guān)的天文衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)、大尺度的天文觀測(cè)站、熱汽球?qū)嶒?yàn)、航天飛機(jī)實(shí)驗(yàn)等等，逐漸變?yōu)榭赡?。觀測(cè)超新星 1987A的爆發(fā)歷程，不但驗(yàn)證相關(guān)粒子物理模型與天體演化歷程的可信度，更提供我們對(duì)距離測(cè)量與宇宙實(shí)際密度的相關(guān)線索?？偠灾?，宇宙學(xué)在80年代中期，已經(jīng)成為一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撐锢韺W(xué)，物理學(xué)家對(duì)宇宙的演化已有相當(dāng)程度的掌握。因?yàn)閷?duì)觀測(cè)的種種殷望，在物理學(xué)家共同的需要下，相關(guān)的計(jì)算機(jī)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與精密工業(yè)的配合下，加上太空觀測(cè)在NASA的努力與支持下，逐漸使得精密測(cè)量變?yōu)榭尚?。物理學(xué)家開(kāi)始進(jìn)行地面與高空，甚至太空的觀測(cè)站設(shè)置，展開(kāi)不同波長(zhǎng)，可見(jiàn)與不可見(jiàn)光的各式觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，試圖突破距離與大氣層對(duì)我們所造成的種種限制。因此80年代像是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，而90年代則正式成為實(shí)驗(yàn)的年代。由于欠缺實(shí)驗(yàn)的左證，80年代物理學(xué)家的宇宙觀非常開(kāi)闊。不論甚么維度的時(shí)空，不論如何復(fù)雜的機(jī)制，都有人相信，宇宙學(xué)不但天馬行空，而且波瀾壯闊，就人類思考行為而言，這真是一個(gè)百家齊放，百家爭(zhēng)鳴的文藝復(fù)興時(shí)期。年代的宇宙觀在眾人殷切的期盼下，宇宙相關(guān)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)在90年代陸續(xù)上線。愛(ài)因斯坦最美麗的錯(cuò)誤-宇宙常數(shù)1915年人類還相信宇宙是靜止的，愛(ài)因斯坦為了解釋宇宙為何是靜止的，必須引入一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，提供一個(gè)反制宇宙里所有可見(jiàn)星體受重力內(nèi)塌的排斥力，才有辦法用他用廣義相對(duì)論推導(dǎo)而得的愛(ài)因斯坦方程式自圓其說(shuō)。事后物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)有其它靜止宇宙的解，甚而隨后又發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜止，因此愛(ài)因斯坦曾針對(duì)他引進(jìn)的宇宙常數(shù)發(fā)表評(píng)論說(shuō)：宇宙常數(shù)是他一生所犯下的最大錯(cuò)誤。事實(shí)上，直到xx年之前的物理學(xué)家認(rèn)為宇宙常數(shù)幾近于零，但是所有的場(chǎng)論理論都預(yù)測(cè)一個(gè)很大的宇宙常數(shù)，這個(gè)難解的問(wèn)題史稱宇宙常數(shù)難題。雖然超弦理論一度讓人們以為我們可以找到量子重力場(chǎng)論，進(jìn)而解開(kāi)量子宇宙的迷團(tuán)，順帶解決宇宙常數(shù)問(wèn)題，然而過(guò)了近二十年，我們的夢(mèng)想依然遙遠(yuǎn)。由于問(wèn)題無(wú)法理解，人稱宇宙常數(shù)是愛(ài)因斯坦最美麗的錯(cuò)誤。尾大不掉的星系與暗物質(zhì)觀察我們銀河系就可以發(fā)現(xiàn)，銀河系外圍的恒星，其繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的速度，并沒(méi)有隨距離銀河中心的距離增加而減慢，反而接近常數(shù)值。強(qiáng)大的離心力，需要比銀河系可見(jiàn)恒星總值量大約100倍的總質(zhì)量，才有辦法把銀河系邊緣恒星留住。這些不發(fā)光的物質(zhì)，史稱暗物質(zhì)。為甚么有這么多暗物質(zhì)，還有暗物質(zhì)到底是甚么東西，一直受到物理學(xué)家的注意，史稱暗物質(zhì)問(wèn)題。直到現(xiàn)在我們?nèi)圆磺宄楹斡钪娲蟛糠菽芰慷疾皇且钥梢?jiàn)的物質(zhì)型態(tài)存在。物理學(xué)家正在推測(cè)各種可能的黑暗物質(zhì)，期盼觀測(cè)實(shí)驗(yàn)或高能實(shí)驗(yàn)?zāi)芙o我們一個(gè)明確的答案。同時(shí)，物理學(xué)家一直相信宇宙雖然在持續(xù)膨脹之中，但是一直相信宇宙總質(zhì)量小于但接近臨界質(zhì)量，一直忽略宇宙常數(shù)項(xiàng)的影響。但是到了xx年，兩組分別由位于美國(guó)勞倫斯柏克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的 Saul Permutter博士所主持的超新星宇宙學(xué)計(jì)劃 (supernova cosmology project) 與澳洲斯壯羅山天文臺(tái)(Mt. Stromlo observatory) Brian Schmidt博士所主持的高紅位移超新星搜尋組 (High-Z supernova search team)，以第一類超新星 (type Ia supernova) 為觀測(cè)目標(biāo)，得到的數(shù)據(jù)證實(shí)宇宙正在加速膨脹之中。加上其它相關(guān)觀測(cè)，物理學(xué)家相信現(xiàn)在宇宙總能量約有四分之三是由宇宙常數(shù)項(xiàng)提供，又稱為暗能量另外四分之一則是以物質(zhì)型態(tài)存在的能量。當(dāng)然絕大多數(shù)的物質(zhì)都是暗物質(zhì)。前面我們有介紹均勻、無(wú)向的宇宙演化方程式，在非臨界質(zhì)量時(shí)為其中的就是愛(ài)因斯坦加上的宇宙常數(shù)。把這個(gè)方程式稍微微分，再加減整理一下，就可得：)其中p為流體的壓力密度，和流體能量密度的關(guān)系由能量守恒定律來(lái)決定。物理學(xué)家就是靠這些方程式來(lái)決定物質(zhì)含量比率與暗能量的比率。xx年與及最近這一、兩年的發(fā)現(xiàn)，使得我們的宇宙觀有了很大的轉(zhuǎn)變。人們開(kāi)始關(guān)心，宇宙常數(shù)為何這么大？宇宙常數(shù)和物質(zhì)之間的比率又為何這么接近？有趣的是，如果宇宙持續(xù)這樣子加速膨脹，數(shù)十億年后，其它恒星都將因離我們太遠(yuǎn)，甚而落在視線之外。因此，當(dāng)我們仰望夜空，暗無(wú)星光的月夜，將是何等的孤寂。前面說(shuō)過(guò)，現(xiàn)在的天文觀測(cè)由于大量使用新一代電子儀器并借助人造衛(wèi)星、熱汽球與無(wú)線電天文望遠(yuǎn)干涉儀等新儀器，加上低溫、寬帶、高頻儀器的發(fā)展，使得天文觀測(cè)的可信度與精確度大大提高，幾個(gè)大型計(jì)劃也正如火如荼的陸續(xù)展開(kāi)之中。在未來(lái)十年內(nèi)，陸續(xù)獲得的數(shù)據(jù)與信息，將使我們更精確地了解與掌握宇宙的過(guò)去與未來(lái)可能的演化方向，讓我們下一個(gè)世紀(jì)的研究方向更加明朗化。當(dāng)然，哥倫布當(dāng)年橫跨大西洋，目標(biāo)是印度、中國(guó)，卻意外的發(fā)現(xiàn)美洲新大陸。同樣的，過(guò)往我們投資的許多大型實(shí)驗(yàn)，也如同哥倫布的發(fā)現(xiàn)之旅一樣，幾乎沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)?zāi)馨丛ㄓ?jì)劃完成。然而原先的設(shè)計(jì)，卻也常有意外發(fā)現(xiàn)。只要各種計(jì)劃持續(xù)的進(jìn)行，龐大的研究人力也能持續(xù)的投入，人類的宇宙拓荒之旅，一定一樣神速無(wú)比，也一定一樣一路充滿驚人的喜悅?；赜^20世紀(jì)初物理學(xué)家所處充滿變化的環(huán)境，似乎是本世紀(jì)初的回影。在這個(gè)充滿挑戰(zhàn)與喜悅的年代，從事宇宙、物理研究的物理學(xué)家，比任何時(shí)代的物理學(xué)家更加幸運(yùn)，不但可以見(jiàn)證物理快速的成長(zhǎng)，還將見(jiàn)證大尺度、浩瀚宇宙的神秘面紗在我們面前一點(diǎn)一點(diǎn)地揭開(kāi)。物理學(xué)家過(guò)去這幾年開(kāi)始協(xié)助科幻電影的制作，物理本身的發(fā)展也充滿幻象萬(wàn)千的科幻情節(jié)。說(shuō)不定幾年后一、兩個(gè)重要的突破，可以讓我們的宇宙觀有全然不同的樣貌，讓我們驚贊不已！年輕的朋友們，想要又high又炫的人生嗎？宇宙之船即將開(kāi)航，心動(dòng)就要馬上行動(dòng)！課余作業(yè)完成練習(xí)題目。課下閱讀課本相關(guān)內(nèi)容