高中物理 宇宙热历史概述粒子退耦原子复合过程微波背景辐射大爆炸核合成
高中物理 第4章 从原子核到夸克 4.4 粒子物理与宇宙的
4.4 粒子物理与宇宙的起源[先填空]1.对粒子的认识过程(1)“基本粒子”：知道原子核的组成之后，人们以为电子、质子、中子等是组成物质的最基本的粒子.(2)新粒子的发现①1912年，赫斯证实有射线从宇宙空间射来，之后，许多物理学家对宇宙射线研究发现了一些新粒子.②人们用高能加速器实验，发现了更多的新粒子，如1937年发现μ子，1947年发现了k介子和π介子，此后又发现了子，现在已发现的粒子总数达400多种.2.夸克模型(1)夸克：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.(2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；上夸克、下夸克带的电荷量分别为元电荷的＋23e或－13e.(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷，但人们还无法获得自由的夸克.3.粒子的类型(1)强子：参与强相互作用，包括质子、中子、介子和超子.(2)轻子：不参与强相互作用，包括电子、μ子、τ子以及与之相联系的三种中微子.(3)传递相互作用的粒子：包括传递电磁作用的光子、传递弱相互作用的中间玻色子W±、Z 0，以及传递强相互作用的胶子.4.加速器和粒子物理：粒子物理学研究的工具是高能加速器和粒子探测器.高能加速器是指能使粒子能量达到3×109_eV 以上的加速器.[再判断]1.质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子.(×)2.质子和反质子的电量相同，电性相反.(√)3.按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元.(√) [后思考]1.为什么说基本粒子不基本？【提示】 一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的.2.什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？【提示】 实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子.按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子.[核心点击]1.新粒子的发现及特点(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子.(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子.4.加速器的种类有：(1)回旋加速器，(2)直线加速器，(3)对撞机.1.关于粒子，下列说法正确的是( )A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B.强子中也有不带电的粒子C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位E.超子的质量比质子的质量还大【解析】 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A 错误，B 正确；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e 和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错误，D 正确；超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E 正确.【答案】 BDE2.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出.中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H 的核反应，间接地证实了中微子的存在.(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子( 0＋1e)，即中微子＋11H ―→10n ＋ 0＋1e.可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________.(填写选项前的字母) A.0和0 B.0和1 C.1和0D.1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即 0＋1e ＋ 0－1e ―→2γ.已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg ，反应中产生的每个光子的能量约为________J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________.(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小.【解析】 (1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A 正确.(2)产生的能量是由于质量亏损.两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E ＝Δmc 2，故一个光子的能量为E 2，代入数据得E2＝8.2×10－14J.正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律.(3)物质波的波长为λ＝h p，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p ＝2mE k ，因为m n >m e ，所以p n >p e ，故λn <λe .【答案】 见解析处理新粒子问题的方法核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应熟练地掌握物理知识和物理规律，并灵活应用.[先填空] 1.宇宙的演化宇宙是由一个超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸而开始形成的.大爆炸之后随温度的降低，宇宙物质从密到疏，逐渐形成气态物质、气云、恒星体系，成为今天的宇宙天体.2.恒星的演化(1)形成：大量星际物质逐渐凝聚成星云，大块星云在引力作用下逐渐凝成原恒星. (2)演化①原恒星收缩，温度升高达7×106_K 时，开始氢聚变成氦的热核反应，产生的斥力与引力达到平衡，恒星进入相对稳定阶段，迄今90%的恒星处在该阶段，时间持续约100亿年左右.②随着氢的减少，核反应的能量不足，星体又开始收缩、温度随之上升，温度达到1×108K 时，发生“氦燃烧”形成碳，恒星演化为红巨星.③恒星核能耗尽就进入末期，其形态有白矮星、中子星和黑洞. [再判断]1.目前，太阳内的热核反应主要是氢核聚变为氦核的反应.(√)2.宇观世界和微观世界是彼此孤立的，没有任何相互联系.(×)3.宇宙将一直会膨胀下去.(×)[后思考]物理学家把自然界的力归结为哪几种相互作用？【提示】物理学家已经把自然界多得数不胜数的力，归结为强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用这四种作用.物理学家的进一步追求，就是把这四种各有特色的相互作用再综合在一个统一的理论体系中.[核心点击]1.恒星的诞生2.恒星的稳定期当温度超过107K时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射.辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星核稳定下来.恒星在这一阶段已停留了50亿年.太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段.3.恒星的衰老当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩.这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应.类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素.恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化.当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了.星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大.4.恒星的归宿恒星最终归宿与恒星的质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍～2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞.3.根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )A.夸克B.质子C.轻子D.中子E.胶子【解析】 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A 、C 、E 正确，B 、D 错误.【答案】 ACE4.关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是( ) A.宇宙已经停止演化B.恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定C.当温度达到一定值时，恒星内发生氦聚变，亮度增强D.恒星最终都会演化为黑洞E.恒星最终可能演化为中子星【解析】 目前宇宙的演化仍在进行，A 错.恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B 对.恒星内由氢聚变转变为氦聚变时，亮度增加，C 对.根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，D 错，E 对.【答案】 BCE5.已知从地球上的逃逸速度v ＝2GMR，其中G 、M 、R 分别为万有引力常量、地球的质量和半径 .已知G ＝6.67×10－11N·m 2/kg 2，光速c ＝2.99×108m/s ，逃逸速度大于真空中的光速的天体叫黑洞，设黑洞的质量等于太阳的质量M ＝1.98×1030kg ，求它可能的最大半径.【导学号：67080040】【解析】 由题目所提供的信息可知，任何天体均存在其所对应的逃逸速度v 2，对于黑洞来说，其逃逸速度大于真空中的光速，即v 2>c ，所以R <2GMc2＝2.95 km ，即太阳成为黑洞时的最大半径为2.95 km.【答案】 2.95 km根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期.在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代.继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系.恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞.。
《大爆炸宇宙学》PPT课件
➢ 最终还会合成出少量的7Li和7Be
： ➢ 7Li的产生方式主要有两种
4He3T 7Li
➢
4He3He7Be
7Li与p相碰而部分转回4He
7
Li e
e
➢ 净效果是产生微量的7Li
➢ 铍的净产量则更低 7 Li p4He 4He
40
➢ 原初核合成只产生了元素周期表前三种元素及其同位素，第4和第5号元素也产生了一 点，不能生成6号元素碳及更重的元素
47
➢ 氘核合成开始，即核合成的开始与核子光子数之比η有关 ➢ 因此nn/np的数值与η有关，即核合成的产量与η有关
48
➢ 测量宇宙中各元素的丰度，然后推测出原初氦元素的丰度，就可以确定η的值 ➢ 恒星热核反应会改变各元素的丰度，生成氧、氮、碳等其它元素 ➢ 必须扣除恒星过程的影响 ➢ 天文观测：宇宙中某些气体云中氧、氮和碳的含量比太阳系低很多
理论进行试探性的研究
15
➢ 宇宙早期，各种粒子组份处于热平衡，就象一锅由各种粒子组成的“热汤” ➢ 各种粒子能通过热碰撞进行相互转换 ➢ 宇宙的膨胀，粒子密度和动能都会降低，将导致粒子碰撞次数的减少 ➢ 当某种粒子几乎不再有热碰撞的机会时，它就会退出热平衡，与其它组份失去物理联
系，称之为退耦
16
➢ 宇宙早期,宇宙物质形态以辐射物质为主 ➢ 光子等静质量为0的组份即为辐射物质 ➢ 粒子动能Ek远大于它的静能量E0=M0c2时,该粒子可以看作辐射粒子 ➢ 辐射物质的密度ρ与温度T和时间t的关系：
p e n e
p e n e 43
➢ 这个相互转化的过程非常频繁，使得质子和中子的数密度都满足玻尔兹曼分布 ➢ 由此可得到它们的比例是
Δ ➢ 中子质子质量差: m=mn-mp=1.29MeV
高中物理 宇宙热历史概述粒子退耦原子复合过程微波背景辐射大爆炸核合成
Non-flat Universe
中微子仅贡献很少的一部分暗物质（HDM）
原子复合
宇宙原初元素 H 及 He 为主, 复合过程
H e H , He e He , He e He
这里我们只考虑H 的复合. 当温度 T ~ 104 K, 质子、电子和氢原子 的热力学平衡统计分布满足非相对论 Boltzmann 分布
热平衡 对于一个粒子系统，当粒子间的相互 作用足够频繁时，系统处于热平衡状态。 在膨胀的宇宙中，当粒子间相互作用的时间 尺度短于宇宙膨胀的时间尺度时，热平衡状态 可以维持
n1n2 两体相互作用的频率 这里n1, n2 为两种粒子的数密度 则对于一个“1”类的粒子，它与“2”类粒子 相互作用的时间尺度 3
m 15.5 MeV
宇宙学限制 (e.g., Komatsu et al. 2010) WMAP7+BAO+H0 m 0.58 eV (95%CL)
WMAP7+LRG power spectrum+H0m
0.44 eV
Constraints from Planck
Flat
(without lensing)
gB
mT g 2
3/ 2
m exp T
g* n gB
2
30
T
4
mn
3 nT mn 2
g
*
2
30
T 4, 7 g 8 F
3
3
7 2 2 3 gF T 8 45
nT
g* gB
s
2 2 3 gB T 45
高三物理核聚变粒子和宇宙(课件)
发生聚变的条件:
使原子核间的距离达到10-15m 实现的方法有:
1、用加速器加速原子核； 不经济 ２、把原子核加热到很高的温度；
108～109K 聚变反应又叫热核反应
核聚变的利用——氢弹
弹体
三种炸药：
普通炸药
小 型
普通炸药
爆炸
铀235 外壳
原
子 Ｕ235 裂变
弹
氘、氚、重 氢化钾等
根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:
2 1H3 1H 4 2He0 1n
氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量：mn=1.008665u
m m D m T (m m n )0.0188u8
E m 2 c 0 .01 9 8.3 5 8 M 1 4 eV
A．
B．
C．
D．
核聚变普遍存在于宇宙中
第十九章 原子核 第八节 粒子和宇宙
一、“基本粒子”不基本
1995美国费米国家加速器实验室 证实了顶夸克(Top Quark)的存在
二、发现新的粒子
强子 轻子（共12种） 媒介子
强子分类
分类
粒子名称
介子
、 、 K介子等
自旋 整数
玻色 子
重子
核子 超子
质子、中子及其反粒子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
宙 时 各大 间 处爆 的 同炸 零 时是 点 产在
生无 限 的 宇
五、恒星的演化
粒 子 物 理 和 宇 宙 学 殊 途 同 归
17．(2004天津) 中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个 电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为 r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表 示出各夸克所受静电作用力的是:
物理高三选修知识点总结
物理高三选修知识点总结物理是一门涉及各种物质运动、能量转化和相互作用的学科，是理工类学生必修的科目之一。
在高三的学习中，物理选修课是一个重要的组成部分，它涉及了一些高级的物理知识和概念。
下面是对物理高三选修知识点的总结：1. 电磁感应与电磁波- 麦克斯韦方程组：总结了电磁现象的定律和规律，其中包括高斯定理、法拉第电磁感应定律等。
- 波动光学：讨论了光的干涉、衍射和偏振等现象，以及光的电磁本质和波粒二象性等方面的内容。
- 电磁波：介绍了电磁波的特性、传播和应用等方面的知识，包括电磁波谱和无线电通信等。
2. 热学与统计物理- 热力学定律与循环：包括热力学第一定律、热力学第二定律和卡诺循环等内容。
- 热平衡与热传导：介绍了热平衡的条件、热传导的基本原理和测量方法等方面的知识。
- 统计物理学：讨论了系统的微观状态与宏观性质之间的统计关系，包括玻尔兹曼熵和狄拉克物质统计等。
3. 粒子物理与宇宙学- 基本粒子：介绍了基本粒子的分类、性质和相互作用等内容，包括夸克、轻子、玻色子和费米子等。
- 核物理与放射性衰变：讨论了原子核的结构、核反应和放射性衰变等方面的知识。
- 宇宙学的基本概念：探讨了宇宙的起源、演化和结构等内容，包括宇宙微波背景辐射和宇宙的膨胀等。
4. 量子力学与固体物理- 波粒二象性：介绍了物质的波粒二象性和量子力学的基本原理，包括波函数、薛定谔方程和量子力学中的不确定性原理等。
- 量子力学的应用：讨论了量子力学在原子、分子和凝聚态物理等领域的应用，包括原子能级、电子结构和超导现象等。
- 固体物理学：涉及固体物理的各个方面，包括晶体结构、能带理论和半导体物理等知识。
以上是物理高三选修课中的一些重要知识点的总结。
通过学习这些内容，学生可以进一步加深对物理学的理解，为未来的研究和应用奠定基础。
希望这篇总结对你的学习有所帮助。
高中物理课件-核裂变核聚变粒子和宇宙
直，测得α粒子速度为：2×104m/s，方向与中子速度
方向相同，求：
（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。
（2）生成的新核的速度大小和方向。
（3）若α粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场
中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？
解： （1）写出核反应方程式
6 3
Li
01n
13H 24He
生成的新核是氚核
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解 释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不 多的碎块。弗里斯把这类核反应定名为核裂变。
一、核裂变 铀核裂变的产物是多样的。 一种典型的裂变是：
U 235
92
+
01n
136 54
Xe
+
90 38
Sr
+
10
01n
一、核裂变 2、链式反应 由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一 代继续下去的过程，叫核裂变的链式反应。
（2）由题给条件可求得质量亏损为：
Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u ∴释放的核能为 ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV
、 例2
静止在匀强磁场中的
6 3
Li
原子核，俘获一个
速度为7.7×104 m/s 的中子而发生核反应放出α粒子后
变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂
一、核裂变 STS 原子弹与科学家的责任
一、核裂变 STS 原子弹与科学家的责任
一、核裂变 STS 原子弹与科学家的责任
二、核电站
原子核的链式反应也可以在人工控制下进 行。 在第一个原子弹制成以前，科学家们已经 实现了核能的可控释放。 1942年，费米就主持建立了世界上第一个 称为“核反应堆”的装置，首次通过可控 制的链式反应实现了核能的释放。
宇宙大爆炸理论解析
宇宙大爆炸理论解析宇宙大爆炸理论是关于宇宙起源和演化的一个重要理论。
它提供了对宇宙由无到有、由密到疏、由热到冷的过程的解释。
这一理论的提出不仅影响了天体物理学的发展，也对人类对宇宙起源的认知产生了深远的影响。
1.理论概述宇宙大爆炸理论认为，宇宙在数十亿年前起源于一次巨大的爆炸，从此开始了其演化的历程。
在初始的瞬间，整个宇宙被认为是一个极度炽热、高密度的点状物体，称为“奇点”。
随着时间的推移，宇宙经历了膨胀、冷却和结构形成的过程。
2.爆炸后的宇宙在大爆炸发生后，宇宙开始迅速膨胀，这被称为宇宙膨胀。
温度和密度随着膨胀的进行而逐渐降低，宇宙的物质开始由高能量粒子逐渐转变为原子和分子。
这一过程称为宇宙冷却。
在宇宙初期，大量的氢和少量的氦被合成出来，这种合成被称为原初核合成。
随着时间的推移，宇宙中的物质逐渐形成了星系、星球和其他天体。
3.宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论的一大证据。
根据该理论，大爆炸发生后，宇宙中的物质经历了强烈的辐射，并持续膨胀至今。
这种辐射在宇宙膨胀过程中逐渐冷却，成为目前宇宙中存在的低温辐射。
宇宙微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据。
4.理论证据和进一步研究除了宇宙微波背景辐射，宇宙大爆炸理论还得到了许多观测和实验的支持。
例如，宇宙的膨胀速度、宇宙背景辐射的空间分布以及宇宙的结构形成等方面的观测数据与该理论的预测相吻合。
科学家们还通过模拟实验和理论计算进一步验证了宇宙大爆炸理论的可行性。
然而，宇宙大爆炸理论仍然存在一些未解之谜和争议。
例如，关于宇宙什么时候和如何开始膨胀以及膨胀的原因仍然不太清楚。
宇宙的物质和能量构成的问题也是科学家们关注的焦点。
为了解决这些问题，科学家们正在进行进一步的研究，并提出了一些新的理论和模型来解释宇宙的起源和演化。
宇宙大爆炸理论提供了关于宇宙起源和演化的重要解释。
尽管仍然存在一些未解之谜和争议，这一理论通过观测数据和理论计算得到了广泛的支持。
宇宙的终极命运;热大爆炸和冷凝聚(宇宙的热膨胀)
宇宙的终极命运;热大爆炸和冷凝聚
宇宙的终极命运一直是人类探究的重要课题之一，而热大爆炸和冷凝聚则是关于宇宙演化的两种主要理论。
这些理论试图解释宇宙是如何形成、演化，以及最终可能走向何方。
热大爆炸理论认为，宇宙起源于一个极度高温、高密度的状态，随着时间的推移，宇宙经历了膨胀和冷却的过程。
大约138亿年前，整个宇宙被认为处于极端高温的状态，然后发生了一场剧烈的爆炸，即所谓的“热大爆炸”。
在这一瞬间，宇宙从一个微小的点迅速膨胀，创造出了时间、空间和物质。
随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，原子核和电子开始结合成原子，星体、星系等形成。
然而，热大爆炸并非宇宙的终点，根据当前的观测和理论，宇宙并不会永远持续膨胀下去。
相反，有一种与热大爆炸相对的理论，即“冷凝聚”理论。
据此理论，宇宙可能会在未来某个时刻停止膨胀，然后开始收缩，最终走向一个密度极高、温度极低的状态。
在这种情况下，整个宇宙将逐渐凝聚成一个无法想象的小点，甚至可能再次发生类似热大爆炸的事件，重新循环演化。
对于宇宙的终极命运，科学家们还没有达成一致的共识。
有些人认为宇宙会永远持续膨胀，直到无法观测，而有些人则认为宇宙会经历冷凝聚，最终归于静寂。
无论是哪种情况，宇宙的终极命运都充满了神秘与挑战，激发着人类对宇宙的好奇与探求。
在探究宇宙的终极命运的道路上，科学家们还需继续深入研究，利用先进的技术和观测手段，以期更好地理解宇宙的本质和演化规律。
或许在未来，我们能够揭示宇宙的终极命运，解开这个宇宙之谜，为人类带来更多关于宇宙奥秘的启示。
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mp
c 2 105 g 1019 GeV G
lp
1GeV 1.78271024 g
tp G 1043 s 5 c
对应的长度及时间
hG 33 cm 3 10 c
现有的大爆炸理论(+inflation) 只能够描述
相对论极限：
E p, P /3
非相对论极限： m n,
P nT
早期宇宙玻色、费米混合气体
相对论 玻色 相对论 费米
3 (3) 3 gF T 4 2
7 2 4 gF T 8 30
非相对论
n g* n
(3) 3 T , 2
3 g 4 F
n ρ P
(3) 3 gB T 2
0
~ 105
宇宙早期，当 星系不可能存在
105 0
原子、分子为宇宙演化的产物 考虑氢原子 H 的结合能为 E=13.6 eV 当宇宙的温度接近 E 时，光子的能量分布中 高能光子数目足够多，H 原子被完全电离， 即物质不可能以原子的形式存在 只有当宇宙冷却到温度足够低，物质才能 以原子、分子状态存在
1 / n2 R
另一方面，宇主的宇宙， R则
t ~ R2
可以看出，在宇宙的早期，相互作用的时间 尺度小于宇宙膨胀的时间尺度，热平衡为很好的近似。 不同的粒子其相互作用是不同的。随着宇宙的膨胀， 它们在不同的时期脱离热平衡 退耦
化学元素是宇宙演化的产物
原子核由质子和中子 （统称为核子）组成， 核子的平均结合能为 1 MeV 当宇宙温度 T > 1010 K (1 MeV)时，宇宙中的物质 不可能以原子核的状态存在
宇宙早期，物质只能以基本粒子的状态存在 夸克、轻子、规范粒子 其他的状态是宇宙膨胀、冷却演化的产物
宇宙演化热历史
1 1/ 2 R T t 宇宙膨胀早期辐射为主，
H
则有
T3 H
1 T2 2t
随着宇宙的膨胀，温度的降低，中微子退耦, 退耦温度为 T ~ 1MeV 其后，宇宙间中微子数目不再变化，构成中微子背景
中微子背景温度 中微子退耦温度 T ~ 1MeV, 电子质量 m ~ 0.5MeV 在中微子退耦后，正负电子湮灭
量子引力极限
宇宙极早期，粒子的性质用量子理论所描述。 对于一个质量为 m 的微观粒子，其尺度用de Broglie 波长来表征 l d 其中 h 为 Planck 常数，c 为光速。 另一方面，粒子的Schwarzschild 半径为 ls
2Gm c2
2h mc
当de Broglie 波长小于 Schwarzschild 半径时，量子理论无法在经典 广义相对论的框架下建立，经典物理不再适用 量子引力
~ H
不同的粒子与其他粒子间的相互作用是不同的，因此退耦时间不同
中微子退耦 只参与弱相互作用
ee , e e
GF ~ 105 GeV 2 GF: 弱相互作用Fermi耦合常数
2 5
2 2 相互作用截面 GF T
对于中微子，v=1 （光速），n~T3 ~ GF T
e e
湮灭前
, 系统的熵密度 e
s (e )
s(e )
[ g 2 * (7 / 8) ge ] g
s( )
我们知道 g g 2 e
11 s ( ) 4
正负电子湮灭后，其熵转移至光子中。因此 光子温度 T 较湮灭前 0 有一变化
3 4
3
粒子退耦
考虑一种粒子与其他的粒子的相互作用 假设其相互作用率为 ，即一个粒子单位时间内与其他粒子的碰撞次数
n | v |
n: 靶粒子数密度, σ：相互作用截面,
宇宙在膨胀，膨胀的时间尺度为 t ~
R R
v: 粒子相对速度
H 1
当 t 时，粒子的相互作用足够频繁，其处于热平衡状态。 1 而当 t， 粒子间的相互作用慢于宇宙的膨胀，粒子不再处于热平衡状态 1 粒子退耦 : 退耦时刻
热平衡 对于一个粒子系统，当粒子间的相互 作用足够频繁时，系统处于热平衡状态。 在膨胀的宇宙中，当粒子间相互作用的时间 尺度短于宇宙膨胀的时间尺度时，热平衡状态 可以维持
n1n2 两体相互作用的频率 这里n1, n2 为两种粒子的数密度 则对于一个“1”类的粒子，它与“2”类粒子 相互作用的时间尺度 3
温度随着宇宙膨胀的变化
2 2 3 sg T 45
*
熵守恒
2 2 3 3 R sg T R const T R 1 45
3 *
今天的统计量
T 3 n 422 cm 2.75k T 3 8.09 1034 g cm 2.75k T 3 s 2970 cm 2.75k
gB
mT g 2
3/ 2
m exp T
g* n gB
2
30
T
4
mn
3 nT mn 2
g
*
2
30
T 4, 7 g 8 F
3
3
7 2 2 3 gF T 8 45
nT
g* gB
s
2 2 3 gB T 45
宇宙热历史
概述 粒子退耦 原子复合过程 微波背景辐射 大爆炸核合成
概述
观测事实：宇宙膨胀，微波背景辐射， 宇宙元素丰度（4He) 大爆炸理论 （Gamow 1948） 宇宙在膨胀==〉宇宙早期密度高，温度高
宇宙间万物的产生均是宇宙演化的结果
宇宙中的结构只能在宇宙演 化到一定程度才能产生 星系：今天
t t p 1043 s
的物理过程。
量子引力理论：时空量子化
绝热膨胀
宇宙中不可能存在净能流：违背对称性假设 如果宇宙的膨胀是可逆的 绝热，熵守恒 宇宙中存在着各种不可逆的过程。但是宇宙间总的熵非常大，不 可逆的过程不可能对宇宙的熵有大的影响 宇宙的膨胀可以 近似用绝热膨胀来描述。