从爱因斯坦到霍金的宇宙论文

从爱因斯坦到霍金的宇宙

姓名：赵悦安学号：2013138222 专业：新能源1311

指导老师：夏清华

听课笔记：

第一讲

布朗克认为，热辐射从原子射出来的时候是一份一份的，吸收的时候也是一份一份的，但是在脱离原子在空气中传播时却是连续的。5年后，德国《物理年鉴》收到了爱因斯坦的文章说辐射在脱离了原子在空气中也是一份一份的。因为爱因斯坦在研究光电效应做出的贡献，获得了诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦在德国的中学时代比较悲催，因为他是犹太人也因为他太聪明，导致学校老师都不喜欢他。但是在瑞士的阿劳中学，充分的自由给了爱因斯坦思考问题的空间，相对论也就是在那时候开始孕育的。

大学时的爱因斯坦不爱听老师的课，喜欢做实验，考试之前看同学的笔记才过关。毕业后又找不到工作，婚姻也不受父母同意。

1902年在同学的帮助下进了专利局工作，正是因为专利局轻松的工作环境使得爱因斯坦在今后的时间里有充分的环境去思考问题，发表了一系列的论文。

第二讲

上帝说：“让牛顿去吧！”，于是一切变的光明。但不久，魔鬼说：”让爱因斯坦去吧！”，于是一切又回到了黑暗。

狭义相对论的困难：1.惯性系无法定义 2.万有引力定律纳不进相对论体系的框架。

等效原理：引力场和惯性场是等效的、

所有的创新都不是逻辑推倒出来的，而是猜出来的。

黎曼几何：球面几何，过直线外一点引不出一条平行线。

万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现。行星绕日运动是惯性运动（伽利略的“错误”）。地球上的自由落体运动就是惯性运动。时空弯曲的地方时钟会变慢。太阳上的钟变慢，所以太阳上氢光谱的频率减小波长增大，光谱线会向红段移动。

第三讲

太阳到白矮星到中子星最后到黑洞，半径减小，密度变大。

白矮星的形成：主序星（100亿年，中心1500万度，H-He）——红巨星（外层H-He，膨胀）——白矮星（内核收缩，温度达1亿度，氦闪！）。

中子星的预言：朗道（1932），几乎与钱德拉塞卡同时指出，白矮星有质量上限，结论相似）。

宇宙监督假设：存在一位宇宙监督，他禁止裸奇异的出现！

无毛定理：黑洞失去了M,J,Q之外的全部信息。

第四讲霍金与黑洞

霍金1942年生于牛津，大学毕业时进行性肌肉萎缩，投考霍伊尔研究生未果，后跟Sciama。研究了霍伊尔的稳衡态模型后，发现其中一个系数是无穷大，就彻底推翻了这个模型，大爆炸理论占据了上风。

他对黑洞研究的贡献：奇性定理（1970），面积定理（1972），霍金辐射（1974），对信息疑难的探讨（1997-2004）

对宇宙研究的贡献：推翻稳衡态宇宙模型，时空隧道与时间机器，虚时的宇宙（无边界宇宙）

黑洞里面的时间与半径坐标互换，时间一直朝里，奇点就是时间结束的地方。

第五讲膨胀的宇宙

四方上下为宇，古往来今为宙。

宇宙的结构：太阳系-1光年，星系-105光年，星系团-107光年，观测表明：在比108光年更大的尺度，宇宙是均匀各向同性。

对火球模型的支持：星系红移（哈勃定律），氦丰度，3K微波背景辐射（1964年，彭齐亚斯，威尔逊）。

宇宙的未来：无限无边的膨胀宇宙（k<=0），有限无边的脉动宇宙（k>0）。

对Ia型超新星的观测表明，宇宙已经从减速膨胀变为加速膨胀。

暗物质是透明的，不参加电磁作用，暗物质使膨胀减速，暗能量使膨胀加速。暗物质成团分布，吸引效应。暗能量均匀分布，排斥效应。冷暗物质占宇宙质量的29%，动力学暗能量占65%。

第六讲时空隧道与时间机器

宇宙学红移不是多普勒效应，而是空间膨胀效应，其红移量不同于多普勒效应。

多普勒效应是光源在空间中运动造成的，宇宙学红移则是空间本身膨胀造成的。多普勒效应中，光源发出的光各向异性：空间膨胀效应中，光源发出的光各向同性。空间膨胀效应中，光在离开光源时波长不变，传播过程中，波长被空间膨胀逐渐拉长，发生变化。我们能看到以超光速退行的星系。宇宙中自身的东西没有膨胀。

虫洞是连接不同宇宙的管道，或连接同一宇宙不同部位的手柄。洛仑兹虫洞：前往其他宇宙，前往本宇宙远方的捷径。欧几里德虫洞：前往未来、过去。

第七讲原子物理学的发展

元素周期律：纽兰兹的八音律，门捷列夫周期律（1869年）。

1885年发现光谱线，1895年发现伦琴射线，1896年贝克勒耳发现天然放射，1898年居里夫妇发现镭与钋，1897年汤姆孙发现电子。

原子模型：1904年，汤姆逊的西瓜模型可解释周期律，但不能解释光谱线，长冈半太郎的土星模型可解释光谱线，但不能解释周期律。1913年波尔模型提出了轨道量子化。1925年，泡利不相容原理比较清楚地解释了周期律。

矩阵力学，海森堡的思想，重要的不是轨道，而是轨道间的关系，A*B不等于B*A （1924年海森堡创造的一套符号）。

粒子没有轨道，只能知道出现的概率。隧道效应，借用能量，穿越速度可超光速，一种观点认为瞬时穿越。

第八讲比一千个太阳还亮

1931年，约里奥·居里夫妇对未知射线+石蜡的研究发现了质子。

1932年，查德威克发表《中子可能存在》于《自然》，《中子的存在》与《英国皇家学会会刊》。巴斯德：机遇只偏爱有准备的头脑。

1938年，约里奥夫妇用中子轰击铀发现了镧。一年后，哈恩、斯特拉斯曼重复约里奥夫妇的实验，肯定产物是镧与钡。约里奥·居里发现重核里的中子数远远大于质子数，轻核里中子数约等于质子数。

二战爆发，约里奥的建议，费米、玻尔移居美国，西拉德、泰勒、维格纳拜访爱因斯坦，萨克斯转交爱因斯坦的信，1941年12月6日罗斯福启动研制原子弹的工程，第二天珍珠港事件爆发。

第九讲点燃科学的朝霞

中心火——毕达哥拉斯的宇宙，地心说，哥白尼与日心说，伽利略与物理学的开创，伽利略与土星光环。

公元前200多年，阿里斯塔克——最早的日心说。公元前100多年，托勒密的地心说。地心说得到教会支持，统治西方1500年。

哥白尼的日心说的历史背景正是地理大发现的时期，郑和下西洋、哥伦布发现新大陆、达伽马绕过好望角到印度、亚美利哥认识到新大陆不是印度、麦哲伦环球航行。中国的四大发明传入欧洲，印度的十进制和“阿拉伯数字”传入欧洲，十字军东征，从巴格达带回希腊文明。

1543年，哥白尼提出日心说《天体运行论》，并附上“献给最神圣的教皇，保罗三世陛下！”。布鲁诺认为，恒星是遥远的太阳，宇宙是无限的。

“物理学”真正开始于伽利略，他使物理学成为一门“实验的科学”、“测量的科学”。庞加莱：“凡是不能测量的东西都不能算是自然科学。”

第十讲神坛上下的牛顿

年轻的开普勒就支持日心说，还把各个行星的位置与正4、6、8、12、20面体联想起来了。他的老师授权开普勒使用自己的资料，但必须使用日心说，不能使用日心说，观察完1000颗恒星，制定鲁道夫星表，“一定要尊重观测事实”，“希望我没有虚度此生”。

开普勒抓住火星轨道观测与理论的8分偏差，发现了第一定律：行星绕日的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。第二定律：矢径在单位时间内扫过的面积相等（角动量守恒定律）。第三定律：行星绕日运动周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。

1642年1月8日，伽利略逝世。同年圣诞之夜，牛顿出生。18岁时进入剑桥三一学院（上帝、耶稣、圣灵），23岁毕业，遭遇瘟疫，23到25岁在乡下躲避瘟疫（他的丰收年），26岁为卢卡斯讲座教授，30成为皇家学会会员。

万有引力定律的提出：牛顿、胡克、哈雷都知道开普勒第三定律中力与距离的平方成反