爱因斯坦与霍金的宇宙 作业题目与答案

1、解释链式反应 (30.0分)

题目要求：解释链式反应

核反应产物之一又引起同类核反应继续发生、并逐代延续进行下去的过程。链式反应指核物理中，核反应产物之一又引起同类核反应继续发生、并逐代延续进行下去的过程。

铀核吸收一个中子以后，按30多种不同的方式发生裂变，生成的碎片又发生一系列的β衰变，因此，一共产生30多种元素的近300种同位素。难怪费米、伊伦·居里、哈恩等当时第一流的科

学家都被这种现象迷惑了那么长的时间。核裂变时，绝大部分是不对称裂变，对称裂变的几率是很小的(质量数118附近)。这种不对称裂变，在裂变现象发现后不久就通过各种实验方法得到确

证，但是在核理论已经取得巨大进展的今天，这种不对称裂变的原因，依然是一个谜。

2、解释相对论性量子理论。 (30.0分)

题目要求：解释相对论性量子理论。

1930年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电

子，同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入

电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，

这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正

能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态

的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-e，所具有的能量相当于或大于一个

电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一

个带电荷为+e的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子”，即正电子。狄拉克的理论预言了正电子的存在。1932年美国物理学家安德森（Carl David Anderson）在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正

电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实。正电子的发现表明对于电子来说，正负电

荷还是具有对称性的。狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念，正电子是电子的反粒子。

3、简述广义相对论。 (40.0分)

题目要求：简述广义相对论。

广义相对论的三大验证

水星近日点进动、光线在引力场中弯曲（引力透镜）、星系谱线红移。

在广义相对论中，物体在四维时空中总是沿着测地线运动，测地线也就是在四维时空中，两点间最短路径。光线也必须遵循测地线。这些测地线，对应于三维空间中的直线。

几何平面是二维平坦空间的一个例子，在它上面的测地线是直线，那么地球这样的球体表面，其实可以看做是一个二维的弯曲空间，你可以想象把一张纸卷起来的样子，那么原本在这张纸上的直线，随着纸被卷起，也变得弯曲了。那么我们也就不难想象，其实地球并不一定是在沿着曲线轨道运动，有可能是在直线运动，只不过时空弯曲了，才显得地球的运动轨道弯曲了，而事实确实如此！太阳的质量弯曲时空，使得地球虽然在四维空间中遵循笔直路径，但我们在三维空间中看去，它却是沿着几乎圆周的轨道运动。

爱因斯坦的相对论所预言的行星轨道要比牛顿引力论准确，尤其在水星轨道问题上，牛顿的引力论得到的轨道跟实际观测误差很大，而观测与爱因斯坦相对论得到的结果却是一致的。狭义相对论告诉我们，对于相对运动的观察者们，时间推移得不一样；广义相对论告诉我们，

对于在一个引力场中不同高度的观察者，时间推移得不一样。

1、简述对黑洞的早期认识。(30.0分)

题目要求：简述对黑洞的早期认识。

在课程视频的第二十二集里，开始介绍有关黑洞的理论。1796年，法国数家家、天文学家拉普拉斯就预言：“一个密度如地球而直径为250个太阳的发光恒星，由于其引力的作用，将不允许任何光线离开它。由于这个原因，宇宙中最大的发光天体却不会被我们看见”。由于拉普拉斯是用牛顿的万有引力算出这个结果的，所以数值结果是错误的

1915年，爱因斯坦的广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而使他们“弯曲”。

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild，1873～1916年）通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名为“黑洞”。

一般说的黑洞半径，是指它的引力半径，或称史瓦西半径。它并不等于黑洞的其实表面，而只表示视线无法进入的范围而已。

1975年霍金（Hawking）发表了一个令人震惊的结论：如果将量子理论加入进来，黑洞好像不是十分黑！相反，它们会轻微地发出“霍金辐射”之光。当然引出了黑洞蒸发现象。

其实，对于黑洞的早期认识各个学派各有自己的见解，一直到现在，科学界中，各种各样的黑洞模型在火热讨论中。

首先要搞懂，关于黑洞理论都是人类一些浅薄的意识，由于宇宙中已知存在的黑洞离地球也有数亿光年，所以人类只能用望远镜观察，然后加以推断，猜想（我们知道数亿光年之外的事物传到地球需要数亿年，所以观察到的天体也是数亿年前的）。这些理论永远无法证实，也就是说这种推断人人都会，猜想人人都会，只是技术含量不一样，即使技术含量再高，他猜10次能中两次就很了不起了，我们知道霍金，她老人家是口不能言，腿不能走的残疾人，坐在轮椅上想了半辈子写了《时间简史》至于其中的技术含量鄙人不敢恭维。ta 们怎么说你就怎么听好了。

黑洞的形成：

我们通常认为，黑洞是由恒星燃尽而形成的，比如说，如果太阳变成黑洞的话，必需有以下过程：

我们知道太阳是由氢转化成核能来燃烧的，但终究会燃尽所有能量，这个时候太阳会变成不在发光，不活泼的物质，我们成它为白矮星，白矮星会不断的收缩，密度越来越大，当太阳的直径达到1500米的时候，它就形成了一个黑洞，这个时候它的质量是：每立方厘米200亿吨。当然有学者认为太阳质量的恒星不足以形成黑洞，但是这个理论无法被证.

关于黑洞：

我们知道引力是由物质产生的，密度越大引力越大，黑洞的引力大到什么程度，当外界物质接近它的区域后，会被迅速吸引，并且完全分解。这个分解过程大约是万分之一秒。

近年来科学家通过哈博望远镜发现越来越多的黑洞，但是研究它是很有难度的，由于人类释放出的咖吗射线和阿尔法射线均无法折回，被人类认为是其光线被完全吸收，所以认为光线无法逃出，从而看它不到，即便是用咖吗射线的望远镜拍出来的照片也是一片空白，但是周围的星体把他明显的衬托出来了，这一片看不到的东西就是黑洞。

二○○四年二月十九日，一个由国际天文学家组成的研究组向公众展示了黑洞吞噬一个恒星的照片，图片上的景象非常壮观。科学家说，这颗“倒霉”的恒星在飞进一个黑洞时，在黑洞巨大的引力作用下变形，被肢解和被黑洞部分地吞没了。这个黑洞位于RXJ1242-11星系中心，整个星系绕它而转。距地球七亿光年。这个黑洞的质量是太阳的一亿倍。

可以这么认为，卫星绕行星而转，行星绕恒星而转，恒星绕大恒星而转，组成了星系，那么星系绕黑洞而转，可见黑洞的质量确实让人惊呆。

整个宇宙呈旋涡型星盘，我们的太阳系属于银河系，而银河系又属于河外星系，而河外星系属于另一个河外星系，另一个河外星系围绕着一个空心旋转，这个空心是个黑洞，宇宙中一切的星系都围绕它转，他的质量大约是太阳的100万亿倍，他每天吞唔600个太阳大小的星体。这个黑洞被许多科学家认为是宇宙的中心。

这个中心到底是怎么一会事，人类的智慧无从回答，也许它是另外一个宇宙。打字很累的，你你也知道，不多说了

2、简述广义相对论。(40.0分)

题目要求：简述广义相对论。

广义相对论（General Relativity?），是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。简单地说，广义相对论的两个基本原理是：一，等效原理：引力与惯性力等效；二，广义相对性原理：所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。

代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立的。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。

从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题

3、简述海洋文明与大河文明。(30.0分)

题目要求：简述海洋文明与大河文明。

在赵老师的视频中，前部分（第一集到第五集）主要是介绍了古希腊的哲学与科学的发展，其实，这些发展本身就体现了海洋文明的特点。而视频后部分主要介绍了中华文明，其特点就是在大河流域发展起来的，正是大河文明的体现。赵老师通过对比分析这两个文明的特点与各自的光辉，来分析了海洋文明与大河文明的特点。讲的惟妙惟肖。具体如下：

下面就是海洋文明也大河文明的特点，通过对比我们发现：

1.海洋文明有其开放性，而大河文明则是封闭的

2.海洋文明过家代表是古希腊，而大河文明的代表是古代中国，她们都是文明古国

3.海洋文明和大河文明都是非常的古老，而不是一楼网友所说的

4.在一定情况下，两种文明可以相互转化

河文明特征：

地理位置：大河流域及其封闭性

经济：农耕经济

政治：村落社会与中央集权国家

文化：具有独特地域特征的文化参考资料：