PHYS2013的學(xué)習(xí)以初中物理和第一學(xué)期的中級物理為基礎(chǔ)，介紹宇宙學(xué)(宇宙的結(jié)構(gòu)和演化)和狹義相對論(高速時的空間和時間)。實(shí)踐：實(shí)驗物理作為一個實(shí)驗單元進(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。評估基于對每個實(shí)驗的掌握程度。學(xué)期結(jié)束時，學(xué)生可以小組合作完成一個項目。學(xué)生將就其項目或一項實(shí)驗準(zhǔn)備書面報告和口頭報告。

一、什么是狹義相對論?

阿爾伯特·愛因斯坦的特殊相對論理論是關(guān)于對象速度變化如何影響時間、空間和質(zhì)量測量的解釋。有助于建立電磁學(xué)理論的實(shí)驗顯示，在電磁場中的波動(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。這個唯一的速度極限恰好也是無論觀察者的運(yùn)動速度如何，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。

速度如何影響時間和空間?

艾薩克·牛頓的三大運(yùn)動定律描述了力、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，他們的雜耍球會以緩慢而穩(wěn)定的速度上下運(yùn)動。另一方面，乘坐另一輛飛馳的火車的乘客則會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，無論誰在觀察，它們只能以相同的速度移動。坐在雜耍者旁邊的乘客也會看到這些球以光速上下運(yùn)動。坐在飛馳的火車上的人也會看到它們以完全相同的速度移動，盡管火車的速度有差異。

對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間和空間視為相對因素。根據(jù)特殊相對論理論，隨著加速度變得極快，時間和距離之間的比較會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，是因為有多條不同的證據(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)。

大爆炸后的最早時刻仍然是個謎。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，尋找任何可觀測的痕跡，以及測試替代可能性。

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穩(wěn)定的原子，宇宙變得透明。從這個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)容的相對量，以及后來產(chǎn)生星系的密度波動。

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，因為最早的恒星太暗，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形成之前橫掃整個宇宙。宇宙學(xué)家研究大尺度結(jié)構(gòu)和BAO，以測量宇宙膨脹的速度，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)的一個重大挑戰(zhàn)。

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