《探索宇宙起源之谜》课件

探索宇宙起源之谜欢来场关来迎到一于宇宙起源的奇妙旅程自古以，人类总是仰望星空，思问题来这课将带领这考着一个永恒的宇宙从何而？个件大家深入探索个科伟谜题学史上最大的们将开现现过我从古代哲学家的思辨始，逐步走向代科学的前沿发通了解论胀辐们将开大爆炸理、宇宙膨、微波背景射等重要概念，我一起揭宇宙起纱源的神秘面人类仰望星空的起点1古代神话时期创话试图释世界各文明都有世神，解宇宙起源2古希腊哲学开质哲学家始用理性思考宇宙本3现代科学萌芽观测术技发展推动科学探索开对满论盘开从古代文明始，人类就浩瀚星空充敬畏与好奇无是中国的古还话开创传说现对天辟地，是希腊神中的混沌初，各种世都体了人类宇宙起将这源的深度思考古希腊哲学家更是种思考推向理性高度宇宙起源，科学与哲学的交汇哲学思辨科学探索论讨环说认为历现过观测验验证论本原理探万物根源，无限循假宇宙经周期性变代科学通和实理，提供了更精确的答案科学这为来础们现化些思想后的科学探索奠定了基方法的发展使我能够量化宇宙象论寻观测验证证•本原理找万物根本•实主义方法环说数现•循假宇宙周期性演化•学建模精确描述象关寻论断认•因果系探事物联系•理更新不完善知什么是宇宙起源？基本定义研究范围诞时宇宙起源是指宇宙从无到有、从涵盖宇宙的生刻、早期演简单杂过时结到复的演化程，包括化、构形成以及各种基本粒子质诞产间、空间、物和能量的生和力的生机制重要意义础创帮助人类理解自身在宇宙中的位置，推动基物理学发展，启发科技新和哲学思考最广泛认可的大爆炸理论奇点诞生时间确定普遍接受趋过观测宇宙起源于一个温度和密度都向通多种方法确定，大爆炸发目前科学界最主流的宇宙起源理穷质约这时标论辐无大的奇点，所有物和能量都生在138亿年前，一刻志，得到了微波背景射、宇宙膨这时开胀观测证集中在个无限小的点中着间和空间的始等多重据支持大爆炸的简要过程奇点状态无限小的点包含全部宇宙瞬间爆发剧胀温度达到百亿度的烈膨快速膨胀扩张开空间急速，温度始下降冷却过程胀渐随着膨，宇宙逐冷却传剧胀大爆炸并非统意义上的爆炸，而是空间本身的急膨在最初的瞬间，宇宙的难扩张为续质温度高得以想象，随着空间的，温度和密度都在迅速下降，后的物形成创造了条件大爆炸后的温度与密度变化早期宇宙中的基本粒子质子中子电子带带带负轻正电荷的核不电荷的核电荷的质围绕子，构成原子子，与子共子，原子核的主要成分同形成原子核核运动光子辐电磁射的量传子，递电磁相互作用诞时这在宇宙生的最初刻，只存在最基本的粒子类型些粒子在极高的温度环来杂结础和能量境中相互作用，形成了后宇宙中所有复构的基中微子作为质几乎不与其他物相互作用的粒子，至今仍在宇宙中大量存在元素的诞生原初核合成理论核合成终止氢氦生成进胀质子中子结合随着宇宙一步膨冷却，温度降低到无产氢轻维应过结主要生-2（氘）、氦-

3、氦-4等元法持核反，原初核合成程束，重当时质开氢约约这产诞在宇宙冷却到适温度，子和中子素核占75%，氦占25%，个比元素的生需要等待恒星生结这过始合形成原子核个程发生在大爆例至今仍然是宇宙中元素丰度的基本特关键时炸后几秒到几分钟的期征宇宙微波背景辐射观测证据现证微波特征波长约毫米级，1965年被意外发，实大爆炸遍布整个天空论理余温遗迹温度涨落热辐约结大爆炸留下的射，温度微小的温度差异反映早期宇宙

2.7K构辐论观测证这辐来时当时结宇宙微波背景射是大爆炸理最重要的据之一种射自宇宙变得透明的刻，电子与原子核合形成中性原子，光子得以传这过红现们观测自由播些光子经138亿年的移，在以微波形式被我到宇宙膨胀的证据哈勃观测1现谱红现发星系光移象红移效应远导星系离致光波长增加膨胀证实胀证宇宙整体膨的直接据红应应应当远们时频谱红移效是多普勒效在天体物理学中的用星系离我，其发出的光波长会被拉长，率降低，光向端偏移哈勃的观测现遥远显红远红这证胀系统发，几乎所有星系都示移，且距离越移越大，强有力地明了宇宙的膨哈勃定律与宇宙膨胀第一代恒星与星系的诞生气体云聚集氢开氦气体在引力作用下始聚集，形成原始星云第一代恒星约应开大爆炸后4亿年，第一批恒星点燃核反始发光原始星系约结10亿年后，恒星群聚集形成最早的星系构重元素散布将抛第一代恒星爆炸，重元素撒到宇宙空间中称为们氢质这第一代恒星被第三族星，它只由和氦构成，量极大且寿命很短些应产们将这为恒星的核反生了第一批重元素，它的爆炸些重元素散布到太空中，后续恒星和行星系统的形成提供了必需的材料大尺度宇宙结构的形成宇宙网络结构质现维状络物分布呈纤网模式星系团形成星系在引力作用下聚集成团宇宙空洞质区物稀少的巨大空间域结现层杂单质质宇宙的大尺度构展出惊人的次性和复性从个星系到星系团，再到超星系团和宇宙长城，物在引力和暗物的共同作用壮观状结这结过规过下形成了的网构种构的形成程反映了宇宙演化的基本律和早期微小密度扰动的放大程其他主流宇宙起源理论稳态宇宙理论循环宇宙说认为状态过断创质来维历胀缩环环宇宙在大尺度上保持恒定，通不生新物持提出宇宙经无限次的膨-收循，每次循都是一个完整这论纪论竞这试图问题平衡一理曾在20世中期与大爆炸理激烈争的宇宙生命周期种模型解决奇点质连续创胀缩•物生•周期性膨收问题•宇宙密度恒定•避免奇点时•无明确起点•无限间概念稳态模型不断生成新物质物质创生宇宙膨胀续产氢维扩张空间中持生新的原子持密度空间但总体密度保持不变恒定状态动态平衡创胀释宇宙整体特征保持永恒不变生速率与膨稀达到平衡稳态论为论竞对该论预测时观理由霍伊尔、邦迪和戈尔德在1948年提出，作大爆炸理的主要争手理宇宙在所有间都保持相同的外，辐现计数观测证积稳态论渐但随着微波背景射的发和河外射电源等据的累，理逐失去了科学界的支持宇宙的年龄问题

13.8B

12.8B宇宙年龄最古老星系过测数观测遥远龄通多种方法定的精确值到的最星系年

13.2B球状星团龄银河系中最古老恒星团的年龄测现过观测辐宇宙年的精确定是代宇宙学的重大成就科学家通宇宙微波背景测数龄独结射、量哈勃常、研究最古老恒星的年等多种立方法，得出了一致的果约这数验证论预测为时138亿年个值的确定了大爆炸理的，也理解宇宙演化间尺度提供了基准我们从哪儿来？宇宙中的地球生命的奇迹意识的觉醒历诞为认识地球是宇宙138亿年演化程中的从大爆炸到生命生，需要恰到好人类作宇宙自身的方式，代产缘数环这质组杂现一个特殊物，位于银河系边的处的物理常和境条件，种精表了物织复性的极致表叹一个普通恒星系统中确性令人惊宇宙起源的四大热点理论大爆炸理论开过释胀辐描述宇宙从奇点始的演化程，解了宇宙膨、元素丰度和微波背景射等观测现象原初核合成理论释轻氢锂预测观测结解了元素（、氦、）的形成机制，的元素丰度与果高度吻合膨胀宇宙模型对论质基于广义相的弗里德曼方程，描述了宇宙的几何性和动力学演化多元宇宙假说数们试图释细调节问题提出可能存在无个宇宙，我的宇宙只是其中之一，解精宇宙暴涨理论极短时间⁻⁶⁻发生在大爆炸后10³到10³²秒之间指数膨胀时内⁶空间尺度在极短间增长了10²倍解决平坦性释为匀解了宇宙什么如此均和平坦产生扰动涨结量子落被放大成宇宙构的种子涨论兰论难题这暴理由阿•古斯在1980年提出，解决了经典大爆炸理的几个重要个论预测暂剧胀阶释理在宇宙极早期存在一个短但烈的加速膨段，能够很好地解宇宙的匀观测平坦性、均性和各向同性等特征多元宇宙假说泡泡宇宙人择原理独们观选择每个宇宙如同泡泡，相互立存我察到的宇宙特性源于应在效无限可能科学争议数难验证存在无个具有不同物理定律的以，引发哲学和科学方法论讨论宇宙说们数这论试图释为们多元宇宙假提出了一个令人震撼的可能性我的宇宙可能只是无宇宙中的一个个理解什么我的宇宙具有如此精确的物数杂结质验证这说论理常，使得复构和生命得以存在然而，由于其本上的不可性，一假在科学界引发了激烈的争宇宙演化的关键时刻再电离纪元黑暗时代续数宇宙变得透明但尚无光源，持亿年的黑暗第一缕光开围氢第一代恒星点燃，始照亮周的气再电离辐围恒星射电离周气体，宇宙重新变得透明透明宇宙线传现结开显现光可以自由播，代宇宙构始纪标关键转这时再电离元志着宇宙从黑暗走向光明的折点在个期，第一代恒星的强烈紫辐氢结数时这过为续外射重新电离了宇宙中的气，束了长达亿年的宇宙黑暗代个程后结础的星系形成和宇宙构演化奠定了基星系与恒星的生成机制气云聚集质氢开较区在引力和暗物的共同作用下，气和氦气始在密度高的域聚这诞摇篮集，形成巨大的分子云些云团是恒星生的引力坍缩当质过临时内压开分子云的量超界值，自身引力克服部力，始向中心缩缩过断坍温度和密度在坍程中不升高核反应点燃当约时氢应开中心温度达到1000万度，核聚变反被点燃，恒星始热标颗诞发光发，志着一新恒星的生元素合成理论铁峰元素终产恒星核心聚变的点物重元素合成质碳、氧、硅等中等量元素氦燃烧产氦聚变生碳和氧元素氢燃烧阶氢主序星段的氦聚变内应质则将这抛恒星部的核聚变反是宇宙中重元素的主要工厂不同量的恒星能够合成不同的元素，而超新星爆发些重元素撒到太空中比铁过获过环产更重的元素主要通中子俘程在极端境中生，如中子星合并事件太阳系的形成原始星云尘含有重元素的气体埃云旋转收缩缩盘云团坍形成扁平的原行星太阳诞生区开应中心域形成原太阳始核反行星聚集盘质中物聚集形成行星系统过现层太阳系的形成程体了宇宙演化的次性特征从第一代恒星爆发散布的重元素，围盘这过历到第二代恒星周原行星的形成，再到岩石行星和气体巨行星的分化，个程时数结质组千万年太阳系的构反映了不同距离处温度和物成的差异地球与生命的出现适宜温度磁场保护大气层远场转维稳距离太阳不不近，允地球磁偏有害的宇合适的大气成分持许态线液水存在宙射和太阳风定的气候条件液态水剂生命活动必需的溶和应质反介带这态稳地球位于太阳系的宜居中，个特殊位置使得液水能够在地表定存在还许现当质除了距离因素，地球具备了多其他有利于生命出的条件，包括适的场组这结终导诞量、保护性磁和富含重元素的成些条件的巧妙合最致了生命的进生和化现代天文学研究手段光学望远镜射电望远镜空间探测器观测传观测辐尘进测获可见光波段，是最统也是最直探射电波段射，能够穿透星际埃直接飞往天体行近距离探，取第观测现远镜观测现数图的手段代光学望配备了先到光学波段无法看到的天体象一手的科学据和高分辨率像进测应的CCD探器和自适光学系统远镜测•阿雷西博射电望•旅行者号探器远镜•哈勃太空望•中国天眼FAST•新视野号冥王星任务凯远镜阵诺测•克天文台•射电望列•朱号木星探远镜阵•甚大望列重要观测成果哈勃太空望远镜深空成像场观测数遥远让们哈勃深揭示了十亿光年外的星系，我看到了宇宙早期的模样宇宙膨胀测数胀为龄计关键数精确量了哈勃常，确定了宇宙膨速率，宇宙年算提供了据系外行星现数颗为寻线发并研究了千系外行星，找类地行星和潜在生命提供了重要索4黑洞研究观测围积盘喷现证爱对论预测到黑洞周的吸和流象，实了因斯坦广义相的宇宙微波背景探测与普朗克卫星WMAP宇宙暗物质与暗能量暗物质特征过不发光不吸收光，只通引力相互作用暗能量性质导胀致宇宙加速膨的神秘能量形式探测挑战测谜题至今未被直接探到，是最大的物理学质绝们质谜质为结暗物和暗能量构成了宇宙的大部分，但它的本至今仍是团暗物星系和大尺度构的形成提供了引力脚手架，而暗则开导胀转为这现们对能量在近70亿年前始主宇宙的演化，使膨从减速加速两种神秘成分的发彻底改变了我宇宙的理解宇宙结构的骨架引力与暗物质丝状结构节点汇聚质连维络丝状结汇暗物形成接星系团的巨大纤网构交处形成密集的星系团宇宙空洞引力塑造络结区续这结网构间存在几乎空无一物的巨大引力作用持改变和完善种构域结现状这质质质宇宙的大尺度构呈出惊人的网模式，种宇宙网是由暗物在引力作用下形成的普通物沿着暗物搭建的骨架聚集，终们观测这结现证质预测为线最形成了我到的星系分布种构的发实了冷暗物模型的，理解宇宙演化提供了重要索宇宙模型的不断演变古代宇宙观说圆认阶地心、天地方等朴素知段2近代天文学说础日心、万有引力定律建立科学基3相对论革命爱论为现础因斯坦理代宇宙学奠定基4膨胀宇宙现胀论哈勃发宇宙膨，大爆炸理确立精密宇宙学质现标暗物暗能量发，准模型建立论现认识断话释现观测术进论创现宇宙学理的发展体了人类能力的不提升从古代的神解到代的精密科学，每一次重大突破都伴随着技的步和理框架的新代宇宙学已经成为对过现来预测一门精密科学，能够宇宙的去、在和未做出定量霍金观点没有边界的宇宙无边界假说时没问题宇宙在空中有边界，避免了奇点量子创生过应虚诞宇宙通量子隧穿效从无中生欧几里得时空时时结在想象间中，空具有光滑的几何构自发涌现时为现质间和空间作量子几何的涌性说试图论问题这论认为史蒂芬•霍金提出的无边界假解决大爆炸理中的奇点个理，在量没开时时这观子引力的框架下，宇宙有明确的始刻，空是自包含且有限但无边界的种点为虽议理解宇宙起源提供了全新的视角，然仍有争，但推动了量子宇宙学的发展哥白尼、伽利略与现代宇宙观地心说的终结说论开现这仅哥白尼的日心打破了地球中心，启了代天文学的序幕不观转是科学革命，更是人类宇宙的根本变望远镜的革命远镜观测现卫环伽利略首次用望天空，发了木星星、月球形山和金星为说证相位，日心提供了决定性据无中心宇宙现进仅代宇宙学一步揭示，不地球不是中心，太阳系、银河系也都不是宇宙的中心，宇宙是各向同性的宇宙起源问题的科学与信仰边界科学方法的边界哲学思辨的价值过观测验数来现对为传来问题这观科学通、实和学模型理解自然象，但在面哲学和宗教统提供了不同的视角思考宇宙起源，些虚这终问题时虽验证为什么存在某种东西而不是无样的极，科学方法可点然无法用科学方法，但人类理解存在的意义提供了重维能遇到局限要度问题过对话对关科学能够回答如何的，描述宇宙演化的程和机制，但科学与哲学、信仰的不是立系，而是互补的探索方式对为问题别关们图于什么的，特是于存在本身的意义，科学往往它共同构成了人类理解宇宙和自身存在的完整景给无法出完整答案国际大科学计划詹姆斯韦伯欧几里得暗引力波探测·太空望远镜能量任务网络观测绘质宇宙最早制暗物分LIGO、Virgo图测时的星系和恒星布，研究暗等设施探过质涟形成程能量性空漪大型强子对撞机在地面模拟早期宇宙的极端条件现额资这计汇代宇宙学研究需要国际合作和巨投些大科学划集了全球最优进术对认识项秀的科学家和最先的技，推动着人类宇宙的边界每个目都有独标们其特的科学目，但它共同构成了探索宇宙奥秘的强大工具集中国天眼望远镜成果FAST500M740+19口径直径脉冲星发现毫秒脉冲星单径远镜现数时世界最大口射电望已发的新脉冲星量极其精确的宇宙钟远镜挥过观测检验爱对论测中国的FAST望在宇宙起源研究中发着重要作用通脉冲星，科学家可以因斯坦的广义相，探引力波，研究极端测为过贵数这现仅物理条件FAST的高灵敏度使其能够探到极其微弱的射电信号，理解早期宇宙的演化程提供了宝据些发不提升了中国为认识贡在国际天文学界的地位，也全人类的宇宙做出了重要献世界顶尖科学家观点碰撞乔治勒梅特史蒂芬霍金阿兰古斯···论这时辐论说涨论创论大爆炸理的提出者，位比利神父兼提出了黑洞射理和无边界假，深刻暴理的立者，解决了大爆炸理的说认们对时质难题论预测物理学家首次提出了原始原子假，影响了我空本的理解他的工作几个重要他的理宇宙在极早为热状态将对论结为历暂剧胀阶宇宙起源于一个极小极的初始量子力学与广义相合，解决宇期经了一个短但烈的加速膨论将结为现问题这创为现他的理科学与哲学完美合，代宙起源的奇点提供了新思路段，一见代宇宙学提供了重要理础论础宇宙学奠定了基基热门科普读物推荐《时间简史》《宇宙的结构》《第一推动力》语莱写论丛书汇诺奖霍金的经典著作，用通俗易懂的言布恩•格林撰的弦理科普巨经典科普，集了多位贝尔释时讨对论解了黑洞、大爆炸、间旅行等深著，探了从相到量子力学，从得主的作品，涵盖宇宙学、物理学和现现现论奥概念，是理解代宇宙学的入门佳大爆炸到多重宇宙的代物理学前生命科学的重大发和理突破作沿。