《半小时宇宙大爆炸》总结

这是一个关于《半小时宇宙大爆炸》总结的思维导图，这本书通过手绘漫画的形式，以轻松幽默的方式解读了宇宙的起源、发展和一些重要的科学概念，如大爆炸、奇点、黑洞、引力波、暗物质等。

《半小时宇宙大爆炸》总结

• 一、宇宙
  • 1、时间(宙)
    • ⑴.日：地球绕自身自转一周约23小时56分4秒
    • ⑵.月：月球绕地球公转一周约29.53天
    • ⑶.年(恒星年)：地球绕太阳公转一周约365日6小时9分10秒(365.5日)
  • 2、空间(宇)
    • 物质→地球(行星)→太阳(恒星)→银河系(星系)→本星系群(星系群/团)→室女座超星系团(超星系团)→可观测宇宙→宇宙
  • 3、粒子抱团
    • ⑴.物质(约10的-1次方米)
      • 原子(约10的-10次方米)
        • A.电子(＜10的-22次方米)
        • B.原子核(约10的-14次方米)
          • a.质子(约10的-15次方米)
            • 3个夸克(＜10的-19次方米)
            • 胶子
          • b.中子
            • 3个夸克
            • 胶子
    • ⑵.基本粒子
      • ①.费米子
        • A.夸克(较重)
        • B.轻子(较轻)
      • ②.玻色子(传递相互作用：4种基本力：引力、电磁力、弱核力、强核力)
        • A.标准玻色子(胶子)
        • B.希格斯玻色子(赋予质量)
• 二、宇宙的来源
  • 1、宇宙138亿年4个阶段
    • 原子的诞生(38万年)
    • 恒星的演化(3亿年)
    • 星系的演化(138亿年的现在)
  • 2、宇宙的未来
    • 氢核=1个质子 的原子核
    • 氘核=1个质子+1个中子 的原子核
    • 氦核=2个质子+2个中子 的原子核
    • 氦丰度：氢核和氦核的质量比：3︰1
  • 3、原子诞生的全过程
    • 0秒奇点大爆炸：密度贼大、温度贼高、体积贼小
    • 约10-32秒：宇宙能量→夸克/胶子/希格斯玻子
    • 约10-6秒：夸克+胶子→质子/中子/介子
    • 约10-3秒：高能光子对撞→电子：电子(正物质粒子)/正电子(反物质粒子)
    • 约1秒～3分钟：质子+中子+介子→原子核
    • 约38万年：电子+原子核=原子，第一束光传播
• 三、恒星的诞生
  • 1、恒星的诞生
    • ⑴.基本粒子因冷而抱团，原子核因热而抱团
    • ⑵.万有引力定律：物体质量越大，引力越大；物体间距越近，引力越大
    • ⑶.等离子态：原子内的原子核和电子分开
    • ⑷.每4个氢核抱团成为1个氦核
      • ①.核聚变：几个轻原子核→1个重原子核
      • ②.恒星青壮年期的特点：源源不断的氢原子核，抱团成为氦原子核
  • 2、恒星的演化
    • ⑴.恒星中心主要物质
      • 氢恒星：恒星中心主要是氢
      • 氦恒星：恒星中心主要是氦
      • 碳恒星：恒星中心主要是碳
      • 铁恒星：恒星中心主要是铁
    • ⑵.恒星引力挤压，恒星中心温度升高到1亿摄氏度，氦核抱团聚变成铍核/碳核
  • 3、恒星的晚年
    • ⑴.太阳的质量不够大，引力不够强，不能发生碳核聚变反应，只能发生氦核聚变反应
    • ⑵.白矮星(体积小，密度大)：太阳大气层会散掉，中心留下一个内核
    • ⑶.铁的原子核最牢固，要继续抱团恒星需要巨大的能量和质量
    • ⑷.超新星爆炸
      • ①.引力作用，大质量恒星中心的电子被压进铁原子核内
      • ②.铁原子核里本来是质子和中子，压进去的电子和质子抱团结合，也变成了中子
      • ③.外围物质向中心坠落太快，碰到中子核心后会反弹，引起超新星爆炸
  • 4、恒星的一生
    • ⑴.小质量恒星(核聚变停留在铁元素前)→中间留下一个核→白矮星
    • ⑵.大质量恒星(核聚变停留在铁元素)→超新星爆炸造元素→中间留下一个核→中子星或黑洞
  • 5、恒星的演化
    • ⑴.约38万～2亿岁，星云抱团聚集，诞生原恒星
    • ⑵.恒星诞生后，继续塌缩，点燃中心核反应
    • ⑶.约2亿～3亿岁，恒星核聚变，原子核抱团，产生多种元素
    • ⑷.约3亿岁，大质量恒星，超新星爆炸，产生更多元素，留下中子星和黑洞
• 四、暗物质与暗能量的博弈
  • 1、暗物质
    • ⑴.占宇宙26.8％
    • ⑵.吸引力(引力)：收缩
    • ⑶.暗物质多：减速膨胀期(低于宇宙膨胀初速度)；开始收缩(超过宇宙膨胀初速度)
  • 2、暗能量
    • ⑴.占宇宙68.3％
    • ⑵.排斥力：膨胀
    • ⑶.暗能量多：加速膨胀期
  • 3、物质占宇宙4.9%
  • 4、宇宙的终局
    • ⑴.最早，暗物质
    • ⑵.现在，暗能量多
    • ⑶.未来
      • ①.暗物质多→大挤压→宇宙空间无限小→奇点
      • ②.暗能量多→原子结构的大撕裂/物质组成的孤岛→宇宙空间无限大
• 五、宇宙是大爆炸产生的
  • 1、牛顿的万有引力定律推翻了托勒密的地心说和哥白尼的日心说
  • 2、爱因斯坦整出了广义相对论
  • 3、乔治·勒梅特提出了大爆炸宇宙论的原型
    • 原始原子假说：宇宙是由一个原始原子或者宇宙蛋爆炸产生的，爆炸后，宇宙就开始不停膨胀
  • 4、哈勃观测到宇宙红移现象，证明了宇宙在膨胀
    • ⑴.光的本质是电磁波，不同的单色光波长不一样：从紫色到红色，波长越来越长
    • ⑵.红移：星系远离我们，接收到的光，波长越来越长
    • ⑶.蓝移：星系靠近我们，接收到的光，波长越来越短
    • ⑷.银河系外的星系大都在发生红移。且距离我们越远，红移就越明显
    • ⑸.星系离开我们的速度越快：星系离我们越远，宇宙膨胀的程度越剧烈，红移现象越明显
  • 5、宇宙大爆炸模型
    • ⑴.预言1：奇点：宇宙起源于奇点的爆炸。奇点的温度和密度无限大
    • ⑵.预言2：氦丰度：大爆炸产生的氢元素和氦元素质量之比是3︰1
    • ⑶.预言3：宇宙微波背景辐射：宇宙大爆炸的余热至今还存在
  • 6、绝对零度：* 0开尔文（K）=-273.15摄氏度（℃）
• 六、恒星不会永恒
  • 1、恒星的壮年
    • ⑴.恒星靠核聚变反应发光发热
    • ⑵.核聚变反应产生的力是向外膨胀，引力是向内收缩
    • ⑶.碳氮氧循环/恒星的燃烧机制：碳/氮/氧辅助催化，4个氢原子核→1个氦原子核
    • ⑷.质子-质子链反应：不靠辅助摧化，4个氢原子→1个氦核
  • 2、恒星的晚年
    • 只要恒星质量足够大，核聚变反应就可以一直持续下去，直到铁元素
  • 3、恒星的归宿
    • ⑴.恒星→白矮星
      • 电子简并压：外围电子排队形成无形力
    • ⑵.白矮星→中子星
      • 核聚变反应停止→没有能抵抗引力的力→内核向中心挤压
      • 中子简并压：中子排队形成的无形力
      • 恒星内核质量＞太阳质量的1.44倍(钱德拉塞卡极限/白矮星的质量上限后)，内核产生的引力大到电子间的排斥力抵抗不了(电子简并压无法对抗引力，电子和原子核内的质子报团形成中子)，白矮星继续坍缩成中子星
      • 脉冲星(一种中子星)：快速自转，向外发出脉冲信号，密度比白矮星大
    • ⑶.中子星→黑洞
      • 恒星内核质量＞约太阳质量的3倍(奥本海默极限/中子星的质量上限)，中子简并压撑不住，中子星坍缩成黑洞
      • 史瓦西半径：当天体被压缩到一定程度后，光就跑不掉了。每个大小不同的天体都有自己的史瓦西半径
  • 4、恒星的归宿总结
    • ⑴.小质量恒星
      • 白矮星：靠电子简并压抵抗引力
    • ⑵.大质量恒星
      • 中子星：靠中子简并压抵抗引力
      • 黑洞：能吸收所有光
• 七、看不见的暗物质和暗能量
  • 1、恒星绕转速度越快，需要的引力就越大
  • 2、暗物质才是宇宙的主角，总质量大概是普通物质的6倍
• 八、人类在宇宙中的探测器
  • 1、哈勃空间望远镜
    • 国别：美国
    • 科学目标：探测宇宙诞生早期的“原始星系”，研究宇宙膨胀
    • 位于地球大气层之上，是一台光学望远镜
  • 2、旅行者一号航天器
    • 国别：美国
    • 科学目标：探索外太阳系的所有大行星，包括太阳系的边界
    • 拍摄了木星和土星的照片
  • 3、宇宙背景探测者（COBE）
    • 国别：美国
    • 科学目标：探测宇宙的微波背景辐射
    • 第一颗用来探索宇宙微波背景辐射的卫星，发布了第一张宇宙微波背景辐射图
  • 4、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）
    • 国别：美国
    • 科学目标：测量宇宙微波背景辐射的温度起伏
    • 拍摄的宇宙微波背景辐射，图像更清晰，数据也更丰富
  • 5、普朗克卫星（PLANCK）
    • 国别：欧盟国家
    • 科学目标：观测高精度的宇宙微波背景辐射
  • 6、激光干涉引力波天文台（LIGO）
    • 国别：美国
    • 科学目标：直接探测引力波
    • 由两个长达4千米的臂组成的激光干涉仪，探测灵敏度极高，可以探测到质子直径万分之一的空间变化
  • 7、西藏阿里地区原初引力波观测基地
    • 国别：中国
    • 科学目标：通过观测宇宙微波背景辐射来探测原初引力波
  • 8、500米口径球面射电望远镜（FAST）
    • 国别：中国
    • 科学目标：观测中性氢谱线及其他厘米波段谱线，搜索暗弱脉冲星等
    • 世界最大单口径射电望远镜，反射面积相当于约30个足球场，探测灵敏度达到世界第二大望远镜的2.5倍以上，灵敏度优势可保持10～20年
  • 9、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）
    • 国别：国际合作
    • 科学目标：主要用于探测星系和行星演化
    • ALMA是由66台大型射电望远镜组成的阵列，观测分辨率可达哈勃空间望远镜的10倍。参与了人类对黑洞第一张照片的拍摄
  • 10、“悟空”号暗物质粒子探测卫星
    • 国别：中国
    • 科学目标：通过精确测量宇宙射线中正负电子比例，找出可能的暗物质粒子信号
    • 绘制高能宇宙射线能谱
  • 11、中国锦屏地下实验室
    • 国别：中国
    • 科学目标：探测原子核与暗物质粒子碰撞产生的信号
    • 目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室，可以更好地屏蔽各种宇宙射线的干扰，为探测暗物质提供一个极为“干净”的实验环境
• 九、引力波
  • 1、广义相对论：质量扭曲时空
  • 2、引力波的传播：两个黑洞散发的“杀气”扭曲了时空，并且一波一波散开
  • 3、相对论：光速绝对，时间和空间相对
• 十、霍金的成就
  • 1、宇宙就是从奇点开始的
  • 2、霍金辐射
    • ⑴.黑洞中有粒子跑出来
    • ⑵.黑洞和真空关于能量的争斗