《人文物理》课程教学资源（教案）第九讲 古代哲学思想与现代宇宙观

第九讲古代哲学思想与现代宇宙观课程教案授课方式课时安排理论课120分钟教学内容与课时安排：1、中西方古代哲学对于世界起源的思考：（10分钟）2、宇宙大爆炸及其相关证据；（15分钟）3、世界的构成：古代哲学思想和现代粒子物理；（20分钟）4、四种基本相互作用，与大统一之梦：（15分钟）5、暗物质与暗能量的引入：（20分钟）6、早期宇宙的故事：137亿年的最初三分钟：（20分钟）7、新的征程：宇宙的终极宿命？探索还在路上。（10分钟）教学目的与要求：1，简单了解中西方古代哲学中关于创世的部分观点；2，理解宇宙大爆炸理论的发现和它的意义，为什么我们接受大爆炸理论：3，了解粒子物理标准模型中关于构成世界的基本粒子和基本相互作用的部分内容：4，了解现代宇宙学中引入暗物质和暗能量的原因，及它们占宇宙总物质的比例5，了解宇宙早期暴涨过程，及其对于后期宇宙演化的影响；6，体会物理学作为一门规范科学和纯粹的哲学思考之间的相通之处，及它们的不同之处。教学重点及难点：重点：宇宙学标准模型和粒子物理标准模型难点：时空膨胀、粒子间相互作用、暗能量的引入、宇宙早期暴涨授课安排：1、介绍基督教、古希腊以及古代中国关于创世的神话和朴素唯物主义思想；2、时空膨胀和大爆炸理论，及其观测证据；3、古代哲人关于世界本源的思考；粒子物理标准模型中构成物质的基本粒子：4、基本粒子间的相互作用，及相互作用的统一；5、暗物质的引入、暗能量的引入，它们占宇宙中总物质的比例6、宇宙早期暴涨、及之后的核合成过程；7、宇宙未来的发展方向，课程总结：教学方法与手段：网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法课堂板书：多媒体

第九讲 古代哲学思想与现代宇宙观 课程教案 授课方式 理论课 课时安排 120 分钟 教学内容与课时安排： 1、中西方古代哲学对于世界起源的思考； （10 分钟） 2、宇宙大爆炸及其相关证据； （15 分钟） 3、世界的构成：古代哲学思想和现代粒子物理； （20 分钟） 4、四种基本相互作用，与大统一之梦； （15 分钟） 5、暗物质与暗能量的引入； （20 分钟） 6、早期宇宙的故事：137 亿年的最初三分钟； （20 分钟） 7、新的征程：宇宙的终极宿命？探索还在路上。 （10 分钟） 教学目的与要求： 1，简单了解中西方古代哲学中关于创世的部分观点； 2，理解宇宙大爆炸理论的发现和它的意义，为什么我们接受大爆炸理论； 3，了解粒子物理标准模型中关于构成世界的基本粒子和基本相互作用的部分内容； 4，了解现代宇宙学中引入暗物质和暗能量的原因，及它们占宇宙总物质的比例； 5，了解宇宙早期暴涨过程，及其对于后期宇宙演化的影响； 6，体会物理学作为一门规范科学和纯粹的哲学思考之间的相通之处，及它们的不同之处。 教学重点及难点： 重点：宇宙学标准模型和粒子物理标准模型 难点：时空膨胀、粒子间相互作用、暗能量的引入、宇宙早期暴涨 授课安排： 1、 介绍基督教、古希腊以及古代中国关于创世的神话和朴素唯物主义思想； 2、 时空膨胀和大爆炸理论，及其观测证据； 3、 古代哲人关于世界本源的思考；粒子物理标准模型中构成物质的基本粒子； 4、 基本粒子间的相互作用，及相互作用的统一； 5、 暗物质的引入、暗能量的引入，它们占宇宙中总物质的比例； 6、 宇宙早期暴涨、及之后的核合成过程； 7、 宇宙未来的发展方向，课程总结； 教学方法与手段： 网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法 课堂板书：多媒体

方法及手段教学基本内容讲授法+PPT首先，通过一张星空照片，引起同学们的思考和兴趣，进入本讲讨论的展示内容。1、古代关于世界起源的思考（1）基督教哲学中的“七日创世”说；（2）古希腊神话的创世说；卡厄斯是一个混沌的概念，由它产生的盖亚等神代表着大地和天空等实体，体现希腊神话中神的多样性，很可能是收到希腊哲学思想的影响。（3）古希腊哲人们对于世界本源的看法：（4）中国古代的创世神话一盘古开天地（5）《道德经》中对于世界起源的认识，老子认为世界起源于道；2、宇宙大爆炸理论（1）星空中的天体类型（2）如何确定天体之间的距离通过星体照到地球的亮度和它自身发光的绝对亮度的比值来确定该星体于地球间的距离。（3）哈勃的观测发现哈勃通过对造父变星的观测，发现，其它星系远离地球的速度和它们与地球的距离成正比。这即为哈勃定理。（4）宇宙学基本假设一哥白尼原理宇宙是均匀、各向同性的，在宇宙中不存在特殊的点，故而宇宙没有中心。若是接受哥白尼原理，则只能通过宇宙时空背景的膨胀来解释哈勃定理。（5）宇宙大爆炸理论：宇宙早期体积更小、温度更高（6）宇宙大爆炸的重要证据一微波背景辐射的发现3、世界的构成一粒子物理I（1）古代哲学对于世界本源的思考古希腊米利都学派的泰勒斯和阿那克西美尼的观点，之后的亚里士多德的五元素观点，以及中国古代的五行说。（2）对于元素周期性的认识，原子结构的发现（3）夸克的发现多种粒子，特别是介子的发现，使得部分科学家放弃了存在着少量基本粒子的想法。而夸克的发现，解决了之前的问题。正是少数坚持认为宇宙是简单的学者的成功，这种观点和古代哲学有相通之处。穿插克命名的轶事。（4）中微子中微子的理论预言、命名以及实验发现。目前所知的中微子种类。（5）粒子物理标准模型中构成物质的基本粒子

教 学 基 本 内 容 方法及手段 首先，通过一张星空照片，引起同学们的思考和兴趣，进入本讲讨论的 内容。 1、古代关于世界起源的思考 （1）基督教哲学中的“七日创世”说； （2）古希腊神话的创世说； 卡厄斯是一个混沌的概念，由它产生的盖亚等神代表着大地和天空等实 体，体现希腊神话中神的多样性，很可能是收到希腊哲学思想的影响。 （3）古希腊哲人们对于世界本源的看法； （4）中国古代的创世神话—盘古开天地； （5）《道德经》中对于世界起源的认识，老子认为世界起源于道； 2、宇宙大爆炸理论 （1）星空中的天体类型 （2）如何确定天体之间的距离 通过星体照到地球的亮度和它自身发光的绝对亮度的比值来确定该星 体于地球间的距离。 （3）哈勃的观测发现 哈勃通过对造父变星的观测，发现，其它星系远离地球的速度和它们与 地球的距离成正比。这即为哈勃定理。 （4）宇宙学基本假设—哥白尼原理 宇宙是均匀、各向同性的，在宇宙中不存在特殊的点，故而宇宙没有中 心。若是接受哥白尼原理，则只能通过宇宙时空背景的膨胀来解释哈勃定理。 （5）宇宙大爆炸理论：宇宙早期体积更小、温度更高 （6）宇宙大爆炸的重要证据—微波背景辐射的发现 3、世界的构成—粒子物理 I （1）古代哲学对于世界本源的思考 古希腊米利都学派的泰勒斯和阿那克西美尼的观点，之后的亚里士多德 的五元素观点，以及中国古代的五行说。 （2）对于元素周期性的认识，原子结构的发现 （3）夸克的发现 多种粒子，特别是介子的发现，使得部分科学家放弃了存在着少量基本 粒子的想法。而夸克的发现，解决了之前的问题。正是少数坚持认为宇宙是 简单的学者的成功，这种观点和古代哲学有相通之处。穿插夸克命名的轶事。 （4）中微子 中微子的理论预言、命名以及实验发现。目前所知的中微子种类。 （5）粒子物理标准模型中构成物质的基本粒子 讲 授 法 +PPT 展示

4、四种基本相互作用启发式教学（1）引力相互作用（2）电磁相互作用动画演示在量子物理的观点中，物质之间的基本相互作用，即力的传递都是通过交换一个相应的虚粒子实现的。传递电磁相互作用的粒子是光子。（3）强相互作用设问：电磁相互排斥的夸克如何构成质子、中子？质子又如何能构成原子核？需要比电磁相互作用更强力的强相互作用。强相互作用对应的是色荷，传递的粒子是胶子。通过一个动画演示来帮助理解强相互作用的过程。（4）弱相互作用一控制粒子衰变过程的相互作用（5）弱电统一理论在能量比较高的时候，弱相互作用的表现和电磁相互作用趋于一致，可以将它们统一为同一种相互作用，即电弱相互作用。成功的预言了中性的Z粒子的存在，而得以证实。（6）大统一理论和万物理论电弱相互作用和强相互作用的统一，为大统一理论；再进一步和引力统一，成为万物理论。目前，物理学家在这些方面做了很多努力，但还没有完善的理论形成，不被广泛认可。5、暗物质与暗能量（1）暗物质的引入银河系星体围绕银河中心旋转速度的观测结果，和已有物理基本理论的预言偏差很大。基于宇宙简单性的认识，科学家不倾向于修改大尺度下的引力理论。故而，通过对于光的类比思考，引入了一中看不见，却能提供引力的“暗物质”，使得理论再次完善。（2）暗物质存在的其它证据实验上对引力透镜效应的观测，理论上对宇宙大尺度结构形成的解释，都需要引入暗物质。故而，它们也是暗物质存在的证据。现今，暗物质占宇宙中总物质比例的23%。引力透镜效应：光线的传播通过引力场时发生偏折。（3）暗物质的探测一PandaX和CDEX实验（4）暗能量Ia型超新星因为爆发机理和质量一致，在天体观测中被称为标准烛光。对它的观测发现，宇宙正在加速膨胀。而根据广义相对论，现有的物质包括暗物质都只能使宇宙减速膨胀。为了解释这一现象，需要引入暗能量。暗物质占宇宙中总物质比例的73%。6、早期宇宙的故事：137亿年的最初3分钟（1）宇宙早期暴涨

4、四种基本相互作用 （1）引力相互作用 （2）电磁相互作用 在量子物理的观点中，物质之间的基本相互作用，即力的传递都是通过 交换一个相应的虚粒子实现的。传递电磁相互作用的粒子是光子。 （3）强相互作用 设问：电磁相互排斥的夸克如何构成质子、中子？质子又如何能构成原 子核？需要比电磁相互作用更强力的强相互作用。强相互作用对应的是色 荷，传递的粒子是胶子。通过一个动画演示来帮助理解强相互作用的过程。 （4）弱相互作用—控制粒子衰变过程的相互作用 （5）弱电统一理论 在能量比较高的时候，弱相互作用的表现和电磁相互作用趋于一致，可 以将它们统一为同一种相互作用，即电弱相互作用。成功的预言了中性的 Z 粒子的存在，而得以证实。 （6）大统一理论和万物理论 电弱相互作用和强相互作用的统一，为大统一理论；再进一步和引力统 一，成为万物理论。目前，物理学家在这些方面做了很多努力，但还没有完 善的理论形成，不被广泛认可。 5、暗物质与暗能量 （1）暗物质的引入 银河系星体围绕银河中心旋转速度的观测结果，和已有物理基本理论的 预言偏差很大。基于宇宙简单性的认识，科学家不倾向于修改大尺度下的引 力理论。故而，通过对于光的类比思考，引入了一中看不见，却能提供引力 的“暗物质”，使得理论再次完善。 （2）暗物质存在的其它证据 实验上对引力透镜效应的观测，理论上对宇宙大尺度结构形成的解释， 都需要引入暗物质。故而，它们也是暗物质存在的证据。现今，暗物质占宇 宙中总物质比例的 23%。 引力透镜效应：光线的传播通过引力场时发生偏折。 （3）暗物质的探测—PandaX 和 CDEX 实验 （4）暗能量 Ia 型超新星因为爆发机理和质量一致，在天体观测中被称为标准烛光。 对它的观测发现，宇宙正在加速膨胀。而根据广义相对论，现有的物质包括 暗物质都只能使宇宙减速膨胀。为了解释这一现象，需要引入暗能量。暗物 质占宇宙中总物质比例的 73%。 6、早期宇宙的故事：137 亿年的最初 3 分钟 （1）宇宙早期暴涨 启发式教学 动画演示

大爆炸的理论中存在三大问题：平坦性问题、视界问题、和磁单极子问题。这三个问题可以通过宇引入宙时空早期加速膨胀解决，此加速膨胀过程称为宇宙暴涨。宇宙暴涨过程中，量子涨落被拉伸至视界面外。在之后的演化中，再次回到视界内，形成微波背景辐射中温度分布的不均匀。这点已被实验观测证实，并作为宇宙暴涨的一个重要证据。（2）宇宙早期的原初核合成宇宙最早期的一段时间，经历了普朗克时期、大统一时期、电弱时期、夸克时期、核子时期、和轻子时期。由于理论发展的限制，我们目前并不能确切地了解电弱时期之前的过程。在夸克时期，宇宙中主要的物质的是夸克和胶子所形成的等离子体。物质粒子在比例上比反粒子多出10-9。之后，宇宙冷却进入核子时期，夸克可以互相结合形成质子、中子、反质子和反中子。物质和反物质粒子互相灭，只有多出10-9的物质粒子得以残留下来。随着进一步冷却，宇宙进入了轻子时期，电子和正电子互相潼灭，少量电子残留下来。由于中子的衰变，宇宙中，中子和质子的比例由之前的24%比76%，降低至大约13%比87%，其后所有中子和质子结合形式氨原子核。（3）宇宙演化历史小结一标准宇宙学观点7、宇宙的终极宿命？探索还在路上（1）宇宙中物质处于临界密度观测表明，宇宙的时空背景十分地接近于平直时空，故而宇宙中物质的密度应该等于使时空平直的临界密度。各种物质组分在其中所占的含量比例已在第五小节中给出。（2）宇宙的未来演化方向根据现有的理论和观测，宇宙处于加速膨胀的时期，并且还将继续加速膨胀。所有银河系以外的星系都将远离我们而去。而由于引力的作用，这种时空背景的膨胀，并不会破坏星系本身。（3）宇宙学理论中还存在着诸多问题我们看到现今的宇审学标准模型在取得巨大成功的同时，还存在着诸多问题，如：暗物质和暗能量是什么？驱动宇宙暴涨的是什么？为什么物质比反物质多一点？等等。相应的理论还在不断地发展、完善。我们应该保持谨慎乐观的态度，期待进一步揭示支配宇宙运行的内在规律。课后习题见本讲材料课堂反馈教学后记

大爆炸的理论中存在三大问题：平坦性问题、视界问题、和磁单极子问 题。这三个问题可以通过宇引入宙时空早期加速膨胀解决，此加速膨胀过程 称为宇宙暴涨。 宇宙暴涨过程中，量子涨落被拉伸至视界面外。在之后的演化中，再次 回到视界内，形成微波背景辐射中温度分布的不均匀。这点已被实验观测证 实，并作为宇宙暴涨的一个重要证据。 （2）宇宙早期的原初核合成 宇宙最早期的一段时间，经历了普朗克时期、大统一时期、电弱时期、 夸克时期、核子时期、和轻子时期。由于理论发展的限制，我们目前并不能 确切地了解电弱时期之前的过程。 在夸克时期，宇宙中主要的物质的是夸克和胶子所形成的等离子体。物 ࠀ￾质粒子在比例上比反粒子多出 ￾u。之后，宇宙冷却进入核子时期，夸克可 以互相结合形成质子、中子、反质子和反中子。物质和反物质粒子互相湮灭， ࠀ￾只有多出 ￾u的物质粒子得以残留下来。随着进一步冷却，宇宙进入了轻子 时期，电子和正电子互相湮灭，少量电子残留下来。由于中子的衰变，宇宙 中，中子和质子的比例由之前的 24%比 76%，降低至大约 13%比 87%，其后所 有中子和质子结合形式氦原子核。 （3）宇宙演化历史小结—标准宇宙学观点 7、宇宙的终极宿命？探索还在路上 （1）宇宙中物质处于临界密度 观测表明，宇宙的时空背景十分地接近于平直时空，故而宇宙中物质的 密度应该等于使时空平直的临界密度。各种物质组分在其中所占的含量比例 已在第五小节中给出。 （2）宇宙的未来演化方向 根据现有的理论和观测，宇宙处于加速膨胀的时期，并且还将继续加速 膨胀。所有银河系以外的星系都将远离我们而去。而由于引力的作用，这种 时空背景的膨胀，并不会破坏星系本身。 （3）宇宙学理论中还存在着诸多问题 我们看到现今的宇宙学标准模型在取得巨大成功的同时，还存在着诸多 问题，如：暗物质和暗能量是什么？驱动宇宙暴涨的是什么？为什么物质比 反物质多一点？等等。相应的理论还在不断地发展、完善。我们应该保持谨 慎乐观的态度，期待进一步揭示支配宇宙运行的内在规律。 课后习题 见本讲材料 课堂反馈 教学后记