相对论、极大与极小：探索宇宙与微观世界

# 相对论、极大与极小
## 1. 相对论的诞生
### 1.1 背景
- 二十世纪以前的物理学
  - 宏观尺度
  - 低速、小质量体系
- 二十世纪以来
  - 狭义相对论
  - 广义相对论
  - 量子力学
### 1.2 狭义相对论
- **基础概念**
  - 光速不变
  - 时间与空间关联（四维时空）
- **核心内容**
  - 时间膨胀（爱因斯坦延缓）
  - 长度收缩（洛伦兹收缩）
  - 质量随速度增加
  - 公式：E = mc²
- **双生子佯谬**
  - 旅行者与留守者时间不同
  - 非惯性系 vs 惯性系
- **遗留问题**
  - 无法统一万有引力
### 1.3 广义相对论
- **等效性原理**
  - 加速度与引力等效
- **预测与验证**
  - 引力引起的光偏折（1919年爱丁顿实验）
  - 引力导致时间变慢（高空原子钟实验）
  - 时空弯曲
- **黑洞**
  - 引力大到光无法逃逸
  - 事件视界、时间接近静止
- **引力波**
  - 大质量天体相互作用产生
  - 2016年LIGO首次探测引力波（2017年诺贝尔奖）
## 2. 极大背后的极小
### 2.1 宇宙的演化
- **宇宙的起源**
  - 大爆炸（140亿年前）
  - 宇宙膨胀（红移、多普勒效应）
  - 熵增加过程
- **宇宙的阶段**
  - **最初的宇宙**
    - 0.001秒：膨胀1078倍，温度万亿度
    - 3分钟后：夸克形成核子
    - 38万年后：宇宙透明
  - **类星体与星系**
    - 1.5亿—10亿年后：类星体与星系形成
    - 90亿年后：恒星超新星爆发
- **宇宙的规模**
  - 可观测直径：930亿光年
  - 暗物质与暗能量
    - 暗物质提供引力
    - 暗能量加速膨胀
### 2.2 原子核的世界
- **原子核的结构**
  - 核子由质子和中子组成
  - 核子由夸克构成
- **基本粒子**
  - **夸克**
    - 六种类型（上、下、奇、粲、底、顶）
    - 组成强子（质子、中子）
  - **轻子**
    - 带电轻子（电子、缪子、陶子）
    - 中性轻子（中微子）
- **自然界的四种基本力**
  - 引力
  - 电磁力
  - 强相互作用力
  - 弱相互作用力
- **相互作用的机制**
  - 基本粒子通过媒介粒子相互作用
  - 作用范围取决于媒介粒子的质量
## 3. 恒星与宇宙的极大
### 3.1 恒星的生命周期
- **星云**
  - 气体与尘埃收缩
- **原恒星**
  - 核聚变反应开始（达到1000万度）
- **主序星**
  - 核聚变稳定阶段（寿命可达百亿年）
- **红巨星**
  - 氢耗尽，体积膨胀
- **最终命运**
  - 小质量：白矮星、黑矮星
  - 中等质量：中子星
  - 大质量：黑洞
### 3.2 黑洞
- 由超大质量恒星坍缩形成
- 事件视界：光无法逃逸的界限
- 霍金辐射