PHYS2013的学习以初中物理和第一学期的中级物理为基础，介绍宇宙学(宇宙的结构和演化)和狭义相对论(高速时的空间和时间)。实践：实验物理作为一个实验单元进行教学，包括恒星图像分析、电磁现象、电子仪器、量子物理等方面的实验。评估基于对每个实验的掌握程度。学期结束时，学生可以小组合作完成一个项目。学生将就其项目或一项实验准备书面报告和口头报告。
一、什么是狭义相对论?
阿尔伯特·爱因斯坦的特殊相对论理论是关于对象速度变化如何影响时间、空间和质量测量的解释。有助于建立电磁学理论的实验显示，在电磁场中的波动(我们看到的是光)以每秒299,792,458米的速度穿过空无一物的空间(大约每秒186,000英里)。
从不更快，也从不更慢。这个唯一的速度极限恰好也是无论观察者的运动速度如何，都是一样的，这乍一看确实没有多少意义。因此，在1905年，爱因斯坦写了一篇详细解释这一现象的论文。
速度如何影响时间和空间?
艾萨克·牛顿的三大运动定律描述了力、物体质量和加速度之间的关系。这些定律适用于所有物体，无论它们的运动方式如何。
在火车上娱乐乘客的小丑可以相信，他们的杂耍球会以缓慢而稳定的速度上下运动。另一方面，乘坐另一辆飞驰的火车的乘客则会透过窗户看到那些杂耍球以两列火车的合并速度掠过。没有什么奇怪的。
如果这些球是光波，无论谁在观察，它们只能以相同的速度移动。坐在杂耍者旁边的乘客也会看到这些球以光速上下运动。坐在飞驰的火车上的人也会看到它们以完全相同的速度移动，尽管火车的速度有差异。
对于速度较慢的杂耍球，这已经很难想象。但是如果把它们加速到光速，就需要一些巧妙的思考来理解。
爱因斯坦的解决办法是将时间和空间视为相对因素。根据特殊相对论理论，随着加速度变得极快，时间和距离之间的比较会因观察者的不同而发生变化。
二、什么是宇宙学?
宇宙诞生于138亿年前的事件，我们称之为大爆炸。我们之所以知道这是真实的，是因为有多条不同的证据线索。当前宇宙的膨胀表明，在过去，宇宙要小得多，这是通过观测星系相互远离的速度越来越快来衡量的。宇宙微波背景辐射是宇宙曾经更加炽热和更加密集的证据。与其他元素相比的氢和氦的相对含量告诉我们，宇宙的炽热和密度不足以使更重的元素融合。等等。
哈佛大学与史密森天体物理中心的宇宙学家致力于填补这一宏伟画卷的细节。
大爆炸后的最早时刻仍然是个谜。根据宇宙膨胀假说，量子相互作用导致宇宙在大爆炸后的一瞬间扩张了约10^26倍——超过一万万亿倍——。除其他事情外，膨胀解释了为什么宇宙在每个方向上具有相同的内容和温度，以及在最大尺度上物质是如何组织的。然而，关于膨胀还有很多不解之谜，因此理论家和观察者们努力描述它，寻找任何可观测的痕迹，以及测试替代可能性。
在大爆炸后的大约380,000年里，宇宙充满了炽热的不透明等离子体。宇宙的膨胀将等离子体扩散，直到足够冷却以形成第一个稳定的原子，宇宙变得透明。从这个过渡中剩下的光形成了宇宙微波背景辐射(CMB)，这是填充宇宙的低能量光线。CMB温度的微小变化揭示了宇宙各种内容的相对量，以及后来产生星系的密度波动。
宇宙中的第一颗恒星可能诞生在大爆炸后大约7亿年后。然而，我们并不确定，因为最早的恒星太暗，无法从如此遥远的地方看到。天文学家寻找最早的星系，以寻找那些原始恒星的迹象，并研究有关它们性质的间接线索。
可观察宇宙中包含约1000亿个星系。这些星系不是随机分布在天空中的：引力将它们聚集成了一个巨大的宇宙网，称为宇宙的大尺度结构。在更大尺度上，星系显示出所谓的重子声学振荡(BAO)的痕迹，这些声波在CMB形成之前横扫整个宇宙。宇宙学家研究大尺度结构和BAO，以测量宇宙膨胀的速度，并理解星系如何在最大尺度上组织。
宇宙中的所有原子只占其总质量的约5%。其余的是暗物质和暗能量。暗物质约占宇宙的总质量的27%，为构建星系和星系团提供了引力基础。宇宙的大尺度结构是由暗物质产生的，但我们仍然不知道它由什么组成。暗能量占宇宙总质量的其余68%，导致宇宙的膨胀加速。暗物质和暗能量的推拉力使宇宙呈现出我们所看到的样子，因此准确理解这些神秘物质是现代宇宙学的一个重大挑战。
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