物理與人類文明chapter60

1、茫茫宇宙有無邊際？蕓蕓眾生身在何處？太陽系是否有特殊之處？我們生活的宇宙是否像生命一樣有生死？當人類的智慧進步到超過一般動物的時代，他們就不可能不注意到天穹上永恒的現(xiàn)象和日月星辰的運動與和諧。 中國古代上至帝王將相，下至普通百姓對宇宙、天文都有濃厚的興趣。目前中國臺灣“中央研究院”就保存有一片甲骨，其上所刻甲骨文的內(nèi)容是世界上首次關(guān)于新星（Nova）的觀察記錄。SN1006 殘骸超新星SN1006是歷史記載中最亮的超新星，中國對其有非常詳細的記載，宋代的天文學家稱其為周伯星。宋史第五十六卷天文志上詳細記載：“景德三年四月戊寅，周伯星見，出氐南，騎官西一度，狀如半月，有芒角，煌煌然可以鑒物，歷庫

2、樓東。八月，隨天輪入濁。十一月復見在氐。自是，常以十一月辰見東方，八月西南入濁?！爆F(xiàn)代天文學家將它編為SN1006。中國對SN1006爆發(fā)的細致記載對其研究提供了有價值的歷史文獻占星術(shù) 希臘人的宇宙觀 古代民族觀察天象，只從實用的或者神秘的觀點出發(fā)，而且對于觀測只有敘述，并不加以解釋（有時會附會上神話的故事）。 希臘人自公元前4世紀以后，首先從非功利的觀點，使用科學方法，來研究天體的現(xiàn)象與運動，他們只想追求一個合理的解釋，并不企圖去推測未來的天象。 工作的人 智慧的人 Anaximander（BC 610-545)等認為地是薄薄的圓片，漂浮在空氣的旋渦里，孤立在球狀宇宙的中心。 Pythago

3、ras (BC580-500)等，首先發(fā)現(xiàn)地是球形的。 6.1 6.1 傳統(tǒng)的宇宙觀及其不足傳統(tǒng)的宇宙觀及其不足6.2 哈勃的發(fā)現(xiàn)哈勃的發(fā)現(xiàn) 6.3 宇宙的起源宇宙的起源 6.4 大爆炸模型的觀察證明大爆炸模型的觀察證明 6.5 宇宙的命運宇宙的命運6.6 二十一世紀宇宙學面臨的問題二十一世紀宇宙學面臨的問題6.1 6.1 傳統(tǒng)的宇宙觀及其不足傳統(tǒng)的宇宙觀及其不足6.1.1 傳統(tǒng)的宇宙觀傳統(tǒng)的宇宙觀 起源說 輪回說 永恒說6.1.2 永恒宇宙與熱力學的矛盾永恒宇宙與熱力學的矛盾6.1.3 夜空為什么是黑暗的夜空為什么是黑暗的6.2 哈勃的發(fā)現(xiàn)哈勃的發(fā)現(xiàn)波的多普勒效應波的多普勒效應6.2 哈勃的

4、發(fā)現(xiàn)哈勃的發(fā)現(xiàn)恒星距離的測定恒星距離的測定 同類恒星（例如有相同的組分，大小等）具有相同的固有亮度，但它們的“視亮度”與離開我們的距離平方成反比，因此可通過同類恒星的視亮度的變化可測出他們距開我們的距離。哈勃定律哈勃定律vH R6.3 宇宙的起源宇宙的起源 6.3.1 大爆炸模型（大爆炸模型（Big Bang）從 秒到 秒宇宙經(jīng)歷了一次暴脹過程。隨后宇宙繼續(xù)膨脹，溫度下降，不同的溫度下會發(fā)生不同的粒子反應過程。首先是夸克階段。103535103310 輕子自湮滅的輕子階段，延續(xù)到0.1秒。 1秒種時已有等量的質(zhì)子和中子， 100秒時，溫度降到了10億開，中子與質(zhì)子合成為氘核。然后氘核合成為氦核

5、。 1萬年后，溫度降到了1萬開，開始了物質(zhì)階段。 10萬年時溫度到了3000K，電子可以和質(zhì)子復合成為中性的氫原子。繼續(xù)冷卻，成恒星和星系銀河系只不過是“四維球的三維球面”這個均勻宇宙中的普通一員，不具有任何特殊地位。6.4 大爆炸模型的觀察證明大爆炸模型的觀察證明6.4.1 伽莫夫的預言伽莫夫的預言1948年一位移居美國的俄國人喬治伽莫夫與他的兩位年輕研究生拉爾夫阿爾弗和羅伯特赫爾曼，首先預言如果宇宙起始于遙遠過去的某種既熱且密的狀態(tài)，在宇宙年齡僅為幾分鐘時，它熱得足以使每一個地方都發(fā)生核反應（大爆炸），其散落的殘余輻射由于宇宙的膨脹而冷卻，如今它所具有的溫度約為絕對溫度5K左右， 即存在各

6、向同性、均勻的宇宙背景輻射宇宙背景輻射。6.4.2 宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn) 1965年彭齊亞斯和威爾遜十分意外地發(fā)現(xiàn)了這種宇宙背景輻射。當時他們正在跟蹤一顆Echo號星，來校準一具很靈敏的無線電天線，但他們發(fā)現(xiàn)始終存在著一種無法解釋的噪聲。普林斯頓大學的迪克（Robert Dicke）了解到此情況后，立即認為這正源自于大爆炸的殘余輻射，它相當于在電磁波譜中的微波部分，波長為7.35厘米的某種無線電波信號，它對應于2.7K 的熱輻射1989年NASA衛(wèi)星COBE結(jié)果與溫度為2.73K的純熱輻射作出的理論預言極其吻合6.4.3 原初核合成問題原初核合成問題 宇宙年齡為1秒時，宇宙的溫

7、度高達1百億K，此時介質(zhì)的主要組分是正負電子，正反中微子和光子及少量質(zhì)子和中子。 3分鐘以后，溫度已降到十億K, 氘開始合成（質(zhì)子中子=氘核2.2Mev），后續(xù)的連鎖反應將很快生成氚, 3He, 4He等 原初核合成階段最主要的產(chǎn)物是4He，其次是D和3He，其數(shù)密度比4He低4個量級。 半小時后，原初核合成階段結(jié)束，已形成的原子核留了下來。6.5 宇宙的命運宇宙的命運 6.5.1 宇宙整體的命運宇宙整體的命運 星球都有其對應的逃逸速度，如地球為11.2Km/s。質(zhì)量越大，半徑越小，逃逸速度越大，寫成公式為VGMR逸2如月球的逃逸速度為2.4Km/s，即在月球表面發(fā)射火箭要容易些。6.5.1

8、宇宙整體的命運宇宙整體的命運宇宙命運與其初始膨脹速度和其物質(zhì)平均密度有關(guān)。目前正以極其接近于臨界狀態(tài)的方式膨脹著。6.5.2 恒星的產(chǎn)生與命運恒星的產(chǎn)生與命運 宇宙“爆炸”十萬年后，溫度下降到了3000K左右，形成了由中性原子構(gòu)成的宇宙塵埃。由于萬有引力的作用，塵埃像滾雪球一樣越滾越大。密度增大到一定程度，內(nèi)部升溫而發(fā)出紅光。一顆“星”就這樣誕生了。溫度達1000萬開以上時，氫開始通過熱核反應而燃燒成為氦核，并放出大量的熱能，以抗衡引力的收縮作用而穩(wěn)定下來，此時就成了一顆恒星。6.5.2 恒星的命運恒星的命運 恒星的生命歷程極為規(guī)則。天空中的幾乎所有星星，都是與太陽類似的恒星，在銀河系中就存在

9、著數(shù)千億個恒星，它們的核心正熊熊燃燒著氫。 一旦燃料用光，有著氦核和氫外殼的恒星，在引力的作用下而收縮，密度、壓強和溫度隨之升高，外殼開始膨脹（核心區(qū)在收縮）。在1億度的高溫下，新反應像閃電一樣快速地突然起爆。在此后的幾億年內(nèi)恒星又得到暫時的平衡。但是調(diào)整的結(jié)果是恒星極大地膨脹了，體積將增大10億倍，在這個過程中恒星的顏色會變紅，因為其外層與高溫的核心區(qū)相距很遠，溫度就較低。此時的恒星稱為紅巨星。6.5.2 恒星的命運恒星的命運 在太陽內(nèi)每秒種有約6億噸氫變成了氦，其所有的氫都轉(zhuǎn)變?yōu)楹た沙掷m(xù)100億年左右，現(xiàn)在已燃燒了約50億年。 紅巨星遠不是恒星一生的終結(jié)，象太陽或比太陽小的恒星，成為紅巨星

10、后，它的外層會脫落，只剩下一個裸露的碳、氧核，8倍以下的恒星最終都將成為1.4倍太陽質(zhì)量以下的白矮星。 經(jīng)過數(shù)十億年的冷卻，從白矮星到棕矮星最后變成。 對于8倍太陽質(zhì)量以上的恒星，由于內(nèi)核質(zhì)量超過1.4倍太陽質(zhì)量，在巨大引力的壓縮下，溫度可升到6億度以上，碳、氧核還能繼續(xù)核反應，聚合成氖和鎂，使溫度升得更高，最后都朝著一個元素鐵匯集。 不足維持引力平衡，鐵核就會被擠壓得更緊密，在0.1秒內(nèi)溫度猛升到50億度，涌出的光子帶有如此大的能量，以致于將鐵原子核炸開，蛻變成氦原子核，并吸收巨大能量，并使核進一步收縮，溫度持續(xù)上升，直到氦核也變成質(zhì)子、中子和電子。并出現(xiàn)所謂中子化過程。留下稱為的內(nèi)核。整個

11、過程稱為超新星爆發(fā)?？焖傩D(zhuǎn)的中子星會產(chǎn)生射電脈沖，也叫。6.5.3 神奇的星體神奇的星體黑洞黑洞倍以上太陽質(zhì)量的恒星將產(chǎn)生更為神奇的星體銀河系的結(jié)構(gòu)銀河系背景圖，黃色星球是太陽，可以看到黑洞的大致飛行路徑。 天文學家發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)快速飛行的黑洞天文學家發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)快速飛行的黑洞超新星爆炸后形成的黑洞及其周圍的黃色星球藝術(shù)效果圖 天文學家11月18日表示，宇宙爆炸產(chǎn)生的一個黑洞目前正在以比其周圍的星球高出四倍的速度穿過銀河系，這一發(fā)現(xiàn)也最好地證明了黑洞的確是超新星爆炸后產(chǎn)生的后代。天文學家表示，上述黑洞至少距離地球有6000光年，目前大致方向是朝著地球飛來，但近期不會對地球構(gòu)成威脅。這次之所以能

12、夠發(fā)現(xiàn)上述黑洞是因為它從身邊的一顆可以看到的星球中“吸取養(yǎng)料”，這顆可以看到的星球每2.6天繞黑洞飛行一周。負責這項研究的法國原子能委員會研究人員弗利克斯-米拉貝爾表示：“這是我們發(fā)現(xiàn)的第一個在銀河系內(nèi)部快速飛行的黑洞?！焙诙粗饕袃煞N類型，那些規(guī)模較大的黑洞主要形成于大型的星系中間，這次發(fā)現(xiàn)的是另外一種，即恒星黑洞，它們大多是在大型星球爆炸時產(chǎn)生的。星球爆炸時大多數(shù)物質(zhì)會被炸飛，但如果留下的物質(zhì)足夠大，大約是太陽的3到15倍，那么它們就會形成黑洞。這次發(fā)現(xiàn)的黑洞已被命名為“GRO J1655-40”。6.5.4人類的命運人類的命運整個宇宙來說存在著三種可能的命運，但不管是哪一種命運，我們的宇

13、宙最終都將不適宜生命的存在，更不適合人類的生存。因為宇宙無限地膨脹下去，整個宇宙的溫度趨于絕對零度，宇宙內(nèi)將沒有供給生命的能量。若宇宙膨脹到一定程度后收縮的話，最終宇宙的密度會越來越高，最終整個宇宙就是一個巨大的黑洞。人類的最終命運似乎非常悲哀，但我們也不必太過失望，根據(jù)目前宇宙學的預測整個宇宙適宜生命生存的時間大約可持續(xù)2000億年以上。 6.6 二十一世紀宇宙學面臨的問題二十一世紀宇宙學面臨的問題6.6.1 暗物質(zhì)問題暗物質(zhì)問題在星云周邊，隨便哪個星，都各以某一速度運動，使得離心力與引力相抗衡。因此我們?nèi)魷y出運動速度及運動半徑，我們就能推算出此半徑內(nèi)所包含的物質(zhì)總量。以星系NGC3192為

14、例，該星系發(fā)光的區(qū)域范圍約為15千秒差距，但到距離中心30千秒差距處，星的速度還在增加，這表示存在看不見的物質(zhì)。看不見的暗物質(zhì)不發(fā)可見光，紅外光或電磁波，但具有萬有引力。測量表明可見物質(zhì)在整個宇宙中只占不到10%。暗物質(zhì)分為重子暗物質(zhì)和非重子暗物質(zhì)（是弱作用粒子，例如中微子，弱作用重粒子WIMP等）。中國與意大利的合作小組曾發(fā)現(xiàn)了WIMP存在的跡象。 6.5.2 正反物質(zhì)的不對稱問題根據(jù)宇宙大爆炸理論，在宇宙的起始階段粒子和反粒子是等量的，然而如今的宇宙只有粒子構(gòu)成的正物質(zhì)，而找不到由反粒子構(gòu)成的反物質(zhì)，這是為什么？是我們還沒有找到還是宇宙中已不存在反物質(zhì)？ 為了尋找宇宙中的反物質(zhì)，國際上成立

15、了以美籍華人丁肇中為首的國際合作組，于 1998 年用航天飛機發(fā)射了核心部件由中國制造的磁譜儀， 并計劃于 2003 年建立起空間站。 即使能找到反物質(zhì)，其量也必定不能同正物質(zhì)相比，否則宇宙將時時處于激烈的爆炸之中。 那么為什么反物質(zhì)比正物質(zhì)少呢？目前有二種可能的解釋，一種認為宇宙開始時正、反粒子確實幾乎相等，但由于某種漲落存在微小的差別，后來正、反粒子碰到一起轉(zhuǎn)化為能量，只留下我們現(xiàn)稱其為正物質(zhì)那種。另一種解釋是日本科學家提出的。認為宇宙間正反物質(zhì)的不對稱是由于反粒子消亡更快些，以致現(xiàn)今的宇宙正物質(zhì)更多些。 6.5.3 微觀與宇宙的統(tǒng)一微觀與宇宙的統(tǒng)一 旋轉(zhuǎn)星系 超新星爆發(fā)距距 離離(A U

16、 )半半 徑徑(地 球 )質(zhì)質(zhì) 量量(地 球 )軌軌 道道 傾傾 角角(度度 )軌軌 道道偏 心 率傾 斜 度密 度(g /cm3)太太 陽陽01 0 93 3 2 ,8 0 0-1 .4 1 0水水 星星0 .3 90 .3 80 .0 570 .2 0 5 60 .1 5 .4 3金金 星星0 .7 20 .9 50 .8 93 .3 9 40 .0 0 6 81 7 7 .4 5 .2 5地地 球球1 .01 .0 01 .0 00 .0 0 00 .0 1 6 72 3 .4 5 5 .5 2火火 星星1 .50 .5 30 .1 11 .8 5 00 .0 9 3 42 5 .1 9

17、 3 .9 5木木 星星5 .21 1 .03 1 81 .3 0 80 .0 4 8 33 .1 2 1 .3 3土土 星星9 .59 .59 52 .4 8 80 .0 5 6 02 6 .7 3 0 .6 9天天 王王 星星1 9 .24 .01 70 .7 7 40 .0 4 6 19 7 .8 6 1 .2 9海海 王王 星星3 0 .13 .91 71 .7 7 40 .0 0 9 72 9 .5 6 1 .6 4冥冥 王王 星星3 9 .50 .1 80 .0 0 21 7 .1 50 .2 4 8 21 1 9 .6 2 .0 3The Corona is the Suns outer atmosphere. It is visible during total eclipses of the Sun as a pearly white crown surrounding the Sun. The corona displays a variety of features including streamers, plumes, and loops. The X-Ray CoronaflareThe solar wind streams off of the Sun in all direction