現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論宇宙

1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論目目 錄錄1. 古今中外描述宇宙的模型古今中外描述宇宙的模型2. 從太陽(yáng)系到廣闊的恒星世界從太陽(yáng)系到廣闊的恒星世界3銀河系的發(fā)現(xiàn)銀河系的發(fā)現(xiàn)4發(fā)現(xiàn)河外星系發(fā)現(xiàn)河外星系5現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生6 宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)7. 宇宙學(xué)原理宇宙學(xué)原理8 . 宇宙大爆炸模型的產(chǎn)生宇宙大爆炸模型的產(chǎn)生9 . 支持大爆炸理論的證據(jù)支持大爆炸理論的證據(jù)10. 宇宙無(wú)限說(shuō)引出的三個(gè)佯謬宇宙無(wú)限說(shuō)引出的三個(gè)佯謬什么是宇宙大爆炸？關(guān)于宇宙的起源人們?cè)谡J(rèn)知上又經(jīng)歷了怎樣的過程？視頻：調(diào)查視頻：調(diào)查什么是宇宙大爆炸什么是宇宙大爆炸1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模

2、型型(1) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(2) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(3) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(4) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(5) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(6) 三國(guó)西晉時(shí)期的哲學(xué)家三國(guó)西晉時(shí)期的哲學(xué)家楊泉楊泉還提出了還提出了“氣生銀河，再氣生銀河，再生眾星生眾星”的思想。他在的思想。他在物理論物理論中寫道：中寫道： 主張宇宙無(wú)限以及主張宇宙無(wú)限以及“氣氣”生萬(wàn)物的思生萬(wàn)物的思想想 “天了無(wú)質(zhì)，仰而瞻之，高遠(yuǎn)無(wú)極，天了無(wú)質(zhì)，仰而瞻之，高遠(yuǎn)無(wú)極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也眼瞀精絕，故

3、蒼蒼然也”。 “日月眾星，自然浮生虛空之中，日月眾星，自然浮生虛空之中，其行其止皆須氣焉其行其止皆須氣焉” ” （晉書（晉書天文志）天文志）“日月星宿亦積氣中之有光耀者日月星宿亦積氣中之有光耀者”（列子（列子天瑞天瑞篇）。篇）。 “氣發(fā)而升，精華上浮，宛轉(zhuǎn)隨流，名之曰天河，一曰氣發(fā)而升，精華上浮，宛轉(zhuǎn)隨流，名之曰天河，一曰云漢，眾星出焉云漢，眾星出焉”。2. 從太陽(yáng)系到廣闊的恒星世界從太陽(yáng)系到廣闊的恒星世界 17181718年，哈雷首次指出恒星不動(dòng)是錯(cuò)誤的年，哈雷首次指出恒星不動(dòng)是錯(cuò)誤的18371837年，斯特魯維測(cè)定織女星與太陽(yáng)的距離為年，斯特魯維測(cè)定織女星與太陽(yáng)的距離為165165萬(wàn)萬(wàn)AU

4、AU，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出太陽(yáng)系，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出太陽(yáng)系19121912年，勒維特發(fā)現(xiàn)年，勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星的光變周期與造父變星的光變周期與光度之間存在著確定關(guān)光度之間存在著確定關(guān)系，從而創(chuàng)立了一種測(cè)系，從而創(chuàng)立了一種測(cè)量遙遠(yuǎn)恒星的方法量遙遠(yuǎn)恒星的方法3銀河系的發(fā)現(xiàn)銀河系的發(fā)現(xiàn)1818世紀(jì)中，瑞典的斯維登堡、英國(guó)的賴特推世紀(jì)中，瑞典的斯維登堡、英國(guó)的賴特推測(cè)，測(cè)，“銀河銀河”是一個(gè)大量恒星組成的是一個(gè)大量恒星組成的“磨盤磨盤”狀體系，太陽(yáng)系雖在其內(nèi)，可能并不在中央狀體系，太陽(yáng)系雖在其內(nèi)，可能并不在中央 赫歇爾家族用大量的系統(tǒng)觀測(cè)事實(shí)發(fā)現(xiàn)，赫歇爾家族用大量的系統(tǒng)觀測(cè)事實(shí)發(fā)現(xiàn)，“銀銀河是一個(gè)盤狀旋臂結(jié)構(gòu)的星系河是一個(gè)

5、盤狀旋臂結(jié)構(gòu)的星系”，與今天的結(jié)論，與今天的結(jié)論十分接近。這是天文學(xué)上的第二個(gè)里程碑十分接近。這是天文學(xué)上的第二個(gè)里程碑赫歇爾兄妹探測(cè)了北半球赫歇爾兄妹探測(cè)了北半球10831083個(gè)天區(qū)共計(jì)個(gè)天區(qū)共計(jì)1111萬(wàn)萬(wàn)顆恒星，花費(fèi)了畢生精力，以致妹妹終生未嫁。顆恒星，花費(fèi)了畢生精力，以致妹妹終生未嫁。19181918年，沙普利在上述基礎(chǔ)上得出正確結(jié)論：年，沙普利在上述基礎(chǔ)上得出正確結(jié)論：“銀河系是一個(gè)直徑約銀河系是一個(gè)直徑約1010萬(wàn)光年的透鏡形天體萬(wàn)光年的透鏡形天體系統(tǒng)，太陽(yáng)處于離中心近系統(tǒng)，太陽(yáng)處于離中心近3 3萬(wàn)光年的一條旋臂里萬(wàn)光年的一條旋臂里”3銀河系的發(fā)現(xiàn)銀河系的發(fā)現(xiàn)小赫歇爾在南非好望角

6、探測(cè)了南半球小赫歇爾在南非好望角探測(cè)了南半球22992299個(gè)天個(gè)天區(qū)共探測(cè)統(tǒng)計(jì)了區(qū)共探測(cè)統(tǒng)計(jì)了7070萬(wàn)顆星萬(wàn)顆星 3銀河系的發(fā)現(xiàn)銀河系的發(fā)現(xiàn)哈勃哈勃19241924年確認(rèn)，年確認(rèn)，北半球天空肉眼可北半球天空肉眼可見的仙女座大星云，見的仙女座大星云，是一個(gè)遠(yuǎn)在銀河之是一個(gè)遠(yuǎn)在銀河之外、距離我們約外、距離我們約220220萬(wàn)光年的類似銀河萬(wàn)光年的類似銀河系的巨大星系。系的巨大星系。4發(fā)現(xiàn)河外星系發(fā)現(xiàn)河外星系直到直到2020世紀(jì)初，天文學(xué)家還認(rèn)為宇宙僅限于我世紀(jì)初，天文學(xué)家還認(rèn)為宇宙僅限于我們的銀河系，最遙遠(yuǎn)的恒星也只是在銀河系的們的銀河系，最遙遠(yuǎn)的恒星也只是在銀河系的邊緣上，之外則是黑暗的虛無(wú)

7、空間。邊緣上，之外則是黑暗的虛無(wú)空間。哈勃的發(fā)現(xiàn)最終結(jié)束了多年來(lái)關(guān)于這類漩渦星哈勃的發(fā)現(xiàn)最終結(jié)束了多年來(lái)關(guān)于這類漩渦星云是近鄰天體還是銀河系外云是近鄰天體還是銀河系外“宇宙島宇宙島”的爭(zhēng)論，的爭(zhēng)論，將人類認(rèn)識(shí)宇宙的范圍從銀河系擴(kuò)展到廣闊的將人類認(rèn)識(shí)宇宙的范圍從銀河系擴(kuò)展到廣闊的恒星世界恒星世界4發(fā)現(xiàn)河外星系發(fā)現(xiàn)河外星系19171917年愛因斯坦從廣義相對(duì)論得到一個(gè)年愛因斯坦從廣義相對(duì)論得到一個(gè)“有限有限無(wú)界無(wú)界的的靜態(tài)靜態(tài)宇宙宇宙”模型。模型。5現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生廣義相對(duì)論對(duì)于引力與時(shí)空的描述廣義相對(duì)論對(duì)于引力與時(shí)空的描述質(zhì)量質(zhì)量告訴空間如何彎曲，空間告訴質(zhì)量如何運(yùn)動(dòng)。告訴空間如

8、何彎曲，空間告訴質(zhì)量如何運(yùn)動(dòng)。 牛頓的重力牛頓的重力萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力（1 1）多普勒效應(yīng)，紅移和紫移）多普勒效應(yīng)，紅移和紫移 眾星系正在彼此遠(yuǎn)離眾星系正在彼此遠(yuǎn)離6宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn) 視頻視頻：多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)（2 2）哈勃定律）哈勃定律6宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn) （2 2）哈勃定律及宇宙的年齡）哈勃定律及宇宙的年齡6宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn) 宇宙年齡大約110180億年，較準(zhǔn)數(shù)據(jù)為137億年。宇宙學(xué)原理的含義宇宙學(xué)原理的含義 7. 宇宙學(xué)原理宇宙學(xué)原理 19271927年，勒梅特最先提出宇宙最初是個(gè)致密的年，勒梅特最先提出宇宙最初是個(gè)致密的“宇宙蛋宇宙蛋”，爆炸產(chǎn)生了膨

9、脹著的宇宙。，爆炸產(chǎn)生了膨脹著的宇宙。 8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 19421942年，伽莫夫和阿爾法、貝特等人將宇宙的膨年，伽莫夫和阿爾法、貝特等人將宇宙的膨脹與物質(zhì)的演化聯(lián)系起來(lái)，描繪了宇宙大爆炸。脹與物質(zhì)的演化聯(lián)系起來(lái)，描繪了宇宙大爆炸。視頻：宇宙大爆炸視頻：宇宙大爆炸8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 目前，地球平均密度為目前，地球平均密度為5 510103 3kgkgm m3 3，溫度，溫度300K300K；宇宙的平均密度約；宇宙的平均密度約1010-27-27kgkgcmcm3 3，溫度約，溫度約3K3K大爆炸模型給出的數(shù)據(jù)：起點(diǎn)起點(diǎn) 宇宙開始于宇宙開始于140140億年前

10、一個(gè)奇點(diǎn)億年前一個(gè)奇點(diǎn)爆炸的爆炸的“原原始火球始火球”，溫度無(wú)限高、密度無(wú)限大。，溫度無(wú)限高、密度無(wú)限大。普朗克時(shí)代普朗克時(shí)代 時(shí)間10-43s，密度1093kg/m3，溫度降到1032K。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 大統(tǒng)一時(shí)代 時(shí)間時(shí)間1010-35-35s s，溫度降到，溫度降到10102828K K，宇宙發(fā)生暴，宇宙發(fā)生暴漲，其直徑在漲，其直徑在1010-32-32s s時(shí)間內(nèi)增大了時(shí)間內(nèi)增大了10105050倍，引發(fā)產(chǎn)生了數(shù)倍，引發(fā)產(chǎn)生了數(shù)目驚人的粒子，引力已從統(tǒng)一作用分離，強(qiáng)力、弱力和目驚人的粒子，引力已從統(tǒng)一作用分離，強(qiáng)力、弱力和電磁力仍未分離出來(lái)，產(chǎn)生的粒子也沒有區(qū)分。等

11、數(shù)目電磁力仍未分離出來(lái)，產(chǎn)生的粒子也沒有區(qū)分。等數(shù)目的重子和反重子湮滅，形成了只有中子和質(zhì)子而幾乎看的重子和反重子湮滅，形成了只有中子和質(zhì)子而幾乎看不到反重子的不對(duì)稱宇宙。不到反重子的不對(duì)稱宇宙。強(qiáng)子時(shí)代 時(shí)間時(shí)間1010-6-6s s，溫度為，溫度為10101414K K。輕子時(shí)代 時(shí)間時(shí)間1010-2-2s s，溫度為，溫度為10101212K K。強(qiáng)作用、弱作用。強(qiáng)作用、弱作用和電磁作用逐漸分離。出現(xiàn)了各種粒子，包括現(xiàn)今各種和電磁作用逐漸分離。出現(xiàn)了各種粒子，包括現(xiàn)今各種高能加速器中能產(chǎn)生的那些粒子。由于溫度很高（高能加速器中能產(chǎn)生的那些粒子。由于溫度很高（10101010K K以上），

12、原子還沒有形成。以上），原子還沒有形成。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 輻射時(shí)代 時(shí)間時(shí)間1 110s10s，溫度降至，溫度降至10101010-5-510109 9K K，質(zhì)，質(zhì)子和反質(zhì)子、電子和正電子相遇時(shí)湮滅，從而產(chǎn)生了大子和反質(zhì)子、電子和正電子相遇時(shí)湮滅，從而產(chǎn)生了大量光子、中微子以及反中微子，基本粒子開始結(jié)合成原量光子、中微子以及反中微子，基本粒子開始結(jié)合成原子核，能量以光子輻射形式出現(xiàn)。子核，能量以光子輻射形式出現(xiàn)。氦形成時(shí)代 時(shí)間約時(shí)間約3 3分鐘，溫度降至分鐘，溫度降至10109 9K K，直徑膨脹，直徑膨脹到約到約1 1光年，近三成物質(zhì)合成為氦，核反應(yīng)消失。半小光年，近三

13、成物質(zhì)合成為氦，核反應(yīng)消失。半小時(shí)后，有質(zhì)量的粒子數(shù)和光子數(shù)的比達(dá)到了時(shí)后，有質(zhì)量的粒子數(shù)和光子數(shù)的比達(dá)到了1010-9-9，輻射，輻射密度仍然大于物質(zhì)密度。密度仍然大于物質(zhì)密度。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 粒子數(shù)豐度穩(wěn)定時(shí)代 半小時(shí)后，溫度降低到半小時(shí)后，溫度降低到10108 8K K，各種粒子在相互碰撞中因能量不足已不能相互轉(zhuǎn)化各種粒子在相互碰撞中因能量不足已不能相互轉(zhuǎn)化 各各粒子數(shù)的豐度趨于穩(wěn)定。粒子數(shù)的豐度趨于穩(wěn)定。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 進(jìn)入物質(zhì)時(shí)代 時(shí)間時(shí)間1000100020002000年，溫度降至約年，溫度降至約10105 5K K，物質(zhì)密度開始大于輻射密度

14、。物質(zhì)密度開始大于輻射密度。 物質(zhì)從背景輻射中分離出來(lái) 時(shí)間時(shí)間10105 5年，溫度約降年，溫度約降至至5 000K5 000K，物質(zhì)溫度開始低于輻射溫度，最重和最輕的，物質(zhì)溫度開始低于輻射溫度，最重和最輕的基本粒子數(shù)的比值保持恒定。大約經(jīng)過基本粒子數(shù)的比值保持恒定。大約經(jīng)過10106 6年，爆炸初年，爆炸初期產(chǎn)生的光子的能量降到了不足以擊碎原子甚至激發(fā)原期產(chǎn)生的光子的能量降到了不足以擊碎原子甚至激發(fā)原子的程度，宇宙開始進(jìn)入了光子和原子相互分離的退耦子的程度，宇宙開始進(jìn)入了光子和原子相互分離的退耦時(shí)代，宇宙變得透明，溫度大約降為時(shí)代，宇宙變得透明，溫度大約降為3 000K3 000K，原子開

15、始，原子開始形成，但只能產(chǎn)生較輕的元素，較重的元素要在星系、形成，但只能產(chǎn)生較輕的元素，較重的元素要在星系、恒星形成后在其內(nèi)部形成，超過鐵的更重元素則是在超恒星形成后在其內(nèi)部形成，超過鐵的更重元素則是在超新星爆發(fā)或星系的碰撞、爆發(fā)中形成的。新星爆發(fā)或星系的碰撞、爆發(fā)中形成的。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 星系形成 時(shí)間時(shí)間10108 8年，輻射溫度約降至年，輻射溫度約降至100K100K，星系，星系開始形成。開始形成。類星體、恒星、行星及生命先后出現(xiàn) 時(shí)間時(shí)間10109 9年，年，溫度降至約溫度降至約12K12K，太空逐漸形成我們今天能觀測(cè)到的情，太空逐漸形成我們今天能觀測(cè)到的情景。景。

16、目前階段 時(shí)間時(shí)間10101010年，輻射溫度約降至年，輻射溫度約降至3K3K，星系溫，星系溫度約度約10105 5K K。8. 宇宙大爆炸模型的產(chǎn)生宇宙大爆炸模型的產(chǎn)生 宇宙大爆炸理論框架仍具有很大的魅力，在觀宇宙大爆炸理論框架仍具有很大的魅力，在觀測(cè)事實(shí)面前大多數(shù)人接受了測(cè)事實(shí)面前大多數(shù)人接受了,的學(xué)說(shuō)。的學(xué)說(shuō)。 宇宙大爆炸模型還預(yù)言，早期核反應(yīng)產(chǎn)生的氦宇宙大爆炸模型還預(yù)言，早期核反應(yīng)產(chǎn)生的氦元素應(yīng)該保留到現(xiàn)在，估計(jì)應(yīng)當(dāng)占宇宙總物質(zhì)的元素應(yīng)該保留到現(xiàn)在，估計(jì)應(yīng)當(dāng)占宇宙總物質(zhì)的1/41/4；大爆炸的余熱現(xiàn)今也還存在，估計(jì)溫度約在；大爆炸的余熱現(xiàn)今也還存在，估計(jì)溫度約在3K3K左右等，這些預(yù)言

17、都被陸續(xù)證實(shí)左右等，這些預(yù)言都被陸續(xù)證實(shí)。 9支持大爆炸理論的證據(jù)支持大爆炸理論的證據(jù)根據(jù)哈勃定律：大爆炸起點(diǎn)距今約根據(jù)哈勃定律：大爆炸起點(diǎn)距今約110-180110-180億年億年視頻：大爆炸使氫和氦質(zhì)量的豐度比約為視頻：大爆炸使氫和氦質(zhì)量的豐度比約為7575：2525視頻視頻: :彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的3K3K的微波背景輻射的微波背景輻射10宇宙無(wú)限說(shuō)引出的三個(gè)佯謬宇宙無(wú)限說(shuō)引出的三個(gè)佯謬如果宇宙無(wú)限如果宇宙無(wú)限 恒星大致均勻恒星大致均勻 天空的光度無(wú)限天空的光度無(wú)限白天黑夜相同白天黑夜相同 而現(xiàn)實(shí)中的晝夜分明而現(xiàn)實(shí)中的晝夜分明 奧伯斯佯謬奧伯斯佯謬如果宇宙無(wú)限如果宇宙無(wú)限 無(wú)數(shù)的恒星無(wú)數(shù)的恒星 天體之間萬(wàn)有引力天體之間萬(wàn)有引力任何方向無(wú)限大任何方向無(wú)限大 撕得粉碎撕得粉碎 現(xiàn)實(shí)中并非如此現(xiàn)實(shí)中并非如此奧地利物理學(xué)家克勞修斯無(wú)限宇宙的能量是守恒奧地利物理學(xué)家克勞修斯無(wú)限宇宙的能量是守恒 越來(lái)越無(wú)序越來(lái)越無(wú)序 一切變化將會(huì)停止一切變化將會(huì)停止 “ “永恒的死寂永恒的死寂”視頻：視頻：臨界密度與臨界密度與宇宙的未來(lái)宇宙