第二講-宇宙學(xué)論課件

1、1第二講 宇宙學(xué)2主要內(nèi)容：一、中外古代宇宙觀二、現(xiàn)代宇宙觀的發(fā)展三、兩種宇宙時空觀的建立 (牛頓、愛因斯坦)四、宇宙的起源五、宇宙的演化六、宇宙的可能結(jié)局3太陽并不位于宇宙中心銀河系不是宇宙的全部內(nèi)容？ 從整體角度探討宇宙結(jié)構(gòu)和演化的天文學(xué)分支學(xué)科宇宙學(xué)是研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和演化的學(xué)科。宇宙中除了空間、時間、物質(zhì)以外，再沒有任何其他的東西了，所以 宇宙論也就是研究空間、時間、物質(zhì)相互關(guān)系的一門科學(xué)。4一、中外古代的宇宙觀5中國古代的宇宙觀中國古代三種有代表性的宇宙觀蓋天說（周初）：地是平坦的，天如傘一樣覆蓋大地。渾天說（戰(zhàn)國）：天地有蛋形結(jié)構(gòu)，地在中心，天在地周圍。宣夜說（戰(zhàn)國）：天無限而空

2、虛，星辰懸浮空虛之中。6蓋天說蓋天說最早起源于西周。是中國最古老的討論天地結(jié)構(gòu)的體系。蓋天說認(rèn)為，天是圓形的，像一把張開的大傘覆蓋在地上；地是方形的，像一個棋盤，日月星辰則像爬蟲一樣過往天空，因此這一學(xué)說又被稱為“天圓地方說”。蓋天說認(rèn)為日月星辰的出沒并非真的出沒而只是離遠(yuǎn)了就看不見離得近了就看見它們照耀。比如，太陽只能照射16.7萬里，超過這個距離就什么也看不見了。因此白天就是太陽走到距離我們16.7萬里以內(nèi)的范圍，而晚上則在該范圍之外。 7蓋天說蓋天說宇宙結(jié)構(gòu)理論力圖說明太陽運行的軌道設(shè)計了一個七衡六間圖。太陽在天蓋上的周日運動一年中有七條道路，稱為“七衡”。最內(nèi)一道叫內(nèi)衡，夏至日太陽就沿

3、內(nèi)衡走一圈；最外一圈叫“外衡”，是冬至日太陽的路徑；其它節(jié)氣里，太陽沿中間的五道運行?！吧w天說” 無疑是古代人們從直觀出發(fā)，再加以想象而提出來的。問題：天地是如何連接起來？8渾天說“渾天說”出現(xiàn)在戰(zhàn)國時代，它認(rèn)為，渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子黃，孤居于內(nèi)，天大而地小。地球不是孤零零地懸在空中的而是浮在水上后來又有人認(rèn)為地球浮在氣中。渾天說認(rèn)為全天恒星都布于一個“天球”上而日月五星則附麗于“天球”上運行。因而渾天說采用球面坐標(biāo)系如赤道坐標(biāo)系來量度天體的位置計量天體的運動。渾天說不只是一種宇宙學(xué)說而且是一種觀測和測量天體視運動的計算體系，類似現(xiàn)代的球面天文學(xué)。“渾天說”認(rèn)為大地是球形的，天也

4、是球形的，這顯然要比“蓋天說”進(jìn)步。它實際上是中國歷史上的“地球中心說”。9宣夜說在東漢時還有一種解釋宇宙本質(zhì)的“宣夜說”。宣夜說它主張無限宇宙論。不僅認(rèn)為宇宙在空間上是無邊無際的，而且還進(jìn)一步提出宇宙在時間上也是無始無終的、無限的思想。宣夜說創(chuàng)造了天體漂浮于氣體中的理論，并且在它的進(jìn)一步發(fā)展中認(rèn)為連天體自身、包括遙遠(yuǎn)的恒星和銀河都是由氣體組成。星辰日月的運動規(guī)律是由它們各自的特性所決定的，決沒有堅硬的天球來束縛它們。宣夜說打破了固體天球的觀念，這在古代眾多的宇宙學(xué)說中是非常難得的。10國外古代的宇宙觀的發(fā)展在外國，對宇宙結(jié)構(gòu)也有各種各樣的說法和理論。古代巴比倫人認(rèn)為，大地猶如拱起的烏龜，天空

5、乃是半球形的穹廬。古埃及人的宇宙觀：星星分布在女神身上，而女神卻是伏在地上11古代印度人認(rèn)為，大地馱在象背上，大象站在龜身上，海龜浮在海洋上。古希臘對于宇宙結(jié)構(gòu)有不同的學(xué)說，有人認(rèn)為地球是一個浮在水面的扁盤；有人認(rèn)為地球是一個球，居于世界的中央，這大概是“地球中心說”的雛形；也有人認(rèn)為，地球繞軸旋轉(zhuǎn)分晝夜，繞日旋轉(zhuǎn)成周歲，這大概可算是“太陽中心說”的前驅(qū)了。12地心說的起源很早，最初是由古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出的。認(rèn)為：宇宙是圓形的，地球是宇宙的中心，地球外面是水，空氣和火，再外面載著月球其它行星和太陽，恒星的水晶球。問題：無法解釋觀測到的行星逆行現(xiàn)象。“地球中心說”公元140年前后，天文學(xué)

6、家克羅狄斯托勒密繼承和發(fā)展了亞里士多德的地心說，建立了宇宙地心說。13托勒密的地心說的主要觀點是：第一，地球位于宇宙中心靜止不動。第二，每顆行星都在一個稱為“本輪”的小圓形軌道上勻速轉(zhuǎn)動。而本輪中心在稱為“均輪”的大圓軌道上繞地球勻速轉(zhuǎn)動，但地球不在均輪圓心，它與圓心有一定的距離。第三，水星和金星的本輪中心位于地球與太陽的聯(lián)線上，本輪中心在均輪上一年轉(zhuǎn)一周，火星、木星、土星到它們各自的本輪中心的直線就是一周。第四，恒星都位于被稱為“恒星天”的固體殼層上。日、月、行星除上述運動外，還與“恒星天”一起，每天繞地球轉(zhuǎn)一圈。1415“地球中心說”托勒密的“地球中心說”在天文學(xué)的發(fā)展中起過一定的進(jìn)步作用

7、，它推動了觀測天文學(xué)的發(fā)展；但是，由于日地關(guān)系被完全顛倒了，人的認(rèn)識越向前發(fā)展，這個學(xué)說就越露出了破綻。16現(xiàn)代天文學(xué)的起源-日心說在宇宙結(jié)構(gòu)問題上帶革命性的學(xué)說，是十六世紀(jì)波蘭天文學(xué)家哥白尼提出的“太陽中心說”。他認(rèn)為，太陽是宇宙的中心，地球和水星、金星、火星、木星、土星等繞太陽旋轉(zhuǎn)天穹的視運動只不過是地球自旋的反映而已。哥白尼的宇宙體系17它推翻了日動地靜的說法，在太陽系范圍內(nèi)，符合實際情況。但是，它認(rèn)為太陽是宇宙的中心，這顯然是不正確的。在哥白尼身后，布魯諾、伽利略等人把哥白尼的學(xué)說朝前發(fā)展，認(rèn)為宇宙是無限的；天上無數(shù)個星星就是無數(shù)個世界，所以太陽并不是宇宙的中心。對無限的宇宙來講，根本

8、無所謂中心，或者說，處處是中心。？18哥白尼的學(xué)說第一次把宇宙學(xué)放在科學(xué)的基礎(chǔ)上。其后，開普勒根據(jù)他的老師第谷的大量觀測資料，總結(jié)出行星運動的三大定律；特別是牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律和總結(jié)出動力學(xué)三大定律后，經(jīng)典的現(xiàn)代宇宙學(xué)形成了。從二十世紀(jì)愛因斯坦的廣義相對論到二十一世紀(jì)霍金的黑洞理論學(xué)說，現(xiàn)代天文學(xué)對宇宙的起源有了新的理解和定義。19天地結(jié)構(gòu)，是人們認(rèn)識的宇宙哥白尼時代的宇宙，實際上是指太陽系；隨著觀測手段的改進(jìn)，人們發(fā)現(xiàn)銀河原來是由千萬顆恒星組成的，這些恒星和觀測可見的其他恒星組成了銀河系，太陽只不過是銀河系中一顆普通的恒星，這時人們談起的宇宙無非是銀河系而已；以后觀測發(fā)現(xiàn)銀河系外還有許許

9、多多象銀河系一樣的星系，現(xiàn)在人們認(rèn)為它們組成了總星系，它們有整體結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律和演化方式，總星系就是現(xiàn)在人們所認(rèn)識的宇宙。20二、兩種不同時空觀牛頓時空觀: 盛放物質(zhì)的容器。愛因斯坦時空觀:靜態(tài)、有限、無界的時空。21 牛頓的力學(xué)方程中沒有宇宙中心的位置，任何時空點都是平等的，即相對于任何時空點來計算，物理規(guī)律都是一樣的。這就是牛頓時空觀中的相對性。牛頓對時間的認(rèn)識是“絕對的、純粹的、數(shù)學(xué)的時間，就其本身和本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關(guān)?！迸ｎD對空間的認(rèn)識是“絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關(guān)，始終保持著相似和不變?！迸ｎD的空間是一個與物質(zhì)無關(guān)的、存放物質(zhì)的容器。牛頓時空

10、觀: 盛放物質(zhì)的容器。22在牛頓之前的宇宙模型都是有限、無邊的。如果用牛頓時空觀去解釋宇宙，就會得出宇宙是無限無邊的概念，且宇宙中天體的數(shù)目也是無限的，無論我們走到哪里，周圍總是布滿了天體。很早就有人懷疑宇宙是無限的這個說法，最著名的是1826年奧伯斯提出的一個論證，稱之為奧伯斯佯謬。奧伯斯佯謬-牛頓宇宙的問題 ？23在距離地面r到r+r的地殼中，恒星的數(shù)目為N。地面接受到的照度所以無論何時地面接受到的累積照度都會無限亮，結(jié)論：24 奧伯斯佯謬 基本觀點：空間是無限的，在這無限的空間中，充滿了無限多的恒星。 每顆星雖然都有生有滅，但從總體看，可以認(rèn)為宇宙的密度保持為常數(shù)。從統(tǒng)計觀點出發(fā)，可以假

11、定恒星的發(fā)光強度L基本不變，光的傳播規(guī)律（照度Er-2）在宇宙中處處相同。時間是無限的，從總體來說恒星可無限期地存在125rL00 也就是說白天和黑夜應(yīng)該一樣亮，地球不應(yīng)該有白天黑夜之分。 按照牛頓時空模型得到的結(jié)論卻如此荒謬，這表明牛頓宇宙模型中總有些東西并非客觀事實。2627空間和時間在狹義相對論里被想象成一個統(tǒng)一的四維連續(xù)體，即四維時空，時間和空間不僅和運動有關(guān)系，而且相互之間不再是獨立的。運動物體收縮，運動時鐘變慢。廣義相對論中時空是彎曲的，而曲率的大小由此處引力場的強弱決定。廣義相對論的時空不是剛性和均勻的，徹底否定了牛頓的與物質(zhì)運動無關(guān)的絕對時空。愛因斯坦以廣義相對論時空觀為基礎(chǔ)的

12、建立的宇宙模型，是一個靜態(tài)的、有限無邊的閉合三維超球面。愛因斯坦相對論時空觀: 有限無邊的閉合三維球面28三、宇宙的起源29大爆炸宇宙學(xué)的發(fā)展和逐步建立過程7世紀(jì) 牛頓開創(chuàng)用力學(xué)方法研究宇宙學(xué)的途徑，建立經(jīng)典宇宙學(xué)。1917年 愛因斯坦根據(jù)廣義相對論建立了一個“靜止、有限、無界”的宇宙模型，引進(jìn)宇宙學(xué)原理、彎曲時空等概念，從而開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的時代。1922年，前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼研究了愛因斯坦所作的計算，認(rèn)為靜態(tài)宇宙僅僅是場方程的一個解，應(yīng)該還有一個膨脹宇宙解。301927年 比利時主教、天文學(xué)家勒梅特提出均勻各向同性膨脹宇宙學(xué)模型。1932年 勒梅特提出“原始原子”爆炸形成宇宙的概念。

13、1948年 美國天文學(xué)家伽莫夫發(fā)展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙論的基礎(chǔ)。31宇宙的起源本世紀(jì)，有兩種宇宙起源模型比較有影響。一是穩(wěn)態(tài)理論，一是大爆炸理論。若干世紀(jì)以來，很多科學(xué)家認(rèn)為宇宙除去一些細(xì)微部分外，基本沒有什么變化。宇宙不需要一個開端或結(jié)束。即使是在發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹之后，這種想法也沒有被放棄。 32穩(wěn)態(tài)理論托馬斯.戈爾德(Thomas Gold)，赫爾曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊爾(Fred Hoyle)于40年代后期提出，物質(zhì)正以恰當(dāng)?shù)乃俣炔粩鄤?chuàng)生著，這一創(chuàng)生速度剛好與因膨脹而使物質(zhì)變稀的效果相平衡，從而使宇宙中的物質(zhì)密度維持不變。這種狀態(tài)從無限久遠(yuǎn)的過去一直存在

14、至今，并將永遠(yuǎn)地繼續(xù)下去。宇宙在任何時候，平均來說始終保持相同的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)理論所要求的創(chuàng)生速率很小，每100億年中，在一立方米的體積內(nèi)，大約創(chuàng)生1個原子。穩(wěn)態(tài)理論的優(yōu)點之一是它的明確性。它非常肯定地預(yù)言宇宙應(yīng)該是什么樣子的 。也正因如此 ，它很容易遭受觀測事實的質(zhì)疑或反駁。當(dāng)宇宙背景輻射被發(fā)現(xiàn)后，這一理論基本上已被否定。33大爆炸宇宙論 34大爆炸理論的提出宇宙的產(chǎn)生為什么會想到大爆炸？二十世紀(jì)匈牙利科學(xué)家勒梅特設(shè)想：物質(zhì)結(jié)構(gòu)和次序的認(rèn)識：物質(zhì)的形成由簡到繁。熵增原理：最簡單就是一個原子-原始的原子的演變到現(xiàn)在的宇宙想到大爆炸理論的人是愛因斯坦35廣義相對論理論基礎(chǔ)宇宙紅移的觀測事實宇宙大爆炸

15、理論觀念的形成36大爆炸理論驗證20年代后期，愛德溫哈勃(Edwin Hubble)發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，說明宇宙正在膨脹。60年代中期，阿爾諾彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特威爾遜(Robert Wilson)發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”。這兩個發(fā)現(xiàn)給大爆炸理論以有力的支持。37伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念理論1950年前后，伽莫夫（美籍俄國）第一個建立了熱大爆炸的觀念。伽莫夫認(rèn)為，宇宙開始于高溫、高密度的原始物質(zhì)。最初溫度超過幾十億度，很快降至十億度，那時的宇宙中充滿的是輻射和基本粒子，隨后溫度持續(xù)下降，宇宙開始膨脹。當(dāng)膨脹持續(xù)了幾百萬年時，溫度冷卻至四千度，物質(zhì)逐漸凝聚成星云，再

16、演化成今天的各種天體。這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸，事實上應(yīng)該理解為整個空間同時的急劇膨脹。38理論提出后中間有經(jīng)過很多人的修正補充并且完善。該理論最核心的一點是：如果理論成立，那么宇宙將一邊膨脹，一邊降溫，那么降到現(xiàn)在宇宙邊緣的溫度應(yīng)該降到5度（絕對溫標(biāo)）左右。理論提出，等待驗證。但是比較困難。39“宇宙微波背景輻射”二十世紀(jì)六十年代初，美國貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的接收通訊天線系統(tǒng)。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度時，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲，他們認(rèn)為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5K的熱輻射。1965年他們又

17、將其修正為3K，并將這一發(fā)現(xiàn)公布，為此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。40早期的宇宙背景輻射觀測 彭齊亞斯（左） 和威爾遜（右）41黑體輻射譜微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜。從 0.054厘米直到數(shù)十厘米波段的測量表明，背景輻射是溫度近于2.7K的黑體輻射，習(xí)慣稱為3K背景輻射。 42黑體譜現(xiàn)象表明，微波背景輻射是極大時空范圍內(nèi)的事件。因為只有通過輻射與物質(zhì)之間的相互作用，才能形成黑體譜。由于現(xiàn)今宇宙空間的物質(zhì)密度極低，輻射與物質(zhì)的相互作用極小，所以，我們今天觀測到的黑體譜必定起源于很久以前。43各向同性的背景輻射微波背景輻射的另一特征是具有極高的各向同性。這具有兩方面的含義： 小

18、尺度上的各向同性：在小到幾十弧分的范圍內(nèi)，輻射強度的起伏小于0.2-0.3%； 大尺度上的各向同性：沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小于0.3%。各向同性說明，在各個不同方向上，各個相距非常遙遠(yuǎn)的天區(qū)之間，應(yīng)當(dāng)存在過相互聯(lián)系。 443K背景輻射與理論相符微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是二十世紀(jì)天文學(xué)的重大成就，目前的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學(xué)的強有力支持。3K背景輻射與四十年代伽莫夫、海爾曼和阿爾菲根據(jù)當(dāng)時已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射理論相符。45宇宙紅移的觀測再次證明了大爆炸理論二十世紀(jì)30年代，哈勃工作在美國的威爾遜天文臺測量其它星

19、系相對于銀河系的運動時，發(fā)現(xiàn)各個星系都在遠(yuǎn)離銀河系。從而得出了哈勃定律。Vesto Slipher第一個發(fā)現(xiàn)了星系紅移現(xiàn)象Edwin Hubble確立了紅移與距離之間的關(guān)系：哈勃定律46紅移現(xiàn)象通常認(rèn)為這種紅移是由宇宙膨脹的多普勒效應(yīng)引起。光是電磁波。當(dāng)光源遠(yuǎn)離觀測者時，接受到的光波頻率比其固有頻率低，即向紅端偏移，這種現(xiàn)象稱為“紅移”。當(dāng)光源接近觀測者時，接受頻率增高，相當(dāng)于向藍(lán)端偏移，稱為“藍(lán)移”。47哈勃定律哈勃發(fā)現(xiàn)，來自星系的光譜呈現(xiàn)某種系統(tǒng)性的紅移。即星系正在遠(yuǎn)離我們。將星系中特定原子的光譜與地球上實驗室內(nèi)同種原子的光譜進(jìn)行比較，可以確定光源正在以多大的速度退行。哈勃發(fā)現(xiàn)，離我們越遠(yuǎn)

20、的星系退行速度越高，而且兩者之間存在線性關(guān)系，即V=HD（其中H是哈勃常數(shù)），這個關(guān)系稱為哈勃定律。哈勃定律的偉大意義，不僅在于它證實了宇宙的膨脹，而且還提供了一種估計宇宙年齡的手段。大學(xué)物理 哈勃定律的意義 哈勃定律反映了宇宙的膨脹 星系的距離DV/H0 假設(shè)： 如果宇宙的膨脹是均勻的 可以確定： 宇宙的年齡 tD/V1/H0 星系的退行表明在過去它們必定離得很近，宇宙膨脹的起點是什么？大學(xué)物理 哈勃常數(shù)的測定：WMAP和SDSS的2003年結(jié)果： H0 717km/(sMpc)，相應(yīng)的宇宙年齡為1/H0=138(14)億年；馬歇爾太空飛行中心（MSFC）2006年: 77 km/(sMpc

21、) ，誤差大約是15%。 2009.5.7，NASA發(fā)布最新測量結(jié)果： 74.2 3.6 km/(s*Mpc)，不確定度5%以內(nèi)。 方法： 星系造父變星法測距離 宇宙學(xué)紅移多普勒效應(yīng)測速度。小知識：造父變星（Cepheid variable star）是一類高光度周期性脈動變星，也就是其亮度隨時間呈周期性變化。因典型星仙王座（中文名造父一）而得名。由于根據(jù)造父變星周光關(guān)系可以確定星團(tuán)、星系的距離，因此造父變星被譽為“量天尺”。5051膨脹中宇宙的性質(zhì)使人困惑從地球的角度來看，好象遙遠(yuǎn)的星系都正飛快地遠(yuǎn)離我們而去。但是，這并不意味著地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨脹圖像都是相同的。

22、可以說每一點都是中心，又沒有一點是中心。我們最好把它想象成星系間的空間在伸長或膨脹，而不是星系在空間中運動。這一點與我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降脑从谝稽c的爆炸不同。52空間的伸長空間可以伸長這一事實看上去似乎離奇古怪，不過這卻是1915年愛因斯坦廣義相對論發(fā)表以來科學(xué)家們早就熟知的概念。廣義相對論認(rèn)為，引力實際上是空間（嚴(yán)格地說是時空）彎曲或變形的一種表現(xiàn)。從某種意義上來說空間是有彈性的，可以按某種方式彎曲或伸長，具體情況取決于物質(zhì)的排列。這個思想已為觀測所充分證實。53膨脹空間的基本概念可通過一項簡單的模擬來加以理解。想象在一條松緊帶上縫有一排鈕扣。假定從松緊帶的兩端把它拉長，結(jié)果所有的鈕扣都彼此遠(yuǎn)

23、離。不論我們選擇從哪個鈕扣來看，它鄰側(cè)的鈕扣似乎都在遠(yuǎn)離，而且這種膨脹是處處相同的，不存在特殊的中心。只要把這條帶鈕扣的松緊帶無限加長，或環(huán)成一個圓圈，這個中心便不再存在了。54從任意一個鈕扣來看，離它最近的鈕扣以某種速度退行，再下一個鈕扣則以兩倍數(shù)度退行，依此類推。在你看來，鈕扣離得越遠(yuǎn)，它退行得越快。因此這種膨脹意味著退行速度與距離成正比-這是一個極為重要的關(guān)系。借助這個圖像，我們現(xiàn)在就可想象出光波是如何在膨脹空間中或星系間傳播的。當(dāng)空間伸長時，光波波長也跟著變長，這就解釋了宇宙學(xué)紅移現(xiàn)象。哈勃發(fā)現(xiàn)，紅移量與距離成正比，同這個簡單的圖像模擬結(jié)果完全一致。55另外一個證據(jù)：元素氦豐度分布宇宙

24、中He的分布與預(yù)期的不吻合。如果是氫的聚變熱核反應(yīng)得到氦，那么氦的總量不超過幾%的數(shù)量級。但是測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)氦的含量約占四分之一，其余70%的氫和少量的其它元素。唯一的解釋：在大爆炸過程中產(chǎn)生大量能量，迫使的大量的氫聚變成氦，造成氦過量。56大爆炸理論認(rèn)為，宇宙起源于一個單獨的無維度的點，即一個在空間和時間上都無尺度但卻包含了宇宙全部物質(zhì)的奇點。至少是在100150億年以前，宇宙及空間本身由這個點爆炸形成。57四、 宇宙的演化58宇宙最初演化的三分鐘年齡=0.01秒，溫度大約1011K -一團(tuán)混沌年齡=1.1秒，溫度大約1010K -電子中子和質(zhì)子形成年齡=3分鐘，溫度大約109K -元素氫氦產(chǎn)

25、生年齡=3分45秒，宇宙基本形成59引力收縮（gravitational contraction）按照一般的看法，太陽系、恒星、星系等都是由原始星云在自身引力作用下逐漸凝縮而成的。在原始?xì)怏w彌漫物質(zhì)中存在著密度的隨機漲落。那些密度比周圍高的區(qū)域，如果有足夠大的尺度，在自身引力作用下的收縮趨勢便會超過分子熱運動（即壓力）的彌散趨勢而開始收縮，使密度進(jìn)一步增大，終于形成一個密度遠(yuǎn)高于周圍氣體的區(qū)域。這種情況稱為引力收縮。60一般認(rèn)為，在原始星云中，往往是先收縮成大云塊，然后，由于大云塊在收縮過程中密度增大，在內(nèi)部觸發(fā)第二次收縮，使大云塊本身碎裂成為若干小云塊。后者即為恒星的前身星胚。星胚再逐漸演化

26、成為恒星。 61四、 宇宙可能的結(jié)局 62三種宇宙膨脹狀態(tài)宇宙膨脹過程是引力與膨脹初速度之爭，誰勝誰負(fù)取決于宇宙物質(zhì)密度。如果宇宙物質(zhì)密度小于某一臨界密度（根據(jù)現(xiàn)有的對膨脹速率的觀測，臨界密度約為 510-30 克/厘米3），將沒有足夠的引力阻止膨脹，宇宙膨脹永無止境，這一情形下，我們稱宇宙的膨脹是開放的（開宇宙）；如果宇宙物質(zhì)密度大于臨界密度，巨大的引力會使得膨脹最終停止并接下來收縮，在這一情形下稱宇宙的膨脹是封閉的（閉宇宙）。63這看起來就象我們按照牛頓理論發(fā)射飛行器一樣，如果給的初速度足夠大，飛行器將擺脫地球的引力成為星際飛船，而如果初速度不夠，飛行器會最終掉下來。在討論宇宙的膨脹時有一

27、個重要的差異。按照廣義相對論，封閉式膨脹的宇宙在質(zhì)量上和尺度上必定是有限的，而開放式膨脹的宇宙在質(zhì)量上和尺度上必定是無限的。因此，討論宇宙可能的演化結(jié)局與討論宇宙的有限或無限是完全等價的！宇宙可能的演化結(jié)局64宇宙到底是有限的或無限的？這是個詩人愛遐想，哲學(xué)家愛沉思的問題。有些人認(rèn)為宇宙的無限性是先驗的真理，有限宇宙的觀念不能為常識所接受。持這種觀點者對有限宇宙提出的非議經(jīng)常是：“宇宙的邊緣在哪里？”“邊緣之外又是什么？”等等。這是因為他們的困惑來源于錯誤地用平坦空間的觀念來思索一個彎曲的空間。當(dāng)他們能改正過來，習(xí)慣于用彎曲空間的觀念來考察彎曲空間，那么他們所有莫解的疑問都會自動消失。65事實

28、上，宇宙是有限還是無限的實實在在是一個物理問題。有許多可實測的量，能對此作明確的判斷?？上У氖?，它們至今被測定得不夠準(zhǔn)確。但有理由相信，我們在比詩人和哲學(xué)家更可靠地逼近真理。66三種判斷方法根據(jù)廣義相對論框架下的宇宙膨脹動力學(xué)方程，宇宙學(xué)家發(fā)展了三種判斷有限還是無限也即推斷其演化結(jié)局的方法：以密度為判據(jù)以膨脹的減速參量為判據(jù)以宇宙年齡為判據(jù)67艱難的判斷開宇宙（可能性比較大些）隨著恒星不斷從氣體中誕生，氣體越來越少，直至無法再形成新的恒星。1014年后，恒星全部失去光輝，宇宙變暗，星系核處黑洞不斷變大。10171018年后，只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星。恒星中質(zhì)子開始變得不穩(wěn)定。10

29、24年后，質(zhì)子開始衰變成光子和各種輕子。1032年后，衰變過程結(jié)束，宇宙中只剩下光子、輕子和大黑洞。10100年后，黑洞完全蒸發(fā)，可稱為世界末日。68艱難的判斷 閉宇宙膨脹停止的早晚取決于宇宙物質(zhì)密度的大小。假設(shè)物質(zhì)密度是臨界密度的2倍，這膨脹過程經(jīng)過約500億年后停止，宇宙半徑比現(xiàn)在大一倍。一旦自引力占上風(fēng)，宇宙開始收縮，收縮過程幾乎正好是膨脹過程的反演，1000億年后重新回復(fù)到大爆炸發(fā)生時的極高密度和極高溫度狀態(tài)。且收縮過程越來越塊，最后稱為大暴縮。69到這里為止，對以上提出的三個問題，除了第一個尚需更高精度的觀測外，都可作出較明確的回答：宇宙沒有中心沒有邊，不管它是有限的還是無限的；宇宙

30、在時間上有一個開端，有沒終結(jié)則要看其密度而定。宇宙是有限的還是無限的？有沒有中心有沒有邊？有沒有生老病死有沒有年齡？ 70問題與討論宇宙是從大爆炸誕生的嗎？說明幾個支持你的答案的理由。宇宙演化的可能結(jié)局有哪幾種？并敘述其特征。什么是微波背景輻射？它的特點是什么？這幾個特點又是怎樣支持大爆炸理論觀點的？什么是宇宙紅移？哈勃定律的內(nèi)容是什么？11醉翁亭記 1反復(fù)朗讀并背誦課文，培養(yǎng)文言語感。2結(jié)合注釋疏通文義，了解文本內(nèi)容，掌握文本寫作思路。3把握文章的藝術(shù)特色，理解虛詞在文中的作用。4體會作者的思想感情，理解作者的政治理想。一、導(dǎo)入新課范仲淹因參與改革被貶，于慶歷六年寫下岳陽樓記，寄托自己“先天

31、下之憂而憂，后天下之樂而樂”的政治理想。實際上，這次改革，受到貶謫的除了范仲淹和滕子京之外，還有范仲淹改革的另一位支持者北宋大文學(xué)家、史學(xué)家歐陽修。他于慶歷五年被貶謫到滁州，也就是今天的安徽省滁州市。也是在此期間，歐陽修在滁州留下了不遜于岳陽樓記的千古名篇醉翁亭記。接下來就讓我們一起來學(xué)習(xí)這篇課文吧！【教學(xué)提示】結(jié)合前文教學(xué)，有利于學(xué)生把握本文寫作背景，進(jìn)而加深學(xué)生對作品含義的理解。二、教學(xué)新課目標(biāo)導(dǎo)學(xué)一：認(rèn)識作者，了解作品背景作者簡介：歐陽修(10071072)，字永叔，自號醉翁，晚年又號“六一居士”。吉州永豐(今屬江西)人，因吉州原屬廬陵郡，因此他又以“廬陵歐陽修”自居。謚號文忠，世稱歐陽

32、文忠公。北宋政治家、文學(xué)家、史學(xué)家，與韓愈、柳宗元、王安石、蘇洵、蘇軾、蘇轍、曾鞏合稱“唐宋八大家”。后人又將其與韓愈、柳宗元和蘇軾合稱“千古文章四大家”。關(guān)于“醉翁”與“六一居士”：初謫滁山，自號醉翁。既老而衰且病，將退休于潁水之上，則又更號六一居士?？陀袉栐唬骸傲缓沃^也？”居士曰：“吾家藏書一萬卷，集錄三代以來金石遺文一千卷，有琴一張，有棋一局，而常置酒一壺?！笨驮唬骸笆菫槲逡粻?，奈何？”居士曰：“以吾一翁，老于此五物之間，豈不為六一乎？”寫作背景：宋仁宗慶歷五年(1045年)，參知政事范仲淹等人遭讒離職，歐陽修上書替他們分辯，被貶到滁州做了兩年知州。到任以后，他內(nèi)心抑郁，但還能發(fā)揮“寬

33、簡而不擾”的作風(fēng)，取得了某些政績。醉翁亭記就是在這個時期寫就的。目標(biāo)導(dǎo)學(xué)二：朗讀文章，通文順字1初讀文章，結(jié)合工具書梳理文章字詞。2朗讀文章，劃分文章節(jié)奏，標(biāo)出節(jié)奏劃分有疑難的語句。節(jié)奏劃分示例環(huán)滁/皆山也。其/西南諸峰，林壑/尤美，望之/蔚然而深秀者，瑯琊也。山行/六七里，漸聞/水聲潺潺，而瀉出于/兩峰之間者，釀泉也。峰回/路轉(zhuǎn)，有亭/翼然臨于泉上者，醉翁亭也。作亭者/誰？山之僧/曰/智仙也。名之者/誰？太守/自謂也。太守與客來飲/于此，飲少/輒醉，而/年又最高，故/自號曰/醉翁也。醉翁之意/不在酒，在乎/山水之間也。山水之樂，得之心/而寓之酒也。節(jié)奏劃分思考“山行/六七里”為什么不能劃分為

34、“山/行六七里”？明確：“山行”意指“沿著山路走”，“山行”是個狀中短語，不能將其割裂?！巴?蔚然而深秀者”為什么不能劃分為“望之蔚然/而深秀者”？明確：“蔚然而深秀”是兩個并列的詞，不宜割裂，“望之”是總起詞語，故應(yīng)從其后斷句。【教學(xué)提示】引導(dǎo)學(xué)生在反復(fù)朗讀的過程中劃分朗讀節(jié)奏，在劃分節(jié)奏的過程中感知文意。對于部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的句子，教師可做適當(dāng)?shù)闹v解引導(dǎo)。目標(biāo)導(dǎo)學(xué)三：結(jié)合注釋，翻譯訓(xùn)練1學(xué)生結(jié)合課下注釋和工具書自行疏通文義，并畫出不解之處?！窘虒W(xué)提示】節(jié)奏劃分與明確文意相輔相成，若能以節(jié)奏劃分引導(dǎo)學(xué)生明確文意最好；若學(xué)生理解有限，亦可在解讀文意后把握節(jié)奏劃分。2以四人小組為單位，組內(nèi)互助解疑

35、，并嘗試用“直譯”與“意譯”兩種方法譯讀文章。3教師選擇疑難句或值得翻譯的句子，請學(xué)生用兩種翻譯方法進(jìn)行翻譯。翻譯示例：若夫日出而林霏開，云歸而巖穴暝，晦明變化者，山間之朝暮也。野芳發(fā)而幽香，佳木秀而繁陰，風(fēng)霜高潔，水落而石出者，山間之四時也。直譯法：那太陽一出來，樹林里的霧氣散開，云霧聚攏，山谷就顯得昏暗了，朝則自暗而明，暮則自明而暗，或暗或明，變化不一，這是山間早晚的景色。野花開放，有一股清幽的香味，好的樹木枝葉繁茂，形成濃郁的綠蔭。天高氣爽，霜色潔白，泉水淺了，石底露出水面，這是山中四季的景色。意譯法：太陽升起，山林里霧氣開始消散，煙云聚攏，山谷又開始顯得昏暗，清晨自暗而明，薄暮又自明而

36、暗，如此暗明變化的，就是山中的朝暮。春天野花綻開并散發(fā)出陣陣幽香，夏日佳樹繁茂并形成一片濃蔭，秋天風(fēng)高氣爽，霜色潔白，冬日水枯而石底上露，如此，就是山中的四季?！窘虒W(xué)提示】翻譯有直譯與意譯兩種方式，直譯鍛煉學(xué)生用語的準(zhǔn)確性，但可能會降低譯文的美感；意譯可加強譯文的美感，培養(yǎng)學(xué)生的翻譯興趣，但可能會降低譯文的準(zhǔn)確性。因此，需兩種翻譯方式都做必要引導(dǎo)。全文直譯內(nèi)容見我的積累本。目標(biāo)導(dǎo)學(xué)四：解讀文段，把握文本內(nèi)容1賞析第一段，說說本文是如何引出“醉翁亭”的位置的，作者在此運用了怎樣的藝術(shù)手法。明確：首先以“環(huán)滁皆山也”五字領(lǐng)起，將滁州的地理環(huán)境一筆勾出，點出醉翁亭坐落在群山之中，并縱觀滁州全貌，鳥瞰

37、群山環(huán)抱之景。接著作者將“鏡頭”全景移向局部，先寫“西南諸峰，林壑尤美”，醉翁亭坐落在有最美的林壑的西南諸峰之中，視野集中到最佳處。再寫瑯琊山“蔚然而深秀”，點山“秀”，照應(yīng)上文的“美”。又寫釀泉，其名字透出了泉與酒的關(guān)系，好泉釀好酒，好酒叫人醉?！白砦掏ぁ钡拿直惆抵型赋?，然后引出“醉翁亭”來。作者利用空間變幻的手法，移步換景，由遠(yuǎn)及近，為我們描繪了一幅幅山水特寫。2第二段主要寫了什么？它和第一段有什么聯(lián)系？明確：第二段利用時間推移，抓住朝暮及四季特點，描繪了對比鮮明的晦明變化圖及四季風(fēng)光圖，寫出了其中的“樂亦無窮”。第二段是第一段“山水之樂”的具體化。3第三段同樣是寫“樂”，但卻是寫的游人之樂，作者是如何寫游人之樂的？明確：“滁人游”，前呼后應(yīng)，扶老攜幼，自由自在，熱鬧非凡；“太守宴”，溪深魚肥，泉香酒洌，美味佳肴，應(yīng)有盡有；“眾賓歡”，投壺下棋，觥籌交錯，說說笑笑，無拘無束。如此勾畫了游人之樂。4作者為什么要在第三段寫游人之樂？明確：寫滁人之游，描繪出一幅太平祥和的百姓游樂圖。游樂場景映在太守的眼里