現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論(第四版)全套課件完整版電子教案最新板

1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論(第四版）第一章 宇宙的起源和演化作者王世軍極目長(zhǎng)空，日月經(jīng)天，星回斗轉(zhuǎn)，河漢縱橫。自古以來(lái)人們觀天象，辨星斗成果輝煌。哥白尼的“太陽(yáng)中心說(shuō)”使自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來(lái)，牛頓創(chuàng)立了天體力學(xué)，而量子力學(xué)、相對(duì)論、高能物理學(xué)奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的落成，光子計(jì)數(shù)照相機(jī)和電荷耦合探測(cè)器的使用，天文光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，空間飛行器的天文探測(cè)等等，使人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)逐漸深化和日臻完善。這一節(jié)我們來(lái)介紹一下現(xiàn)代天文學(xué)所認(rèn)識(shí)的宇宙概觀。引言是先有雞呢，還是先有蛋?何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢？宇宙演化的問(wèn)題是問(wèn)宇宙是恒定不變的，還是永恒變化的呢？ 宇宙 泛指天地萬(wàn)物，亦即

2、在浩瀚的空間中運(yùn)動(dòng)和變化著的全部物質(zhì)世界的總稱(chēng)。 迄今人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，已經(jīng)從地球到太陽(yáng)系，再由太陽(yáng)系擴(kuò)展到銀河系、河外星系、星系團(tuán)、乃至觀測(cè)所及的宇宙深處。齊物論中說(shuō)：四維上下曰宇，古往今來(lái)曰宙。然而它們又不絕對(duì)，含有包容和流轉(zhuǎn)的意義，故宇宙可指時(shí)空中所含變化的萬(wàn)有。又“宇之表無(wú)極，宙之端無(wú)窮”(張衡靈憲)西方的“宇宙”基本上是個(gè)空間概念，有兩個(gè)重要詞表達(dá)，一是Cosmos來(lái)自希臘文，本意是秩序，意指作為秩序體系的整個(gè)宇宙；二是Universe，來(lái)自拉丁文，本意是萬(wàn)有，意指包羅萬(wàn)象的宇宙?；鸺l(fā)射全過(guò)程火箭進(jìn)入軌道啟動(dòng)太空艙航天員的太空活動(dòng)第一節(jié) 宇宙概觀 哥白尼的“太陽(yáng)中心說(shuō)”使自然科學(xué)從

3、神學(xué)中解放出來(lái)，牛頓創(chuàng)立了天體力學(xué)，而量子力學(xué)、相對(duì)論、高能物理學(xué)奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的落成，光子計(jì)數(shù)照相機(jī)和電荷耦合探測(cè)器的使用，天文光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，空間飛行器的天文探測(cè)等等，使人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)逐漸深化和日臻完善。一、宇宙概觀我們居住的地球是太陽(yáng)系家族的一員，距太陽(yáng)平均距離為1.496108km。而太陽(yáng)系又僅僅定居于銀河系巨大旋臂的一側(cè)；而銀河系，在宇宙所有星系中，也許很不起眼 宇宙是由數(shù)十億個(gè)類(lèi)似銀河系的龐大天體系統(tǒng)所組成。 太陽(yáng)系最外面的冥王星距太陽(yáng)平均5.9109km，光約走5.5 h。在火星和木星之間運(yùn)行著幾十萬(wàn)顆小行星。太陽(yáng)系中質(zhì)量較小的天體還有流星和彗星，

4、哈雷彗星、波普海爾彗星、白武彗星就是其中的幾個(gè)。太陽(yáng)只是一顆極普通的恒星，它屬于一個(gè)龐大的恒星系統(tǒng)銀河系中的一顆恒星。太陽(yáng)系是銀河系中的一個(gè)星系。銀河系是由群星和彌漫物質(zhì)集成的一個(gè)龐大天體系統(tǒng)。銀河系中有2 000億顆以上的恒星。扁盤(pán)的最大厚度約1104 l.y. ，銀河系發(fā)光部分距離約7104l.y.，銀暈，直徑約1105l.y. 除恒星外銀河系中星云。二、幾種典型的現(xiàn)代宇宙模型 在現(xiàn)代，有什么樣的物理理論就產(chǎn)生什么樣的宇宙學(xué)。以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的宇宙學(xué)認(rèn)為宇宙是一架機(jī)器。這是唯物機(jī)械論的宇宙學(xué)。 1916年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論。1917年他把廣義相對(duì)論用于宇宙學(xué)研究，得到了一個(gè)靜態(tài)的有限無(wú)

5、界的宇宙模型。1922年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家費(fèi)里德曼得到愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程一組動(dòng)態(tài)解，包括兩類(lèi)膨脹解和一類(lèi)振蕩解，從而建立了新的宇宙模型。對(duì)于膨脹解，宇宙將一直膨脹下去；對(duì)于振蕩解，宇宙呈現(xiàn)膨脹收縮的振蕩。1927年比利時(shí)人梅特勒在費(fèi)里德曼解的基礎(chǔ)上把已觀測(cè)到的河外星系光譜紅移解釋為宇宙膨脹的結(jié)果，提出了膨脹宇宙的模型。1948年英國(guó)劍橋的拜迪、霍伊爾和戈?duì)柕掠痔岢龇€(wěn)恒態(tài)宇宙模型。它基于完全宇宙學(xué)原理，認(rèn)為宇宙物質(zhì)密度始終不變。20世紀(jì)40年代末50年代初伽莫夫等人對(duì)極高溫度極高密度的早期宇宙研究提出被普遍看好的主流模型熱宇宙模型，俗稱(chēng)“大爆炸宇宙”模型，亦稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)模型。20世紀(jì)80年代，古斯等人將理論物理大

6、統(tǒng)一理論引入宇宙學(xué)，解決了“大爆炸宇宙”模型不能解釋的“視界”問(wèn)題、“平坦性”等宇宙難題。第二節(jié) 宇宙的起源和演化宇宙有沒(méi)有起源和終結(jié)，它是永恒的還是演化的？這是宇宙學(xué)所要回答的一個(gè)根本問(wèn)題。各種文明都有自己的看法。一、中國(guó)古代的盤(pán)古開(kāi)天地的神話(huà)故事這個(gè)神話(huà)故事說(shuō)的是天地本來(lái)像個(gè)雞蛋，盤(pán)古生于其中。后來(lái)天地開(kāi)辟了，天每日高一丈，地每日厚一丈，盤(pán)古每日長(zhǎng)一丈。18000年以后，天變得極高，地變得極厚，盤(pán)古也變得極長(zhǎng)了。盤(pán)古怕天地合攏，就頂天立地拼命撐著，最后精疲力竭地死了。死后，他的全身化成了萬(wàn)物：氣為風(fēng)云，聲為雷霆，左眼為太陽(yáng)，右眼為月亮，血液為江河，肌肉為田土。世界上其它文明古國(guó)，也各有關(guān)于

7、宇宙起源和結(jié)構(gòu)的種種傳說(shuō)。例如，古印度人認(rèn)為大地由四頭大象馱著，大象站在一只巨龜?shù)谋成希摭攧t浮在水中，等等。古代各民族都把自己生活的地方當(dāng)作天地的中央，并各自獨(dú)立地產(chǎn)生了關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的地心學(xué)說(shuō)。二、宇宙大爆炸起源模型20世紀(jì)70年代以來(lái)，粒子物理學(xué)家與宇宙學(xué)學(xué)家提出了“宇宙大爆炸起源模型” ：宇宙“始”于約100億年前的大爆炸。大爆炸后10-44s，溫度為1032K大爆炸后的一秒種，溫度降至1010K，進(jìn)入輻射為主的階段。3min，溫度為109K，宇宙膨脹為約一光年的實(shí)體，是原子核合成的時(shí)期，有近13的物質(zhì)合成He，就是說(shuō)此時(shí)構(gòu)造各種物質(zhì)元素的材料已制備完畢。經(jīng)過(guò)7105 a,宇宙溫度降為3

8、000K，物質(zhì)復(fù)合成原子，物質(zhì)密度大于輻射密度，物質(zhì)變得透明，物質(zhì)復(fù)合的結(jié)果使重子數(shù)與光子數(shù)保持恒定。108a，輻射溫度為100K，星際物質(zhì)溫度1K，星系形成。109a，輻射溫度12K，出現(xiàn)類(lèi)星體至目前，宇宙年齡為1010a，輻射溫度降為2.7K，星際物質(zhì)溫度為10-5K。我們觀測(cè)到的宇宙已大到100多億光年，現(xiàn)在宇宙仍在繼續(xù)膨脹著。宇宙大爆炸模型已成為舉世公認(rèn)的一種“標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型”。三、宇宙是均勻的和各向同性的介質(zhì)在宇宙學(xué)中，星系被看成是宇宙物質(zhì)的基本單元。星系是由數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的恒星構(gòu)成。通常把幾十個(gè)星系結(jié)成的集團(tuán)叫星系群，把幾百個(gè)星系組成的集團(tuán)叫星系團(tuán)。星系群和星系團(tuán)又進(jìn)一步結(jié)成超星系團(tuán)。在

9、宇宙學(xué)尺度上，可以認(rèn)為宇宙是由充滿(mǎn)空間的以星系為基元的均勻的和各向同性的介質(zhì)。四、哈勃定律與宇宙膨脹1929年,著名美國(guó)天文學(xué)家哈勃（E.Hubble）寫(xiě)成哈勃定律的第一種表示形式:Z(/c)d。第二種表示式：vHd。20世紀(jì)50年代以后發(fā)現(xiàn)哈勃在測(cè)距方法上有系統(tǒng)錯(cuò)誤，改進(jìn)后是如下范圍： H=50100 kms-1Mpc-11994年10月，弗利德曼（Freedman，W.L.）、肯尼克特(Kennicutt,R.)和茅德（Mould,J.）等把哈勃常數(shù)定準(zhǔn)了,為 H= 801.7 kms-1Mpc-1五、微波背景輻射 20世紀(jì)天文學(xué)的另一重大發(fā)現(xiàn)是微波背景輻射。1964年美國(guó)貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室的

10、彭齊亞斯(A.A.Penzias)和威爾遜(R.W.Wilso)用一架精密的射電望遠(yuǎn)鏡在7.35 cm波長(zhǎng)處探測(cè)到一種來(lái)自宇宙深處的強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的宇宙背景輻射信號(hào)。1989年美國(guó)宇航局專(zhuān)門(mén)發(fā)射了宇宙背景輻射探測(cè)衛(wèi)星，第一批測(cè)量數(shù)據(jù)表明，從0.5 mm-5 mm波段上該輻射的譜分布與溫度為(2.7350.06)K理想黑體的譜分布完全相合，在扣除運(yùn)動(dòng)效應(yīng)后天空不同方向的差別小于十萬(wàn)分之一。彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾貝爾物理獎(jiǎng)。六、宇宙是有限的還是無(wú)限的宇宙是有限的還是無(wú)限的呢？費(fèi)里德曼模型認(rèn)為這取決于宇宙物質(zhì)的平均密度0與臨界密度c的比值。宇宙物質(zhì)平均密度的測(cè)定可以決定宇宙究竟是有

11、限的還是無(wú)限的！所以宇宙是否無(wú)限膨脹下去是當(dāng)前科學(xué)無(wú)法判斷的一個(gè)難題。七、宇宙的年齡現(xiàn)在普遍認(rèn)為，估計(jì)宇宙年齡在100-150億年之間。20世紀(jì)50年代末前，把推斷宇宙年齡的古老天體作為地球和太陽(yáng)，這樣造成了距離定標(biāo)的錯(cuò)誤，定出的H 值比現(xiàn)在的值大5-10倍。由球狀星團(tuán)測(cè)得的哈勃常數(shù)在50-100kms-1Mpc-1。由此算出的球狀星團(tuán)的年齡在15030億年的范圍內(nèi)。專(zhuān)家認(rèn)為它不會(huì)小于120億年。八、宇宙元素的豐度從太陽(yáng)系、其它恒星、星際介質(zhì)、不同星系以及宇宙射線(xiàn)觀測(cè)和研究中獲得的數(shù)據(jù)表明，宇宙氦的含量在22%-25%之間，而氫與氦的質(zhì)量比約為31，理論值與觀測(cè)接近。另外同一時(shí)期合成的氘、鋰、

12、鈹、硼等輕元素盡管數(shù)量比氫、氦少得多，但理論給出的豐度值與實(shí)際觀測(cè)也較接近。這種普適性對(duì)“大爆炸宇宙”模型是有力的支持。另外重子光子數(shù)之比的測(cè)量也是對(duì)該模型肯定的檢驗(yàn)。第三節(jié) 星系的起源和演化 什么是星系星系是由幾十億至幾千億顆恒星以及星際氣體和塵埃等構(gòu)成，占據(jù)幾千光年至幾十萬(wàn)光年的空間的天體系統(tǒng)。星系是構(gòu)成宇宙的基本單元。星系的外形和結(jié)構(gòu)是多種多樣的1926年，哈勃按星系的形態(tài)把星系分為三大類(lèi)：橢園星系、旋渦星系和不規(guī)則星系。后來(lái)又細(xì)分為橢園星系、透鏡星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系五個(gè)類(lèi)型。星系在永恒地運(yùn)動(dòng)它內(nèi)部的恒星在運(yùn)動(dòng)，自身也在運(yùn)動(dòng)。成對(duì)出現(xiàn)的星系彼此圍繞公共質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)，在星系團(tuán)中

13、，星系間有隨機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。河外星系的視向退行速度與距離成正比。星系的質(zhì)量是可測(cè)的。根據(jù)牛頓定律，轉(zhuǎn)動(dòng)著的星系內(nèi)任一點(diǎn)的離心力必須同該點(diǎn)軌道以?xún)?nèi)所有物質(zhì)對(duì)它的引力相平衡，這就由速度距離的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)得出星系的質(zhì)量分布和總質(zhì)量。天文學(xué)家普遍認(rèn)為，星系是由初始?xì)庠菩纬傻?。在?biāo)準(zhǔn)宇宙模型中，不均勻性的種子來(lái)自宇宙極早期的真空相變。像許多相變都會(huì)留下對(duì)稱(chēng)性的缺陷那樣，真空相變也留下一些不均勻結(jié)構(gòu)。這些不均勻結(jié)構(gòu)中的密度較高的地方通過(guò)引力相互作用吸引周?chē)奈镔|(zhì)，像滾雪球那樣越滾越大，直至形成初始?xì)庠?。剛從初始?xì)庠颇鄢鰜?lái)的星系胚胎是什么樣子目前雖不清楚，但可以肯定地說(shuō)，對(duì)于足夠大的質(zhì)量集中區(qū)，向內(nèi)的引力會(huì)超過(guò)

14、向外的壓力而使氣云塌縮為致密的星系。其過(guò)程大致是，隨著時(shí)間的推移星系級(jí)初始?xì)庠崎_(kāi)始收縮，例如收縮成類(lèi)似銀河系的氣云盤(pán)，氣云盤(pán)一步步分裂成為更小更密的碎片，由這些碎片誕生出第一代恒星，第一代恒星質(zhì)量比太陽(yáng)質(zhì)量大得多，也亮得多，壽命也短得多。它們?cè)诖蠹s一千萬(wàn)年內(nèi)耗盡了自己的核燃料，而后通過(guò)爆發(fā)形式把自己內(nèi)部合成的重元素拋回星際空間，從而進(jìn)入第二代、第三代恒星的生成和演化的循環(huán)。第四節(jié) 恒星的起源和演化恒星是構(gòu)成星系的基本單元，是將宇宙原始物質(zhì)合成各種重元素的熔爐。研究恒星的形成與演化是研究銀河系結(jié)構(gòu)和演化的基礎(chǔ)。在星際彌漫物質(zhì)到恒星的演化鏈上，恒星的形成是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。恒星問(wèn)題是宇宙學(xué)中解決得最好

15、的問(wèn)題之一。恒星是從星際分子云中形成的；恒星有形成、發(fā)展和死亡的過(guò)程。死亡著的恒星把它合成的原子核注入到殘余星際氣體中，從這些氣體中又產(chǎn)生出新一代恒星，星系中這種恒星的消亡與再生過(guò)程，已為大量觀測(cè)資料所證實(shí)。恒星演化的最后階段比其形成階段了解得要好一些。觀測(cè)表明，星系中恒星間的區(qū)域不是真空而是充有星際物質(zhì)，主要是氣體云、塵埃云組成的巨大分子云。一、恒星的形成 17世紀(jì)牛頓，18世紀(jì)初康德等倡言的散布于空間中的彌漫物質(zhì)(稱(chēng)為星云)可以在引力作用下凝聚成太陽(yáng)系和恒星的假說(shuō)，經(jīng)過(guò)歷代天文學(xué)家的努力已逐漸發(fā)展成為相當(dāng)成熟的理論。20世紀(jì)60年代確立了恒星從星際分子云中形成這一重大的現(xiàn)代學(xué)說(shuō)，成為恒星形

16、成研究的主要成就。第一代恒星是星系形成時(shí)期由初始?xì)庠扑槠鄱傻?，其它代恒星是由星系中的星際物質(zhì)形成的，而一些突發(fā)事件，如超新星爆發(fā)等，是引起氣體云密度變得大到足以產(chǎn)生新恒星的必要條件。 目前已經(jīng)從理論上認(rèn)識(shí)到恒星形成的若干過(guò)程和階段 ，如引力不穩(wěn)定導(dǎo)致的分子云的動(dòng)力學(xué)坍縮、原恒星的吸積階段，以及主序前準(zhǔn)靜態(tài)收縮等。今后，恒星形成研究將朝兩個(gè)主要方向發(fā)展：一方面是探索單顆恒星形成的具體過(guò)程，另一方面是揭示恒星形成的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。二、恒星的演化恒星的演化過(guò)程可分為四個(gè)階段：初始階段亞穩(wěn)階段周期性收縮膨脹階段引力坍縮階段恒星主要是依靠?jī)?nèi)部氣體粒子熱運(yùn)動(dòng)的壓力與自身物質(zhì)之間的巨大引力相抗衡的。三、恒星

17、的結(jié)局恒星結(jié)局？恒星內(nèi)部的熱核反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間總是有限的，但是恒星自身物質(zhì)之間的巨大引力卻永遠(yuǎn)存在，那么恒星結(jié)局會(huì)怎樣？坍縮是會(huì)被某種新形式的壓力所阻擋，還是無(wú)限制地進(jìn)行下去呢？隨著恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)的停止，盡管恒星外層部分會(huì)出現(xiàn)膨脹、爆發(fā)等復(fù)雜的變動(dòng)，核心部分卻必定在引力作有下發(fā)生急劇的收縮，即所謂引力坍縮。這個(gè)問(wèn)題，盡管是本世紀(jì)的兩大物理理論即量子力學(xué)和相對(duì)論攜手作答，并且有了不少重要的進(jìn)展，卻還遠(yuǎn)未徹底解決。 恒星演化的第一種結(jié)局。如果恒星的質(zhì)量不超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量,則簡(jiǎn)并電子氣的壓力能夠抵抗住引力坍縮,使星體穩(wěn)定下來(lái)。這就是白矮星，其密度約是水的1萬(wàn)至100萬(wàn)倍。恒星演化的第二種結(jié)局。初

18、始質(zhì)量更大的恒星，其晚期核心的引力坍縮會(huì)更厲害。一種可能的結(jié)局是，電子被擠進(jìn)原子核內(nèi)，與質(zhì)子結(jié)合成中子，并且達(dá)到簡(jiǎn)并態(tài)。恒星的外層則隨即出現(xiàn)超新星爆發(fā)而被炸散。剩下的只是一個(gè)由簡(jiǎn)并中子氣壓力支撐的核心，這就是中子星。 我國(guó)宋史記載宋仁宗至和元年(1054年)出現(xiàn)的“客星”是我國(guó)古書(shū)記載的90個(gè)超新星爆發(fā)事例中資料最詳盡的一個(gè)。它最亮?xí)r比金星還要亮。這顆超新星的遺跡就是著名的蟹狀星云，它以1100km/s的速度向外膨脹著。900年后英國(guó)天文學(xué)家在那個(gè)位置發(fā)現(xiàn)的脈沖星，就是那次爆發(fā)剩余的星核中子星。脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星。恒星演化的第三種結(jié)局。如果恒星在經(jīng)過(guò)各種形式的質(zhì)量損失特別是超新星爆發(fā)之后

19、，其核心剩余的質(zhì)量仍在3 M 以上，就沒(méi)有任何力量能夠阻止引力坍縮。按照廣義相對(duì)論，物體一旦收縮到一個(gè)被稱(chēng)為引力半徑的特征半徑以下，強(qiáng)大的引力就會(huì)使得包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都不可能再逃逸出來(lái)，物體也就消失在黑暗之中。這就是黑洞，即恒星演化的第三種結(jié)局。黑洞的概念可以追溯到二百多年前。黑洞這個(gè)名詞是1967年才由美國(guó)物理學(xué)家約翰惠勒提出來(lái)的。1973年,英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬霍金研究發(fā)現(xiàn),黑洞不是完全黑的,它以恒定的速率發(fā)射出輻射和粒子。發(fā)射出的粒子具有準(zhǔn)確的熱譜，黑洞正如同通常的熱體那樣產(chǎn)生和發(fā)射粒子，這熱體的溫度和黑洞的表面引力成比例并且和質(zhì)量成反比。對(duì)于一顆具有太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其溫度大約只有絕對(duì)

20、溫度的千萬(wàn)分之一度。黑洞是時(shí)空的一個(gè)區(qū)域，如果物質(zhì)低于光的速度運(yùn)動(dòng)就不可能從這個(gè)區(qū)域逃逸。黑洞輻射的預(yù)言是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論和量子力學(xué)相結(jié)合的研究結(jié)果。黑洞物理也正在成為嶄新的物理學(xué)分支。然而，黑洞的存在卻還沒(méi)有得到完全的確認(rèn)，部分地是在理論上的問(wèn)題，部分地是在觀測(cè)問(wèn)題上。理論上的主要問(wèn)題是奇點(diǎn)問(wèn)題，如果坍縮無(wú)限制地進(jìn)行下去，就必然形成一個(gè)物質(zhì)密度為無(wú)窮大的點(diǎn)，而這是不可接受的。避免奇點(diǎn)的希望寄托于廣義相對(duì)論與量子論的真正聯(lián)姻，即引力場(chǎng)亦即時(shí)空的量子化。這種量子化的典型尺度是10-33cm，稱(chēng)為普朗克長(zhǎng)度，比基本粒子的尺度還要小20個(gè)數(shù)量級(jí)。觀測(cè)上的主要問(wèn)題是無(wú)法觀測(cè)孤獨(dú)的黑洞。但若黑洞是與另

21、一個(gè)普通恒星組成雙星系統(tǒng)，則另一個(gè)恒星的表層物質(zhì)就可能被黑洞拉去，并且在下落過(guò)程中釋放引力能而發(fā)出X射線(xiàn)輻射，據(jù)此，從原則上講，我們可以探測(cè)黑洞。困難在于，雙星中的中子星也同樣可以成為強(qiáng)X射線(xiàn)源?，F(xiàn)在唯一的辦法是運(yùn)用開(kāi)普勒第三定律來(lái)推算X射線(xiàn)源的質(zhì)量，如果這個(gè)質(zhì)量超過(guò)3 M，黑洞就得到了認(rèn)證。但由于雙星系統(tǒng)的軌道參量和其中普通恒星的質(zhì)量難以精確測(cè)定，迄今雖已努力20多年，找到的黑洞只有三個(gè)，并且還沒(méi)到確定無(wú)疑的程度。黑洞的最后確認(rèn)，乃至廣義相對(duì)論的最后確認(rèn)，都依賴(lài)于引力波的探測(cè)成功。一、太陽(yáng)系太陽(yáng)在銀道面以北約26 l.y.，距銀心約32600 l.y.，以250 km/s速度繞銀心運(yùn)轉(zhuǎn)，每2

22、.5億年轉(zhuǎn)1周。在太陽(yáng)系中，太陽(yáng)是中心天體，其它天體都在太陽(yáng)的引力作用下，圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。太陽(yáng)是有熱核能源輻射的發(fā)光恒星，其它天體都沒(méi)有核能源輻射（木星、土星有紅外輻射熱源），主要被太陽(yáng)光照射而發(fā)光。第五節(jié) 太陽(yáng)系的起源與演化太陽(yáng)系的起源可以用星云說(shuō)解釋。20世紀(jì)以來(lái)人們提出了十多個(gè)星云學(xué)說(shuō)，都認(rèn)為太陽(yáng)系是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的同一個(gè)星際物質(zhì)云在自引力作用下逐漸收縮形成的。太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體。它是一顆普通恒星。半徑7105km、表面溫度6000K、核心溫度1.510K、質(zhì)量約為21033g的氣體球。它的平均密度為1.409 g/cm3，表面加速度為2.74104cm/s2。在太陽(yáng)中心區(qū)的氫核聚變產(chǎn)生

23、的能量，主要以輻射形式穩(wěn)定地向空間發(fā)射。太陽(yáng)大氣層分為三層，從內(nèi)向外依次是光球、色球和日冕。太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖1.光球及黑子光球 是肉眼所見(jiàn)到的太陽(yáng)表面層，厚約300-500 km。6000K的太陽(yáng)表面溫度指的就是光球的溫度。我們接收到的太陽(yáng)能量基本是光球發(fā)出的，太陽(yáng)的光譜實(shí)際上就是光球的光譜。光球的密度約為10107 g/cm3。太陽(yáng)光球圖象黑子 在光球內(nèi)部布滿(mǎn)了米粒組織，總數(shù)約400萬(wàn)顆，其中有太陽(yáng)黑子、光斑、偶爾還有白光燿斑。最引人注目的是黑子。其溫度比光球低1000- 2000K，故看起來(lái)比光球黑。小黑子直徑上千公里，而大黑子直徑約10萬(wàn)公里以上。黑子有強(qiáng)達(dá)幾千高斯的磁場(chǎng)和磁極性。黑子

24、常成對(duì)出現(xiàn)，前導(dǎo)黑子與后隨黑子具有相反的磁極。黑子平均生存時(shí)間約一天，少數(shù)可存在數(shù)月至一年以上。2、色球及耀斑色球是太陽(yáng)大氣層的中間一層，位于光球和日冕之間。平時(shí)，由于地球大氣中的分子以及塵埃粒子散射了強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射而形成了“藍(lán)天”，色球和日冕完全淹沒(méi)在藍(lán)天之中。只有在日全食時(shí)，才能用肉眼看到太陽(yáng)圓面周?chē)倪@一層非常美麗的玫瑰紅色的輝光。色球是一個(gè)充滿(mǎn)磁場(chǎng)的等離子體層。由于磁場(chǎng)的不穩(wěn)定性，常常會(huì)產(chǎn)生劇烈的燿斑爆發(fā)，同時(shí)還產(chǎn)生日珥、沖浪和噴焰的爆發(fā)。太陽(yáng)色球圖象耀斑是最激烈的太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象。耀斑出現(xiàn)時(shí)大量高能電子和質(zhì)子被太陽(yáng)拋出，高能離子流傳到地球成為著名的“質(zhì)子事件”；同時(shí)，耀斑爆發(fā)時(shí)除了光輻射

25、增強(qiáng)外，還輻射出很強(qiáng)的紫外、X射線(xiàn)及微波等各波段的電磁輻射。耀斑對(duì)地球的影響很大，地球上空電離層騷擾,地磁暴,地球極區(qū)的極光爆發(fā)等等都與耀斑有關(guān)。太陽(yáng)耀斑圖象3、日冕及太陽(yáng)風(fēng)日冕是太陽(yáng)大氣的最外層，延伸到幾個(gè)太陽(yáng)半徑甚至更遠(yuǎn)。它主要由質(zhì)子、高度電離的離子和高速的自由電子組成，密度極稀薄。內(nèi)層(稱(chēng)內(nèi)冕)溫度高達(dá)106K。日冕亮度為光球的百萬(wàn)分之一，相當(dāng)于滿(mǎn)月的亮度。日冕的大小和形狀與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)。太陽(yáng)活動(dòng)極大期日冕呈圓形，太陽(yáng)活動(dòng)極小期日冕則比較扁，在太陽(yáng)兩極處縮短，在太陽(yáng)赤道帶延伸。向外延伸的日冕圖象 太陽(yáng)風(fēng)人造衛(wèi)星觀測(cè)表明，日冕氣體不斷向外擴(kuò)散形成太陽(yáng)風(fēng)。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)冕洞存在，它是太陽(yáng)風(fēng)之源。

26、太陽(yáng)風(fēng)是日冕向行星際空間輻射出的高溫勻速低密度等離子體流。太陽(yáng)活動(dòng)期間太陽(yáng)風(fēng)每秒可達(dá)1000 km以上。太陽(yáng)風(fēng)圖象 從誕生至今太陽(yáng)及其行星已經(jīng)演化了約五十億年。有人認(rèn)為，由于太陽(yáng)比許多其它恒星包含更多的重元素（例如鐵），可以推知太陽(yáng)是第二代恒星。目前太陽(yáng)的狀況已經(jīng)燃燒了50億年左右，估計(jì)它還要繼續(xù)燃燒幾十億年。在它的氫燃燒耗盡之后，將由氦和其它較重元素的核反應(yīng)維持其能源。在此過(guò)程中，預(yù)計(jì)至一百億年，其光度約增加一倍。至一百三十億年，將從目前的黃矮星階段逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t巨星階段，然后再轉(zhuǎn)變成紅超巨星。太陽(yáng)將變得比今天的太陽(yáng)大100倍，光度增加2000倍，表面溫度4000K。在所有的核能源都用完之后，

27、太陽(yáng)內(nèi)部將沒(méi)有能源來(lái)抵制引力坍縮，這就會(huì)使它的半徑大大縮小，密度大大增加，從而使它的物質(zhì)進(jìn)入簡(jiǎn)并電子氣狀態(tài)，全部的剩余質(zhì)量集中在很小的區(qū)域，變成一顆白矮星。等它不能再收縮的時(shí)候，就再也沒(méi)有能量可釋放，它的生命也就終止，成為一個(gè)不發(fā)光的、處于簡(jiǎn)并態(tài)的冷“黑矮星”。宇宙浩瀚，奧妙無(wú)窮。本章概述了目前人類(lèi)獲得的對(duì)宇宙的科學(xué)認(rèn)識(shí)的基本情況。人們根據(jù)比較有限的天文觀測(cè)資料，使用在地球上獲得的各方面知識(shí)，尋覓宇宙演化的足跡，“復(fù)原”宇宙各個(gè)發(fā)展階段的“歷史面貌”，經(jīng)過(guò)近百年的努力，獲得了關(guān)于宇宙演化的比較系統(tǒng)的理論。人類(lèi)站在地球之上，竟能系統(tǒng)地描述無(wú)垠的宇宙的演化，這個(gè)偉大的奇跡顯示了人類(lèi)智慧的偉大。目前

28、的宇宙學(xué)，只是人們認(rèn)識(shí)宇宙過(guò)程中的極其微小的一步而已。我們相信，隨著知識(shí)的不斷開(kāi)拓，宇宙學(xué)也必將會(huì)得到不斷的更新。第二章 地球的起源作者鄭喜森引言我們知道，地球存在于宇宙中，是宇宙間的一個(gè)天體，它是太陽(yáng)系的一個(gè)行星；太陽(yáng)是銀河系的一個(gè)恒星；而銀河系是宇宙間一個(gè)星系。地球是人類(lèi)賴(lài)以生存的地方，對(duì)于它的起源、演化及發(fā)展過(guò)程問(wèn)題，一直是人們研究的對(duì)象。我國(guó)在地球形狀的認(rèn)識(shí)上經(jīng)歷一個(gè)從扁平形到圓球形的過(guò)程，從古老“蓋天論說(shuō)”的“天似蓋笠，地法覆盤(pán) ” 到東漢張衡“渾天說(shuō)”的“天體圓如彈丸，地如雞子中黃”。“蓋天論說(shuō)”圖示“渾天說(shuō)”圖示在地球物理性質(zhì)和地球表面形態(tài)變化等方面，我國(guó)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就發(fā)現(xiàn)了磁石，

29、并制作司南，到唐宋時(shí)期又發(fā)展為指南針。司南宋代沈括（10321096）所著的夢(mèng)溪筆談中指出磁偏角。徐霞客（15871641）在他所著的徐霞客游記中系統(tǒng)地論述了地球表面的形態(tài)變化及各種地質(zhì)現(xiàn)象。公元前6世紀(jì)希臘數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為：地球是正球形的。葡萄牙航海家麥哲倫堅(jiān)信地球是圓的。16世紀(jì)哥白尼“日心說(shuō)”，使人們了解了地球在宇宙中的位置。18世紀(jì)德國(guó)的哲學(xué)家康德和法國(guó)的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯研究了地球的起源；赫頓建立了地質(zhì)時(shí)間的概念，并推斷地球內(nèi)部可能存在“熱”，19世紀(jì)開(kāi)爾文研究地球的彈性熱傳導(dǎo)及其他地球物理問(wèn)題；20世紀(jì)初，對(duì)巖石放射性的研究，推算出地球形成的歷史及年齡。這些工作使人們對(duì)地

30、球的研究不斷深入。從整個(gè)20世紀(jì)這段時(shí)間來(lái)看，人們對(duì)大氣圈、生物圈、水圈及地球內(nèi)部的探索，形成若干理論，如板塊構(gòu)造理論，這 一學(xué)說(shuō)的出現(xiàn)，使固體地球科學(xué)經(jīng)歷一次革命，動(dòng)搖了原來(lái)的傳統(tǒng)概念，使人們從全球范圍考慮問(wèn)題。在此間人們研究地球的“溫室效應(yīng)”及人類(lèi)面臨一系列全球環(huán)境變化的問(wèn)題，如“厄爾尼諾現(xiàn)象”、“拉尼娜現(xiàn)象”，使20世紀(jì)的地球科學(xué)研究有了重大的進(jìn)展，體現(xiàn)了地學(xué)傳統(tǒng)學(xué)科的成熟；現(xiàn)代技術(shù)（航天技術(shù)）的發(fā)展對(duì)地球進(jìn)行全球性、新的觀察與認(rèn)識(shí)；全球環(huán)境的變化將對(duì)人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生巨大的影響。第一節(jié) 地球的起源與演化過(guò)程一、地球的形成地球的起源問(wèn)題實(shí)際上就是太陽(yáng)系的起源問(wèn)題。只不過(guò)在太陽(yáng)系形成后，才誕生了

31、地球。地球是在46億年前，由原始的太陽(yáng)系星云物質(zhì)經(jīng)分餾、坍縮、凝聚而形成的。開(kāi)始由于星子聚集形成地球胎（行星胎），然后不斷增生而形成原始地球。聚集時(shí)受下列效應(yīng)作用：沖擊效應(yīng) 壓縮效應(yīng) 放射性衰變效應(yīng)1、地球內(nèi)部圈層的形成地球內(nèi)部的圈層主要指地殼、地幔、地核。地殼：地殼是地球表面的一層薄殼，其厚度大致為地球半徑的1/400，大陸部分平均厚度37km，而海洋部分平均厚度則只有7km，地殼平均厚度為33km，它主要由硅酸鹽巖組成，它的質(zhì)量為51019t，約占地球質(zhì)量的0.8%，它的體積占整個(gè)地球體積的0.5%。地幔：深度從地殼底到2900km，其體積占地球總體積的82%，質(zhì)量為4.051021t，占

32、全球總質(zhì)量的67.8%，物質(zhì)密度大約從3320 kg/m3遞增到5700 kg/m3，壓力隨深度而增加，界面上壓力可達(dá)約1.51011Pa，溫度也隨深度而增加，下部約為3000左右。在深度60-400 km范圍內(nèi)，地震波速度明顯下降，部分物質(zhì)可產(chǎn)生熔融，具在較大的塑性和潛柔性，這個(gè)圈層稱(chēng)軟流圈。它是巖漿的主要發(fā)源地，同時(shí)地殼運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)、火山活動(dòng)以及熱對(duì)流等皆與此圈有關(guān)，軟流圈之上的固體巖石部分稱(chēng)為巖石圈，即包括地殼和上地幔的部分，平均厚度60km。地核：位于2900km以下直到地心部分。地核物質(zhì)非常致密，密度為9700-13000 kg/m3，地核總質(zhì)量為1.881021 t，溫度為300

33、0 ,最高可達(dá)5000或稍高。地核又可分外核、過(guò)渡層和內(nèi)核。外核由于只有P波才能通過(guò)，呈液態(tài)。過(guò)渡層和內(nèi)核有S波出現(xiàn)，呈固態(tài)。組成地球物質(zhì)的主要元素有O、Si、Al、Fe、Ca、Na、F、Mg等8種，占98%以上，而組成地核的物質(zhì)成分則是鐵鎳成分。 原始地球的內(nèi)部，在熱能條件下，使其局部熔融并超過(guò)鐵的熔點(diǎn)，原始地球中的金屬鐵、鎳及其它的硫化物、硅化物熔化，并因其密度大而流向地球的中心部位，從而形成具有金屬特性（超固態(tài)）的地核。比母質(zhì)輕的熔融物質(zhì)向上游動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)至地表，經(jīng)冷卻后又向下沉淀。這種在溫度差、壓力差、密度差等引起的對(duì)流作用控制下的物質(zhì)移動(dòng)，使原始地球產(chǎn)生全球性的分異，并逐漸演化成它的分

34、層現(xiàn)象，即中心為超固態(tài)的地核，表層為低熔點(diǎn)的較輕物質(zhì)形成的最原始的陸核，陸核進(jìn)一步增生，擴(kuò)大形成地殼。地殼與地核之間為地幔。在原始地球的形成中，內(nèi)部的分異作用最為重要。2、地球的外部圈層的形成地球的外部圈層指大氣圈、水圈、生物圈。大氣圈從地表（包括地下相當(dāng)深度裂隙中的氣體）到16000km高空都存在氣體或基本粒子，總質(zhì)量達(dá)51015t，占地球總質(zhì)量的0.00009%。大氣圈是地球的重要組成部分，它對(duì)地球上萬(wàn)物的形成、發(fā)展和演化起著重要的作用。水圈水圈包括地球上水的液態(tài)部分和固態(tài)部分。它包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，形成一個(gè)連續(xù)而不規(guī)則的圈層。水的質(zhì)量為1.411018t,占地球總質(zhì)量的

35、0.024%，其中海水占水圈總質(zhì)量的97.2%,陸地水占水圈總質(zhì)量的2.8%,陸地水中冰川占水圈總質(zhì)量的2.2%。水既分布于大氣圈中,也分布于生物圈和巖石圈中，生物體的3/4由水組成；地下巖石和土壤中也有一部分水。生物圈地球表面有生物存在并感受到生命活動(dòng)影響的圈層叫生物圈，整個(gè)生物圈的總質(zhì)量?jī)H僅是大氣圈質(zhì)量的1/300，生物圈的厚度，包括大氣圈的下層，巖石圈的上層和整個(gè)水圈，最大厚度可達(dá)數(shù)萬(wàn)米。它對(duì)地球的發(fā)展起著重要的特殊作用。 二、地球演化的年代人們根據(jù)地球發(fā)展歷史過(guò)程中生物演化和巖層形成的先后順序，將地球的歷史劃分為若干自然階段確定了國(guó)際統(tǒng)一的時(shí)代單位宙、代、紀(jì)、世，同時(shí)人們又根據(jù)巖石或礦

36、物中放射性元素衰變規(guī)律來(lái)測(cè)定地球的年齡，從而較為理想地確定了地球從它誕生至今，發(fā)生了哪些事件，時(shí)間長(zhǎng)短等等，建立了地質(zhì)年代表。第二節(jié) 地球的基本狀態(tài)和物理性質(zhì)在太陽(yáng)系的八大行星中，離太陽(yáng)由近而遠(yuǎn)，地球是第三顆行星。它與太陽(yáng)的平均距離約為1.496億公里。地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一年，自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一日。一、地球的基本狀態(tài)、形狀與大小地球的形狀指全球靜止海面的形狀，也就是大地水準(zhǔn)面的形狀。宇航人員在宇宙飛船上看到的地球是滾圓的，在月球，火星及人造衛(wèi)星上拍攝的地球照片，地球是球形的。近年來(lái)由于航天技術(shù)的發(fā)展，大大推動(dòng)了關(guān)于地球形狀的深入研究，并取得了一些新的數(shù)據(jù)。通過(guò)人造衛(wèi)星的進(jìn)一步觀測(cè)，并計(jì)

37、算得知，概括說(shuō)來(lái)，有以下方面的認(rèn)識(shí)：大地水準(zhǔn)面不是一個(gè)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)橢球面，而是有地方隆起，有地方凹陷，相差可達(dá)100米以上。地球赤道橫截面不是正圓形，而近橢圓滿(mǎn)形，長(zhǎng)軸指向西經(jīng)20和東經(jīng)160方向，長(zhǎng)短軸之差為430米。赤道面不是地球的對(duì)稱(chēng)面，地球形狀近似“梨”產(chǎn)形狀。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院院士馬宗晉在世界上首次明確提出一個(gè)有趣的科學(xué)推論：地球并非理想的橢球體，而是從內(nèi)到外普遍存在著擴(kuò)張。馬宗晉等人進(jìn)一步提出，相對(duì)而言，北半球是陸半球、冷半球、壓縮的半球；南半球洋半球、熱半球、膨脹的半球，地球的“熱量中心”可能偏于南半球，而“質(zhì)量中心”則偏于北半球。二、地球的物理性質(zhì) 1、地球上物體的重量地球表面上

38、的任何物體都受到地心的引力F引，也同時(shí)受到地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力（F慣），這兩個(gè)力的合力就是物體的重量（W）。2、地球內(nèi)部的放射性地球內(nèi)部有些元素具有天然的放射性，即放出射線(xiàn)，放射線(xiàn)主要為、三種射線(xiàn)。放射性元素所產(chǎn)生的熱稱(chēng)為放射熱。放射性元素對(duì)地球改造的重要性在于它具有放射熱。放射性元素經(jīng)過(guò)地殼運(yùn)動(dòng)和地球化學(xué)過(guò)程在某地聚集之后，將直接影響到地下巖石溫度的變化，放射熱能是地球內(nèi)能的主要來(lái)源，是地球演化的一個(gè)重要?jiǎng)恿Α?放射性元素的原子在衰變過(guò)程中具有半衰期，根據(jù)半衰期這種性質(zhì)可以確定含放射性元素巖石的年齡，也可以測(cè)定月巖、隕石的年齡，所以地球內(nèi)部的放射性元素可以用來(lái)研究地球的歷史，是地球的一

39、個(gè)地質(zhì)時(shí)鐘。3、地?zé)崛藗儗?duì)氣的變化是敏感的，它主要是太陽(yáng)能作用的結(jié)果。氣溫變化的范圍主要是大氣圈和地球的表層。當(dāng)從地表向下達(dá)到一定的深度時(shí)，其溫度不隨外界溫度而變化，這一溫度層叫常溫層，它的深度因地異。在常溫層以下，地溫隨深度而增加，一般說(shuō)來(lái)，每增深100m，溫度增加30C。第三節(jié) 太陽(yáng)活動(dòng)與地球表面的變化太陽(yáng)供給地球光和熱，是地球外動(dòng)力作用的最主要能量來(lái)源，直接影響地球表面形態(tài)的變化。還對(duì)天氣、氣候和生物圈狀況產(chǎn)生影響。地球表面是人類(lèi)賴(lài)以生存之地，地球表面的山川、河流、高低起伏不平是地球內(nèi)動(dòng)力（能量來(lái)自地球本身）和外動(dòng)力（能量來(lái)自太陽(yáng)輻射及日月引力等）綜合作用的結(jié)果。一、太陽(yáng)活動(dòng)太陽(yáng)是一個(gè)巨

40、大的輻射源，它以?xún)煞N輻射形式不斷向外輻射。即電磁輻射（包括可見(jiàn)光、X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)、紅外線(xiàn)及輻射電波）和微粒輻射（如太陽(yáng)風(fēng)）。太陽(yáng)輻射對(duì)地球表面和大氣層加熱形成大氣層的垂直分布結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)流等。從而造就了地球環(huán)境，如紫外線(xiàn)是造成臭氧層和電離層的主要來(lái)源，而太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)的相互作用形成了地球磁層。太陽(yáng)活動(dòng)可以包括以下三種形式：1太陽(yáng)黑子。2.太陽(yáng)光譜中的射線(xiàn)、X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)和射電等輻射的緩變或脈沖式的增強(qiáng)。3.太陽(yáng)等離子體的運(yùn)動(dòng)和拋射以及高能帶電粒子的加速和噴發(fā)。二、地球表面的變化1外力對(duì)地球表面的作用（1）水對(duì)地球表面的影響：水的運(yùn)動(dòng)水的凍結(jié) 水的化學(xué)作用（2）大氣對(duì)地球表面的作用：大氣的運(yùn)動(dòng)

41、大氣降水氣溫變化（3）生物對(duì)地球表面的作用： 植物生長(zhǎng)于巖石裂隙中，在根系成長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，對(duì)巖石的擠壓作用而導(dǎo)致巖石破裂。 動(dòng)物在地面挖掘和穿鑿活動(dòng)中，不僅可使巖石遭到直接的機(jī)械破壞，而且也可以加速其風(fēng)化作用的進(jìn)行。 生物在生長(zhǎng)或死亡過(guò)程中，產(chǎn)生的O2、CO2及各種酸類(lèi)能夠加速巖石的化學(xué)變化或直接溶解某些礦物而對(duì)巖石起破壞作用。2內(nèi)力對(duì)地球表面的作用內(nèi)力作用最主要的特點(diǎn)是使地球表面變得起伏不平，形成山川與溝谷。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）地殼運(yùn)動(dòng)對(duì)地球表面的作用（2）火山活動(dòng)對(duì)地球表面的作用（3）地震對(duì)地球表面的作用對(duì)于地球表面來(lái)說(shuō)，是內(nèi)外力綜合作用的結(jié)果，內(nèi)力作用使地球表面形成起伏不平，通

42、過(guò)外力作用可使地球表面上高處被剝蝕夷平，低處被充填；內(nèi)外力這種相互斗爭(zhēng)，彼此消長(zhǎng)的過(guò)程，也就是地球表面發(fā)展和演化過(guò)程。第四節(jié) 地球的大地構(gòu)造理論在大地構(gòu)造理論的發(fā)展過(guò)程中，曾出現(xiàn)過(guò)許多學(xué)說(shuō)，如均衡說(shuō)、對(duì)流說(shuō)、膨脹說(shuō)、多旋回說(shuō)、地質(zhì)力學(xué)、地洼說(shuō)，槽臺(tái)說(shuō)等等，這一事實(shí)反映大地構(gòu)造理論處于不斷探索和完善階段，但每一個(gè)大地構(gòu)造學(xué)說(shuō)的提出，都標(biāo)志著大地構(gòu)造理論進(jìn)入一個(gè)更高水平階段，如20世紀(jì)最激動(dòng)人心的大地構(gòu)造理論板塊構(gòu)造理論。板塊構(gòu)造的基本理論1967年，美國(guó)的普林斯頓大學(xué)的摩根（J.Morgan）、英國(guó)劍橋大學(xué)的麥肯齊（D.P.Mekenzie）、法國(guó)的勒皮順（X.Le.Pichon）等人，結(jié)合大陸

43、漂移和海底擴(kuò)張假說(shuō)令人滿(mǎn)意的部分，把它們的基本原理擴(kuò)展到整個(gè)巖石圈，并對(duì)巖石圈的運(yùn)動(dòng)和演化的總體規(guī)律做了總結(jié)提高，進(jìn)而形成了板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)或稱(chēng)新的全球構(gòu)造理論。它包含以下基本原理：1.地球巖石圈和軟流圈參與了地球總體的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。2.巖石圈可分成若干個(gè)剛性板塊。每個(gè)板塊在軟流圈上不停地作水平位移。3.板塊的水平位移具有三種形式：即板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，板塊之間的反向運(yùn)動(dòng)和板塊之間的相互錯(cuò)動(dòng)。第五節(jié) 地球科學(xué)地球科學(xué)是研究地球的發(fā)展與演化規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。當(dāng)代地球科學(xué)的基本任務(wù)是整體性的認(rèn)識(shí)地球，包括它的過(guò)去、現(xiàn)今并預(yù)測(cè)它的未來(lái)發(fā)展和行為。地球科學(xué)的研究使人類(lèi)不斷提高對(duì)地球的認(rèn)識(shí)，并增強(qiáng)社會(huì)功能，它能夠

44、有效的探索、開(kāi)拓和合理利用自然資源；避免和減輕自然災(zāi)害；避免和保護(hù)自然環(huán)境不受破壞和干擾；預(yù)測(cè)和調(diào)節(jié)環(huán)境變化與全球變化；從總體上促進(jìn)協(xié)調(diào)人類(lèi)社會(huì)與自然系統(tǒng)之間的關(guān)系，維護(hù)生物圈和人類(lèi)社會(huì)生存、持續(xù)發(fā)展的自然環(huán)境。一、地球科學(xué)研究的基本進(jìn)展二十世紀(jì)末地球科學(xué)在各種探測(cè)、觀測(cè)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和數(shù)值模擬等新的高技術(shù)的研究，已獲得突破性進(jìn)展，大大深化我們對(duì)地球的認(rèn)識(shí)，特別在構(gòu)筑關(guān)于行星地球的統(tǒng)一的整體性概念模式和控制各種基本過(guò)程的相互作用的綜合認(rèn)識(shí)方面，邁出了很大的一步。 二、 地球系統(tǒng)科學(xué)地球系統(tǒng)的研究，是在全球尺度上研究地球系統(tǒng)的各組成（巖石圈、水圈、氣圈和生物圈）的相互作用及其

45、運(yùn)行機(jī)制和演化，了解人類(lèi)活動(dòng)的后果，發(fā)展預(yù)測(cè)十年到百年的由自然和人類(lèi)活動(dòng)引起的全球變化（環(huán)境）的能力，預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境變化趨勢(shì)，闡明和維護(hù)人類(lèi)的可居住性。重點(diǎn)是主導(dǎo)地球系統(tǒng)演變和全球變化的相互作用的物理、化學(xué)和生物作用。 第三章 生命的本質(zhì)與智力的起源引言今天的地球，是一個(gè)瑰麗多姿的生命世界。地球上有100多萬(wàn)種動(dòng)物，30多萬(wàn)種植物和10多萬(wàn)種微生物。從高山到平原，從赤道到兩極，從沙漠到草原，從空中到海洋，幾乎到處都有生命的蹤跡。生命的本質(zhì)是什么？這是自然科學(xué)長(zhǎng)期探索的問(wèn)題，也是哲學(xué)上的一個(gè)大問(wèn)題。動(dòng)物圖片植物圖片（十大名花）微生物圖片（細(xì)菌）第一節(jié) 生命的物質(zhì)基礎(chǔ)一 細(xì) 胞二 蛋白質(zhì)三 核 酸生

46、命定義生 命：是由核酸與蛋白質(zhì)組成的具有自我更新和自 我復(fù)制能力的各分子體系。一 、細(xì) 胞細(xì)胞是生命體的基本結(jié)構(gòu)單位。植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖1.細(xì)胞膜2.細(xì)胞壁3.細(xì)胞質(zhì)4.葉綠體5.高爾基體 6.核仁7.核液8.核膜9.染色質(zhì)10.核孔 11.線(xiàn)粒體12.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)13.游離的核糖體14.液泡15.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體動(dòng)物細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖11.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體13.中心體1.細(xì)胞膜2.細(xì)胞質(zhì)3.高爾基體4.核液5.染色質(zhì) 6.核仁7.核膜8.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)9.線(xiàn)粒體10.核孔12.游離的核糖體細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)示意圖細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)示意圖線(xiàn)粒體的結(jié)構(gòu)示意圖葉綠體立體結(jié)構(gòu)模式圖二、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是一種復(fù)雜的、相對(duì)分子量巨大的高

47、分子有機(jī)化合物，它的組成成分主要為氨基酸，它是生物體活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。如：酶、抗體、血清蛋白、肌肉蛋白、膜蛋白、激素、毒素等。（一）蛋白質(zhì)的分子組成蛋白質(zhì)的化學(xué)元素：碳、氫 、氧、氮、硫，有的含有微量鐵和碘。氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位。氨基酸主要是由碳、氫 、氧、氮四種元素組成。氨基酸有20種。-氨基酸通式：20種氨基酸分三大類(lèi)中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸 8種必需氨基酸: 蘇氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸、亮氨酸、異亮氨酸。（二）蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)是由大量氨基酸組成的大分子。蛋白質(zhì)分子是次氨酸分子間的肽鍵（-CO-NH-) 縮合而成的共價(jià)多肽鍵。四肽化合物蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)

48、構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)20多種氨基酸能夠排列組合千萬(wàn)種蛋白質(zhì)。（三）蛋白質(zhì)的種類(lèi)及其基本生理功能1 種類(lèi)2 生理功能1 種 類(lèi)依照組成成分分類(lèi)： 單純蛋白和結(jié)合蛋白單純蛋白清蛋白、球蛋白、組蛋白結(jié)合蛋白脂蛋白、色蛋白、磷蛋白、核蛋白2 生理功能組成生物的主要成分一些基本生理功能酶催化作用葉綠蛋白光合作用血紅蛋白載氧作用紅細(xì)胞肌紅蛋白運(yùn)氧作用 肌肉激 素調(diào)節(jié)作用抗 體免疫保護(hù)作用受 體 感光刺激神經(jīng)沖動(dòng)膠原纖維蛋白骨骼和皮膚的高抗張強(qiáng)度蛋白質(zhì)分子形狀分類(lèi)球蛋白和纖維蛋白球蛋白血紅蛋白豆類(lèi)球蛋白似球形，較易溶解纖維蛋白指 甲羽 毛蠶 絲似纖維，不溶于水三、 核

49、酸核酸是復(fù)雜的、相對(duì)分子質(zhì)量巨大的高分子有機(jī)化合物，它的主要成分為核苷酸。它是生物體遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸分類(lèi)脫氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）DNA A . G . T . CRNAA . G . U . C（一）核酸的組成成分核酸是單核苷酸的聚合物單核苷酸是由五碳單糖、堿基和磷酸三部分組成。（二）DNA的分子結(jié)構(gòu)DNA的分子是由兩條互相纏繞的多核苷酸長(zhǎng)鏈所組成，脫氧核糖和磷酸排列在每條鏈的外側(cè)，堿基在內(nèi)側(cè)。兩條長(zhǎng)鏈上的單核苷酸是相對(duì)的。相對(duì)的單核苷酸中的堿基之間的氫鏈互補(bǔ)配對(duì)，相對(duì)的堿基排列是有規(guī)律的，A=T、GC、T=A、CG堿基對(duì)數(shù)目DNA分子的堿基對(duì)數(shù)目很多，成千上萬(wàn)。100對(duì)堿

50、基排列方式4100以上，是天文數(shù)字。遺傳信息就蘊(yùn)藏在DNA分子上許多堿基排列的順序中。DNA分布DNA分布于細(xì)胞的位置，可以因生物的種類(lèi)而不同。病毒核心部分。細(xì)菌染色體中。動(dòng)、植物細(xì)胞核中。線(xiàn)粒體、葉綠體少量。（RNA）的種類(lèi)及其功能種類(lèi)：三種mRNA信使核糖核酸模板tRNA轉(zhuǎn)移核糖核酸運(yùn)輸rRNA核糖體核糖核酸場(chǎng)所轉(zhuǎn) 錄A=U、T=A、GC、CGATP 高能化合物，重要的生命物質(zhì)。第二節(jié) 生命的本質(zhì)一 、生物大分子的自我復(fù)制二、生命世界的自組織生命現(xiàn)象的本質(zhì)特征是核酸和蛋白質(zhì)化學(xué)成分的自我更新。生命現(xiàn)象最本質(zhì)內(nèi)容是生物大分子的自我復(fù)制和生命體的自我組織。自我更新新陳代謝 同化作用 異化作用自

51、我復(fù)制一分為二。一、生物大分子的自我復(fù)制（一）DNA的復(fù)制（二）基因與人類(lèi)基因組（三）蛋白質(zhì)合成的控制（四）遺傳密碼（一）DNA 的復(fù)制DNA 分子是邊解旋邊復(fù)制的。DNA雙螺旋復(fù)制模型（二）基因與人類(lèi)基因組基因在遺傳過(guò)程中決定著特定蛋白質(zhì)的化學(xué)組成，即基因的功能是編碼蛋白質(zhì)。人類(lèi)的基因組大約有3萬(wàn)至4萬(wàn)個(gè)基因。（三）蛋白質(zhì)合成的控制基因控制蛋白合成的過(guò)程，包括“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”兩個(gè)重要步驟： 轉(zhuǎn)錄過(guò)程在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行；通過(guò)轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息就傳遞到RNA 上，這種RNA叫做信使RNA。 翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，以信使RNA為模板，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過(guò)程。中心法則蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)

52、錄復(fù)制復(fù)制DNARNA（四）遺傳密碼共有64種，其中61種編碼氨基酸，另外3種編碼終止信號(hào)。二 、生命世界的自組織生命現(xiàn)象是一個(gè)維持高度有序結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這種自發(fā)組織形成的有序結(jié)構(gòu)的過(guò)程叫做“自組織”。核 酸蛋白質(zhì)細(xì)胞組織器官系統(tǒng)個(gè)體第三節(jié) 生命起源與生物進(jìn)化一、生命起源二、生命進(jìn)化生命進(jìn)化過(guò)程螺旋上升的形式 一、生命起源假 說(shuō)：1、上帝或神創(chuàng)2、自然發(fā)生3、永恒4、化學(xué)變化當(dāng)代假說(shuō)：1、化學(xué)進(jìn)化說(shuō)2、宇宙胚種說(shuō)化學(xué)進(jìn)化說(shuō)主張：生命起源于原始地球從無(wú)機(jī)到有機(jī)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的化學(xué)進(jìn)化過(guò)程。生命化學(xué)進(jìn)化四個(gè)階段從無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)有機(jī)小分子物質(zhì)從有機(jī)小分子物質(zhì)有機(jī)大分子物質(zhì)從有機(jī)大分子物質(zhì)多分子體系從多

53、分子體系原始生命二 、生物進(jìn)化（一）生物的世界（二）植物進(jìn)化的主要階段（三）動(dòng)物進(jìn)化的主要階段（四）分子樹(shù) （五）分子系統(tǒng)學(xué)研究的主要成果（一）生物的分界1、兩界說(shuō)2、三界說(shuō)3、四界說(shuō)4、五界說(shuō)5、六界說(shuō)生命界及分類(lèi)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖（二）植物進(jìn)化的主要階段 植物界系統(tǒng)樹(shù)（三）動(dòng)物進(jìn)化的主要階段動(dòng)物界的系統(tǒng)樹(shù)（四）分子樹(shù)20種不同生物細(xì)胞色素c的分子樹(shù)（五）分子系統(tǒng)學(xué)研究的重要成果（1）生物進(jìn)化系統(tǒng)的三條主干（2）支持真核細(xì)胞的共生起源說(shuō)（3）分子系統(tǒng)樹(shù)與傳統(tǒng)表型系統(tǒng)樹(shù)相符合（4）模糊和爭(zhēng)論問(wèn)題得已解決第四節(jié) 人類(lèi)智力的起源和進(jìn)化一、什么是智力二、腦的進(jìn)化三、智力進(jìn)化和人類(lèi)的起源四 、人類(lèi)對(duì)大腦和智力的

54、不斷探索人類(lèi)大腦具有上千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。大腦左半球簡(jiǎn)圖一、什么是智力智力是指人認(rèn)識(shí)客觀事物并運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，集中表現(xiàn)在反映客觀事物深刻、正確、完全的程度上，往往通過(guò)觀察、記憶、想象、思考、判斷等表現(xiàn)出來(lái)。二、腦的進(jìn)化腦的每一步進(jìn)化都得保留原有部分，但其功能必須被新層所控制，同時(shí)具有新功能的新層又增殖出來(lái)，最后，就是覆蓋在腦的其余部分之上最新進(jìn)化的堆積物新皮層。 三、 智力進(jìn)化與人類(lèi)的起源DNA 所含的遺傳信息和大腦所含信息相比，為腦的進(jìn)化。幾億年前，腦的信息量只有幾十億比特。石炭紀(jì)時(shí)，腦內(nèi)信息量大于基因信息的生命體爬行動(dòng)物。腦進(jìn)化，促進(jìn)智力進(jìn)化哺乳動(dòng)物，靈長(zhǎng)目動(dòng)物。智力的進(jìn)化和人類(lèi)的

55、起源是相互聯(lián)系的。猿如何到人古人類(lèi)學(xué)家，認(rèn)為現(xiàn)代人類(lèi)是由共居住在世界各地的古老祖先進(jìn)化而來(lái)得，進(jìn)化歷程歷時(shí)數(shù)百萬(wàn)年。分子遺傳學(xué)家，認(rèn)為當(dāng)今人類(lèi)所有個(gè)各種族共同的女性祖先也就是人類(lèi)始祖夏娃，距今 1518萬(wàn)年之間。四、 人類(lèi)對(duì)大腦和智力的不斷探索探索大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)奧秘，了解智力的產(chǎn)生。復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)認(rèn)識(shí)生命與智力帶來(lái)新的啟迪。腦的復(fù)雜性，深入研究人腦。第四章 宇宙的結(jié)構(gòu)層次和物質(zhì)的基本單元作者宗世哲引言 宇宙是物質(zhì)的。宇宙的結(jié)構(gòu)層次是怎么樣的？構(gòu)成物質(zhì)的基本單元是什么？這是自然科學(xué)中的重大基本問(wèn)題。從亙古開(kāi)始，人類(lèi)就開(kāi)始探索，至今，人們?nèi)栽诓煌５匮芯浚瑥膩?lái)沒(méi)有停止過(guò)?，F(xiàn)在人們按照空間尺度和質(zhì)量大小，

56、粗略地把世界分為宇觀、宏觀和微觀三個(gè)層次。從研究晶體開(kāi)始，經(jīng)過(guò)了分子、原子、核、核子和介子、一直到夸克這樣一個(gè)連續(xù)的研究過(guò)程，人們的認(rèn)識(shí)逐漸深化，現(xiàn)在確信構(gòu)成物質(zhì)的基本單元是夸克、輕子和傳播子。第一節(jié) 宇宙的宇觀、宏觀和微觀三個(gè)層次宇宙按其空間尺度和質(zhì)量大小可分為宇觀、宏觀和微觀三個(gè)層次。一、微觀層次：通常又分為粒子亞原子和原子分子兩個(gè)層次。二、宏觀層次：宏觀物質(zhì)是由大量原子分子形成的凝聚體系，其穩(wěn)定條件，是電子受原子核的為庫(kù)侖吸引與電子之間因泡利不相容而有的排斥之間的平衡。三、宇觀層次：宇觀與宏觀之間也沒(méi)有明顯界限。從與宏觀層次相接的阿波羅神小行星附近開(kāi)始，經(jīng)過(guò)行星、恒星、星系、星系團(tuán)、超級(jí)

57、星系，直到可觀測(cè)的宇宙，構(gòu)成一個(gè)系列。 第二節(jié) 古代人和早期的物質(zhì)觀世界萬(wàn)物是由什么構(gòu)成的 ? 構(gòu)成物質(zhì)的基本單元是什么？或者說(shuō)它有最小結(jié)構(gòu)嗎 ? 如果有，那是什么呢? 古代，人們是如何看的？現(xiàn)代科學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題研究到什么程度，是怎么樣認(rèn)識(shí)的?早在周代，我們的祖先就提出了五行說(shuō)，認(rèn)為萬(wàn)物都是由金、木、水、火、土這五種物質(zhì)原料構(gòu)成。 周易中有“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦”的哲學(xué)思想。 大約在公元前400多年，古希臘哲學(xué)家德謨克利特把構(gòu)成物質(zhì)的最小單元叫做“原子”，認(rèn)為宇宙萬(wàn)物乃至靈魂都是由這種不可分割的原子構(gòu)成的。 古代思想家和哲學(xué)家對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，只是靠思辯和猜想，他們沒(méi)有想到或沒(méi)有

58、條件用實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)他們的假說(shuō)，也沒(méi)有用這些假說(shuō)所預(yù)言的情況來(lái)驗(yàn)證假說(shuō)本身。因此，古代人關(guān)于物質(zhì)本源的假說(shuō)，只能當(dāng)作近代科學(xué)研究的一種背景，而不能視為科學(xué)真諦。真正對(duì)物質(zhì)構(gòu)成進(jìn)行科學(xué)的研究和解釋?zhuān)菑?7世紀(jì)開(kāi)始的。 1661年，英國(guó)科學(xué)家玻意耳(R.Boyle 1627-1691)提出了化學(xué)元素概念，為科學(xué)地研究化學(xué)奠定了基礎(chǔ)。 1803年，英國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓用原子的觀念闡明化合物的組成及其所服從的定量規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量不同元素的原子質(zhì)量之比。這種始于化學(xué)的原子假說(shuō)叫做“化學(xué)原子論”。 1811年，意大利科學(xué)家阿伏加德羅提出了分子假說(shuō)，彌補(bǔ)了道爾頓原子學(xué)說(shuō)中忽視了原子和分子區(qū)別的缺陷

59、，兩者結(jié)合成為“原子分子學(xué)說(shuō)”。 1869年，俄國(guó)科學(xué)家門(mén)捷列夫(. 1834-1907)發(fā)現(xiàn)了元素的周期性遞變規(guī)律制成了元素周期表，這在人類(lèi)認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)程中，是一個(gè)重大的成就。 第三節(jié) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元很久以來(lái),人們一直在探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元，最初把元素的最小單元-原子-看作不可分的，是各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元。20世紀(jì)初期,認(rèn)識(shí)到原子是由原子核和電子構(gòu)成的,1932年中子被發(fā)現(xiàn)以后,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到原子核 還有內(nèi)部結(jié)構(gòu),是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。這以后，人們發(fā)現(xiàn)，原來(lái)看作是基本粒子不再是基本的了。1964年，蓋爾曼提出了夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子，包括質(zhì)子和中子，都是由夸克組成的。一、第一個(gè)粒子電子

60、的發(fā)現(xiàn)1897年，湯姆孫(J.J.Thomson 18561940)根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用陰極射線(xiàn)管測(cè)量了陰極射線(xiàn)粒子速度以及該粒子的荷質(zhì)比。這樣就完全弄清了陰極射線(xiàn)粒子的存在和性質(zhì)，湯姆孫稱(chēng)這種粒子為“微?！?，把它所帶的電荷稱(chēng)為“電子”。后來(lái)，人們把陰極射線(xiàn)粒子本身稱(chēng)為“電子”。 二、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 1909年1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福（E.Rutherford, 1871-1937）用一束粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)有大角度散射，因而提出原子的有核模型，認(rèn)為原子是由非常小的原子和核外電子組成，原子核集中了原子的全部正電荷和絕大部分質(zhì)量，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。 三、中子的發(fā)現(xiàn) 盧瑟