宇觀世界探索

第六章宇觀世界探索討論：如何理解“宇觀”這個概念？“宏觀”和“宇觀”是不同的兩個概念嗎？版權(quán)所有復(fù)制必究高等教育出版社§6.1人類宇宙觀的演化我國古代對地球的認(rèn)識：地球形狀：“天似蓋笠，地法覆盤”（古老“蓋天論說”）→“天體圓如彈丸，地如雞子中黃”（東漢張衡“渾天說”）。張衡渾天儀地動儀“蓋天說”認(rèn)為大地是平均的，天像一把傘覆蓋著大地；“渾天說”認(rèn)為天地具有蛋狀結(jié)構(gòu)，地在中心，而天包裹在其周圍；古代的希臘和羅馬，關(guān)于宇宙的結(jié)構(gòu)和演化也有許多學(xué)說。如，中心火焰說即認(rèn)為宇宙中心是一團(tuán)大火焰、地心說和正多面體宇宙結(jié)構(gòu)模型等。所有這些模型并沒有明確涉及時間！也許模型提出者認(rèn)為宇宙空間是個永恒不變的結(jié)構(gòu)，而時間是獨(dú)立于空間的某種延續(xù)。這些模型是符合古人“天不變，道亦不變”的樸實(shí)觀念的。世界對地球認(rèn)識的發(fā)展：

①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。

②公元15世紀(jì)葡萄牙航海家麥哲倫堅信地球是圓的。畢達(dá)哥拉斯麥哲倫③公元16世紀(jì)

哥白尼“日心說”使人們了解了地球在宇宙中的位置。④公元18世紀(jì)德國的哲學(xué)家康德和法國的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯研究了地球的起源?？档吕绽构糯冀y(tǒng)治地位的宇宙模型是地心說。16世紀(jì)哥白尼倡導(dǎo)日心說，使人類宇宙觀發(fā)生根本變革。17世紀(jì)，牛頓開創(chuàng)了用力學(xué)方法研究宇宙論的途徑，建立了經(jīng)典宇宙論。廣義相對論的建立使經(jīng)典宇宙論有了更統(tǒng)一的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；大量的天文觀測資料支持了廣義相對論的科學(xué)預(yù)言，并由此產(chǎn)生了現(xiàn)代宇宙論?！?.1.1日心說及其天文觀測依據(jù)哥白尼與他的日心說：哥白尼的主要貢獻(xiàn)是創(chuàng)立了科學(xué)的日心說，寫出“自然科學(xué)的獨(dú)立宣言”——《天體運(yùn)行論》。哥白尼日心說·6.1.2銀河系的發(fā)現(xiàn)及太陽系在其中的位置

銀河系的發(fā)現(xiàn)：銀河系的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了漫長的過程……18世紀(jì)后期，天文學(xué)家利用反射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了系統(tǒng)的恒星記數(shù)觀測。并記下了117600顆恒星，得出了一個恒星系統(tǒng)呈扁盤狀的結(jié)論，并認(rèn)為太陽離扁盤中心不遠(yuǎn)。19世紀(jì)又將恒星計數(shù)的工作擴(kuò)展到南天。20世紀(jì)初，天文學(xué)家開始把這個系統(tǒng)稱為銀河系(Galaxy)。1918年，人們提出了太陽不在銀河系中心的觀測分析結(jié)果。在20年代觀測發(fā)現(xiàn)了銀河系自轉(zhuǎn)以后，這個銀河系模型得到了天文學(xué)家的公認(rèn)。從宇宙論角度看．銀河系結(jié)構(gòu)的確定不僅是從尺度上擴(kuò)大了人類認(rèn)識到的時空結(jié)構(gòu)，同時是繼哥白尼之后又一次否定了人類(及其所居住的星球)在宇宙中具有任何特殊地位?！?/p>

6.1.3

從星云到河外星系星云問題的引出：1755年，康德在他的《自然通史和天體論》書中提出“廣大無邊的宇宙”之中有“數(shù)量無限的世界和星系”的觀念。從銀河系的構(gòu)成看，除了由大量恒星組成的球狀星團(tuán)、疏散星團(tuán)、一些零散的其他恒星外，還有大量的星際物質(zhì)。它們也可分為三大類：亮星云、暗星云和它們之間的星際氣體及塵埃。問題的證明：

1923年，哈勃用威爾遜山天文臺的胡可望遠(yuǎn)鏡觀測到星云中數(shù)目不等的造父變星，并推出他們的距離，竟然比銀河系盤的直徑大五倍。這就有力的證明了這些星云是處于銀河系外的天體----河外星系。哈勃哈勃在1929年所作的劃時代的工作：

rK=v,K=(513±60)km/(s·Mpc)

這就是著名的哈勃定律。K稱為哈勃常量?，F(xiàn)在用H0表示，下標(biāo)0表示今天的取值。哈勃還利用他的數(shù)據(jù)作出了紅移和距離的關(guān)系圖即“哈勃圖”。由于紅移和距離的關(guān)系并不依賴于天體的內(nèi)在性質(zhì)，因此確定天體的紅移為確定天體距離提供了一個新的手段?！?.1.4大爆炸宇宙模型的提出及其理論預(yù)言大爆炸宇宙模型的提出：

1930年，人們把哈勃關(guān)于星系紅移與距離之間關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，解釋為由愛因斯坦場方程給出的宇宙非靜態(tài)解所描述的膨脹宇宙所顯示的觀測效應(yīng)。

宇宙大爆炸理論預(yù)言：

1948年，伽莫夫把核物理學(xué)同宇宙膨脹理論結(jié)合起來，奠定了大爆炸宇宙論的基礎(chǔ)，更清晰地描繪了宇宙從原始高密狀態(tài)演化、膨脹的概貌。伽莫夫他把原始原子稱為原始火球，球內(nèi)充滿輻射和基本粒子，這些基本粒子互相發(fā)生核聚變反應(yīng)。引起爆炸而向外膨脹，輻射溫度和物質(zhì)溫度急劇下降、核反應(yīng)停止，其間所產(chǎn)生的各種元素形成了今天宇宙中的各種物質(zhì)，伽莫夫還預(yù)言，大爆炸有殘余的輻射遺留下來，只有絕對溫度幾度。§6.2宇宙觀測與大爆炸宇宙學(xué)

的發(fā)展6.2.1宇宙觀測及其意義對宇宙的觀測包括以下七個方面：

1.宇宙微波背景輻射：1965年3K微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，也是大爆炸理論的有力論據(jù)。兩位發(fā)現(xiàn)者：美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎。

1989年利用COBE衛(wèi)星進(jìn)一步測得了宇宙背景溫度為：T=2.725K2.膨脹：標(biāo)準(zhǔn)宇宙論的一個最基本的性質(zhì)是宇宙的膨脹。20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)膨脹在觀測宇宙論中起著基本的作用。目前公認(rèn)的哈勃常量H0在45~75km/(s·Mpc)的范圍。3.均勻性和各向同性：宇宙中不存在任何特殊點(diǎn)，或者說宇宙中所有點(diǎn)是平等的。稱為宇宙論原理或宇宙平庸原理。對于觀測到的宇宙的各向同性的最好證據(jù)是微波背景輻射溫度的一致性。4.宇宙的年齡：宇宙年齡約13.7×109年。宇宙的年齡可用多種方法加以測定：如利用宇宙膨脹率計算返回到爆炸的時間；通過球狀星團(tuán)中最老恒星年齡的測定；通過放射性元素標(biāo)定的年代；研究白矮星的冷卻時標(biāo)；通過星系團(tuán)中熱氣體的冷卻時間等等。5.輕元素豐度：預(yù)測豐度與“推斷”的原初豐度的比較，提供了一個對標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的有力檢驗(yàn)。6.物質(zhì)密度，宇宙中的暗物質(zhì)和暗能量：宇宙成分中，普通物質(zhì)只占4%，另有23%的“暗物質(zhì)”，73%的“暗能量”，關(guān)于暗能量的物理本質(zhì)，至今仍是宇宙學(xué)中的一個難題。7.宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)：宇宙處于大尺度的情形，宇宙的均勻性和各向同性已是一個觀測事實(shí)，但在較小尺度上宇宙卻有最突出的特點(diǎn)----結(jié)構(gòu)的存在。宇宙包括行星、恒星、星系、星系團(tuán)、超團(tuán)、空洞等。這些結(jié)構(gòu)的存在，是宇宙的重要性質(zhì)，并且很可能是理解宇宙演化的關(guān)鍵。6.2.2大爆炸宇宙學(xué)面臨的困難首先是均勻性問題。宇宙的年齡是有限的，因此在宇宙創(chuàng)生以來物之間能進(jìn)行相互作用的范圍也是有限的。由此宇宙的均與范圍也應(yīng)該是有限的，即如果大爆炸宇宙學(xué)嚴(yán)格成立，那么宇宙不應(yīng)該如此均勻。其次是平性問題。宇宙可以有三種可能情況：即開放的、封閉的和臨界的。它們?nèi)Q于宇宙的減速因子q0，觀測事實(shí)表明q0很接近于1/2，這個臨界值是否是巧合呢？

6.2.3暴脹宇宙的成就和困難

1981年，科學(xué)家提出了一種擺脫困境的有效途徑，就是“宇宙暴脹”。暴脹模型認(rèn)為，當(dāng)宇宙的溫度下降到某一個臨界值Tc，甚至T<Tc時，相變并不發(fā)生，真空仍保持對稱狀態(tài)。此時形成所謂過冷態(tài)，當(dāng)宇宙處于過冷態(tài)時，粒子與輻射這兩種成分對于宇宙膨脹的影響很小，其作用的是真空態(tài)。當(dāng)宇宙處于過冷真空態(tài)時，是一個以排斥力為主的時期。在斥力作用下，宇宙的膨脹將會是加速的；這種加速會使宇宙極快地膨脹，它就是暴脹。

按暴脹宇宙模型，當(dāng)宇宙處于10-35~10-32s間，宇宙經(jīng)歷過一個急劇的膨脹階段，宇宙尺度增長的幅度達(dá)50~60個量級。由此，大爆炸宇宙學(xué)的因果疑難、平性困難都自然地解決了，但對于奇點(diǎn)問題等，暴脹宇宙模型仍未加以解決。暴脹宇宙形成模型§6.3星系的起源和演化6.3.1星系形成時期及分類

星系：天文學(xué)中，我們把這種由千百億顆恒星以及分布在它們之間的星際氣體、宇宙塵埃等物質(zhì)構(gòu)成的，占據(jù)了成千上萬億光年空間距離的天體系統(tǒng)叫做“星系”。銀河系星系、星系團(tuán)和超星系團(tuán)形成時期分別對應(yīng)于紅移z=100、10、1的時刻。星系的分類：最流行的是哈勃的分類。

橢圓星系漩渦星系不規(guī)則星系橢圓星系漩渦星系不規(guī)則星系6.3.2銀河系的年輪及其次系恒星在星系中的軌道運(yùn)動、位置及其年齡三者之間存在著及其密切的聯(lián)系：

1.球狀星團(tuán)是我們銀河系中最年長的成員，他們組成以星系核為中心的球狀分布系統(tǒng)。

2.O型和B型是最年輕的成員，他們組成幾乎與銀道面重合的極為扁平的系統(tǒng)。

3.其他的恒星其性質(zhì)在上述兩種類型之間，而在空間分布位置上也介于上述的球和扁平系統(tǒng)之間，形成一個中介系統(tǒng)。6.3.3劇烈變化的星系核蝎虎座BL型天體，其光變都很劇烈。蝎虎座(Lacerta)是北天銀河光帶上的星座之一，Lacerta意為“蝎虎、壁虎和蜥蜴”。

塞福特星系有一個很亮的核。

類星體的譜線有很大的紅移，它們是目前已觀測到的具有很大紅移的天體。蝎虎座§6.4標(biāo)志恒星一生的赫羅圖6.4.1恒星的形成星系形成的初期仍是一個較均勻的稱為星云的物質(zhì)團(tuán)。在星云收縮的過程中，由萬有引力引起的引力不穩(wěn)定性起著重要的作用。在引力作用下，星云急劇坍縮，其中心形成體積更小、密度更大的內(nèi)核——原初恒星。原初恒星形成的標(biāo)志之一，是星云的快速收縮過程的結(jié)束。6.4.2恒星分類

通過觀測得到恒星的性質(zhì)大體如下：

質(zhì)量為0.05~100m⊙

光度為10-4~106L⊙

半徑為106~1012m

表面溫度為103~105K

恒星的表面溫度為分類提供了依據(jù)。除了表面溫度外更多的是采用亨利·德雷伯分類與三色測光分類。6.4.3

揭示恒星一生經(jīng)歷的秘密——赫羅圖這種恒星光度和光譜型關(guān)系的圖，是由丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國天文學(xué)家羅素于1905-1913年各自獨(dú)立創(chuàng)制的，故名赫羅圖。赫羅圖能顯示恒星各自的演化過程，能估計星團(tuán)的年齡和距離，是研究恒星演化的重要手段，也是天體物理學(xué)和恒星天文學(xué)的有力工具。由赫羅圖我們可以推測恒星的一生。6.4.4恒星演化的結(jié)局

1.錢德拉塞卡極限：它是描述恒星演化，決定恒星命運(yùn)的一個重要的質(zhì)量極限。

2.超新星爆發(fā)和脈沖星：

1932年物理學(xué)家從理論上預(yù)言了中子星的存在，其極限質(zhì)量的值為太陽質(zhì)量的2.4倍。它標(biāo)志了另一類特殊天體——中子星的形成條件，也是中等質(zhì)量恒星演化的最后歸宿。

1967年英國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了脈沖星。脈沖星的發(fā)現(xiàn)是60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。3.令人生畏的黑洞：白矮星----質(zhì)量小于1.44倍太陽質(zhì)量，即所謂錢德拉塞卡質(zhì)量極限的恒星。中子星----質(zhì)量小于2.4倍太陽質(zhì)量極限的恒星?！昂诙础?---質(zhì)量大于2.4倍太陽質(zhì)量極限的恒星。至今沒有受到觀測的肯定。黑洞模型§6.5太陽和太陽系的起源6.5.1研究太陽的雙重意義

太陽是太陽系中唯一發(fā)光的天體，是太陽系的光和熱的源泉。太陽上的任何細(xì)微變化都會引起整個太陽系的明顯變化。研究太陽的重要意義之一在于了解人類的生態(tài)環(huán)境。從天文角度來看，太陽是一個普通的恒星，人類可以把對太陽大氣和太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的知識推廣到別的恒星上去。太陽活動6.5.2太陽系的起源和太陽的形成（1）災(zāi)變說：認(rèn)為太陽先形成，后來被另一顆恒星拉出或撞出大量物質(zhì)，形成行星和衛(wèi)星。（2）俘獲說：也認(rèn)為太陽先形成，但以后太陽從銀河系中俘獲其他星際物質(zhì)而形成了行星和衛(wèi)星。（3）星云說：認(rèn)為整個太陽系是由同一塊星云物質(zhì)形成的；這塊形成太陽系的星云稱為原始星云。太陽系的構(gòu)成

太陽系的中心是太陽，雖然它只是一顆中小型的恒星，但它的質(zhì)量已經(jīng)占據(jù)了整個太陽系總質(zhì)量的99.85％；太陽以自己強(qiáng)大的引力將太陽系中所有的天體緊緊地控制在他自己周圍，使它們井然有序地圍繞自己旋轉(zhuǎn)。同時，太陽又帶著太陽系的全體成員圍繞銀河系的中心運(yùn)動。太陽系

太陽系內(nèi)迄今發(fā)現(xiàn)了八顆大行星。按照距離太陽的遠(yuǎn)近，這八大行星依次是：最近的水星、