宇觀世界探索

關(guān)于宇觀世界探索§6.1人類宇宙觀的演化我國(guó)古代對(duì)地球的認(rèn)識(shí)：地球形狀：“天似蓋笠，地法覆盤(pán)”（古老“蓋天論說(shuō)”）→“天體圓如彈丸，地如雞子中黃”（東漢張衡“渾天說(shuō)”）。張衡渾天儀地動(dòng)儀第2頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天世界對(duì)地球認(rèn)識(shí)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(jiān)信地球是圓的。畢達(dá)哥拉斯麥哲倫第3頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天③公元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。④公元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。康德拉普拉斯第4頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天·6.1.1日心說(shuō)及其天文觀測(cè)依據(jù)哥白尼與他的日心說(shuō)：哥白尼的主要貢獻(xiàn)是創(chuàng)立了科學(xué)的日心說(shuō)，寫(xiě)出“自然科學(xué)的獨(dú)立宣言”——《天體運(yùn)行論》。哥白尼日心說(shuō)第5頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天·6.1.2銀河系的發(fā)現(xiàn)及太陽(yáng)系在其中的位置

銀河系的發(fā)現(xiàn)：太陽(yáng)系在其中的位置：太陽(yáng)也不是宇宙的中心。銀河系的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程……第6頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天·

6.1.3

從星云到河外星系星云：

問(wèn)題的引出：1755年，康德在他的《自然通史和天體論》書(shū)中提出“廣大無(wú)邊的宇宙”之中有“數(shù)量無(wú)限的世界和星系”的觀念。第7頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天問(wèn)題的證明：

1923年，哈勃用威爾遜山天文臺(tái)的胡可望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(pán)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。哈勃第8頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天哈勃在1929年所作的劃時(shí)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。現(xiàn)在用H0表示，下標(biāo)0表示今天的取值。第9頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天·6.1.4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(ài)因斯坦場(chǎng)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(cè)效應(yīng)。

宇宙大爆炸第10頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天理論預(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(lái)，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。伽莫夫第11頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天§6.2宇宙觀測(cè)與大爆炸宇宙學(xué)

的發(fā)展6.2.1宇宙觀測(cè)及其意義對(duì)宇宙的觀測(cè)包括以下七個(gè)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(guó)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(jiǎng)。

第12頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天1989年利用COBE衛(wèi)星進(jìn)一步測(cè)得了宇宙背景溫度為：T=2.725K2.膨脹：標(biāo)準(zhǔn)宇宙論的一個(gè)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(cè)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。第13頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.均勻性和各向同性：宇宙中不存在任何特殊點(diǎn)，或者說(shuō)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(duì)于觀測(cè)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(cè)定：如利用宇宙膨脹率計(jì)算返回到爆炸的時(shí)間；通過(guò)球狀星團(tuán)中最老恒星年齡的測(cè)定；通過(guò)放射性元素標(biāo)定的年代；研究白矮星的冷卻時(shí)標(biāo)；通過(guò)星系團(tuán)中熱氣體的冷卻時(shí)間等等。第14頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.輕元素豐度：預(yù)測(cè)豐度與“推斷”的原初豐度的比較，提供了一個(gè)對(duì)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(gè)難題。第15頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(gè)觀測(cè)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。第16頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天6.2.2大爆炸宇宙學(xué)面臨的困難首先是均勻性問(wèn)題。宇宙的年齡是有限的，因此在宇宙創(chuàng)生以來(lái)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(wèn)題。宇宙可以有三種可能情況：即開(kāi)放的、封閉的和臨界的。它們?nèi)Q于宇宙的減速因子q0，觀測(cè)事實(shí)表明q0很接近于1/2，這個(gè)臨界值是否是巧合呢？

第17頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(gè)臨界值Tc，甚至T<Tc時(shí)，相變并不發(fā)生，真空仍保持對(duì)稱狀態(tài)。此時(shí)形成所謂過(guò)冷態(tài)，當(dāng)宇宙處于過(guò)冷態(tài)時(shí)，粒子與輻射這兩種成分對(duì)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(guò)冷真空態(tài)時(shí)，是一個(gè)以排斥力為主的時(shí)期。在斥力作用下，宇宙的膨脹將會(huì)是加速的；這種加速會(huì)使宇宙極快地膨脹，它就是暴脹。

第18頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天按暴脹宇宙模型，當(dāng)宇宙處于10-35~10-32s間，宇宙經(jīng)歷過(guò)一個(gè)急劇的膨脹階段，宇宙尺度增長(zhǎng)的幅度達(dá)50~60個(gè)量級(jí)。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(duì)于奇點(diǎn)問(wèn)題等，暴脹宇宙模型仍未加以解決。暴脹宇宙形成模型第19頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天§6.3星系的起源和演化6.3.1星系形成時(shí)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(wàn)億光年空間距離的天體系統(tǒng)叫做“星系”。銀河系第20頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天

星系、星系團(tuán)和超星系團(tuán)形成時(shí)期分別對(duì)應(yīng)于紅移z=100、10、1的時(shí)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)則星系第21頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(dòng)、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(zhǎng)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(gè)中介系統(tǒng)。第22頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(gè)很亮的核。類星體的譜線有很大的紅移，它們是目前已觀測(cè)到的具有很大紅移的天體。蝎虎座第23頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天§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(gè)較均勻的稱為星云的物質(zhì)團(tuán)。在星云收縮的過(guò)程中，由萬(wàn)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(guò)程的結(jié)束。第24頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天6.4.2恒星分類通過(guò)觀測(cè)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(cè)光分類。第25頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(guó)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。第26頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天

赫羅圖能顯示恒星各自的演化過(guò)程，能估計(jì)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(cè)恒星的一生。第27頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天6.4.4恒星演化的結(jié)局

1.錢(qián)德拉塞卡極限：它是描述恒星演化，決定恒星命運(yùn)的一個(gè)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(yáng)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(guó)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。第28頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.令人生畏的黑洞：白矮星----質(zhì)量小于1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量，即所謂錢(qián)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(yáng)質(zhì)量極限的恒星。“黑洞”----質(zhì)量大于2.4倍太陽(yáng)質(zhì)量極限的恒星。至今沒(méi)有受到觀測(cè)的肯定。黑洞模型第29頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天§6.5太陽(yáng)和太陽(yáng)系的起源6.5.1研究太陽(yáng)的雙重意義太陽(yáng)是太陽(yáng)系中唯一發(fā)光的天體，是太陽(yáng)系的光和熱的源泉。太陽(yáng)上的任何細(xì)微變化都會(huì)引起整個(gè)太陽(yáng)系的明顯變化。研究太陽(yáng)的重要意義之一在于了解人類的生態(tài)環(huán)境。第30頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天從天文角度來(lái)看，太陽(yáng)是一個(gè)普通的恒星，人類可以把對(duì)太陽(yáng)大氣和太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的知識(shí)推廣到別的恒星上去。太陽(yáng)活動(dòng)第31頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天6.5.2太陽(yáng)系的起源和太陽(yáng)的形成（1）災(zāi)變說(shuō)：認(rèn)為太陽(yáng)先形成，后來(lái)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(shuō)：也認(rèn)為太陽(yáng)先形成，但以后太陽(yáng)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(shuō)：認(rèn)為整個(gè)太陽(yáng)系是由同一塊星云物質(zhì)形成的；這塊形成太陽(yáng)系的星云稱為原始星云。第32頁(yè),共35頁(yè)，2024年2月25日，星期天

太陽(yáng)系的構(gòu)成

太陽(yáng)系的中心是太陽(yáng)，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(gè)太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.85％；太陽(yáng)以自己強(qiáng)大的引力將