科技背景下宇觀世界演示文稿1

第十五章

科學背景下的宇觀世界§1天文學概述一、幾個重要概念1、天文學——研究宇宙及其中各種天體的位置、

運動、結構和演化規律的科學。2、宇宙——時間、空間、物質與運動的統一體。

《淮南子》：“四方上下曰宇，往古來今曰宙?！闭軐W宇宙：空間上無邊無沿，時間上無始無終觀測宇宙：空間—150億光年，時間—150億年天文學概述3、天體——星云、恒星、行星、彗星和人造天體4、光年——長度單位，1光年=1016米意義：①表征天體間的空間距離；

②表征攜帶信息的時間歷史。光1秒鐘可以繞地球運行7圈，光從太陽傳到地球只需要約8分鐘。二、宇宙概觀宇宙（150億光年）

星系（銀河系、河外星系）

恒星系（太陽系）

地球天文學概述?宇宙概觀天體系統尺度：天文學概述?宇宙概觀天體系統質量：天文學概述?宇宙概觀1、太陽系——以太陽為中心，以及由它的引力支配而繞它運動的天體所構成的系統。包括：9大行星，5000多個小行星，66個天然衛星，為數眾多的彗星、流星、星際物質、人造天體。宇宙概觀?

太陽系（1）太陽——銀河系中一顆普通恒星直徑約1.510-7光年，表面溫度6000K,中心溫度1.5107K,質量相當于33.3萬個地球

日珥、太陽黑子、米粒組織太陽系宇宙概觀?

太陽系太陽風——地球的磁場盾牌被吹扁了。宇宙概觀?

太陽系2003年10月28、29日強烈太陽耀斑爆發。手機、衛星通訊受到影響。宇宙概觀?

太陽系太陽的兩次核聚變：氫聚變——宇宙最高效核能，釋放能量千分之七，可維持90億年左右；氦聚變——由于壓力溫度升高，太陽內部將誕生一個新太陽，高熱輻射將使太陽膨脹100萬倍以上。白矮星宇宙概觀?

太陽系（2）水星（mercury）-神行太保1年=88天，1天=58.6天水星無大氣，與月球相似，表面有環形山，沒有衛星。水星近日點的進動：每世紀（43度）勒威耶-——水星內側有一顆行星？愛因斯坦——廣義相對論。R=0.37R地、M=(1/19)M地、=5.8g/cm3、V=0.056V地T=180~430度宇宙概觀?

太陽系（3）金星（Venus）——美（愛）神金星凌日——測量日地距離啟明星——東升長庚星——西落金星大氣稠密（地球的90倍）

——96%二氧化碳（溫室效應480°C），3.5%氮，二氧化硫、一氧化碳、……氣壓——8.9106帕太陽從西邊出來，1年=225天，1天=2.47天R=6052公里、M=0.81M地、=5.1g/cm3、V=0.88V地T=180~430度宇宙概觀?

太陽系地球的內部結構:地球的半徑：平均6370千米地球的外衣：地殼（平均厚度33千米）地球中間層：地幔（平均厚度2800多千米）地球的核心：地核（內核、外核）

（4）地球:一顆大行星,年齡約40~50億年人類起源：~100萬年中華文明史：5000年以上宇宙概觀?

太陽系

月球——離地球最近的天體，地球唯一的衛星表面無大氣，布滿環形山，本身不發光，直徑3476km，

距地球38.4萬公里。若無隕星撞擊，12名宇航員的腳印將留存50萬年。宇宙概觀?

太陽系（5）火星（Mars）——戰神類似地球的行星：有自轉、公轉、四季、日夜、固定形態、大氣、冰雪覆蓋的兩極……，有兩顆衛星。1年=687天，1天=1.026天火星上有生命嗎?近30年來已發射了30多只探測器(30%的成功率):水手9號、海盜1號、2號、火星探測者號（1994年7月4日）、

……美國：2003年火星表面取樣2011年宇航員登陸火星R=0.5R地、M=(1/10)M地=3.94g/cm3、V=(1/6)V地宇宙概觀?

太陽系火星表面——無江河湖海、無動植物、無生命跡象?；鹦谴髿狻?5%二氧化碳、2.5%氫、1.5%氬、0.01%水蒸氣。大氣壓——600帕火星塵暴頻繁——1971年水手9號探測器到達火星上空時，火星正發生全球性塵暴，針頭班大小的塵粒被帶到50公里的高空，因而未探的有價值的信息，這次風暴持續了3個多月。宇宙概觀?

太陽系巨大冰層驚現火星宇宙概觀?

太陽系2002年3月美國宇航局推進實驗室宣布“火星奧德賽”號飛船發現，火星表面附近有巨大冰層。巨大冰層驚現火星宇宙概觀?

太陽系2002年3月美國宇航局推進實驗室宣布“火星奧德賽”號飛船發現，火星表面附近有巨大冰層。（7）土星（Saturn）——農神M=95.18M地、

=0.7g/cm3V=745V地、D=9D地可以浮于水上的星球美麗的土星光環——由冰、泥土、石塊等繞土星旋轉形成，環與環間的縫稱為卡西尼縫大氣——氫、氦、氨、甲烷等表面溫度為-140°C土星衛星——23顆宇宙概觀?

太陽系木星為太陽系八大行星之一，距太陽（由近及遠）順序為第五，亦為太陽系體積最大、自轉最快的行星。古代中國稱之歲星，取其繞行天球一周為12年，與地支相同之故。西方語言一般稱之朱比特（拉丁語：Jupiter），源自羅馬神話中的眾神之王、相當于希臘神話中的宙斯。（9）海王星（Neptune）——筆尖上的發現亞當斯——英國劍橋學生1845年算出海王星的存在。勒威耶——法國技術學校助教1846年算出海王星的存在。引發兩國長達數年的辛酸筆戰。

大氣——甲烷、氫、氮、氦、氨等，溫度月-200°CD=3.9D地、

=2.1g/cm3V=57V地

海王星有2顆衛星。宇宙概觀?

太陽系九大行星繞太陽運動宇宙概觀?

太陽系太陽系九大行星彗星:

圍繞太陽運行或行經太陽附近的云

霧狀

天體，由慧核、慧發、慧尾組成宇宙概觀?

太陽系2002年發現寬度約2000米的NT7小行星距地球1.35億公里宇宙概觀?

太陽系1996年2月發射“鞋匠”，2001年2月14日登上“愛神”小行星宇宙概觀?

太陽系隕石:

流星體進入地球的大氣層中一般都能完全燃燒氣化，只有較大的流星體燃燒不完，可以隕落到地面上而被稱為隕星。90%為硅酸鹽礦物的石隕星稱為隕石。

吉林1號隕石是目前世界上最大的隕石，重1770千克。于1976年3月8日隕落在吉林省內。宇宙概觀?

太陽系3、銀河系扁平鐵餅狀結構，直徑達10萬光年，3000億個恒星+星團+星云太陽距銀河系中心約3.3萬光年宇宙概觀?銀河系銀河系全景宇宙概觀?銀河系4、河外星系距銀河系200萬光年的仙女座星系星系NGA4946典型的渦旋星系

除肉眼可見的大麥哲倫星系，小麥哲倫星系外，還有其他形狀的星系，如橢圓、棒旋、不規則星系等，目前，已觀測到的星系約500個。

宇宙概觀

5、星團

——由眾多恒星集中在一個較小的空間內、相互有物理聯系、在天空中形成稠密的集團。著名的積尸星團、昴星團、畢宿星團等。6、星云

——天空中云霧狀的天體，有的亮，有的暗，呈現各種美麗的形狀與圖案。

宇宙概觀

半人馬長蛇座星云氣體星云玫瑰星云馬頭星云獵戶座旋渦星云MSI宇宙概觀

§2宇宙和恒星的起源和演化一、宇宙學的歷史中國古代：天圓地方，不能解釋日月星辰的東升西落。蓋天說宇宙和恒星的起源和演化渾天說宣夜說宇宙無邊無涯，空間到處有氣體日月星辰浮于其中。天是蛋殼，地是蛋黃。宇宙學的歷史

西方：《圣經》上帝7天創世紀——發現世上罪惡滔天——毀滅，只留下諾亞（方舟）托勒玫地心說——哥白尼日心說——牛頓力學——愛因斯坦相對論統一了時、空、物質、引力和運動宇宙學的歷史

宇宙學的歷史

對天體物理學和宇宙學有重要貢獻的科學家二、大爆炸宇宙模型宇宙學研究宇宙整體模型，及其合理性、可能性可觀測宇宙局部時空和物質運動性質目前，尚無絕對公認的理論和對觀測的解釋。宇宙物質的相互作用力是引力，其研究的理論基礎是引力理論。牛頓引力理論——荒謬的結論愛因斯坦廣義相對論——宇宙學的動力學基礎大爆炸宇宙模型1、天文學歷史上的三次飛躍(1)行星層次

——連結開普勒定律的飛躍(17世紀)弟谷:

積累大量資料,達到前所未有的觀測精度開普勒：發現開普勒行星運動三定律，適用于所有

行星的運動，給出行星理論的約束條件。牛頓：將地面物體力學規律應用于天體運動，實現

物理學的第一次大綜合。大爆炸宇宙模型（2）恒星層次——連結赫--羅圖的飛躍1905赫茨普龍：1913羅素：

發現恒星表面溫度與恒星光度之間的關系，將紛雜現象納入統一模型，給出恒星理論的約束條件：大爆炸宇宙模型第一，所有恒星最初均由氫、氦為主的原始氣體凝聚而成；第二，發生在恒星核心的核聚變制約恒星演化過程。各恒星的區別：原始質量不同，“年齡”

不同。大爆炸宇宙模型（3）星系層次

——連結哈勃定律的飛躍（20世紀）1929年，發現所有星系的光譜均有紅移現象，紅移量與距離

r

成正比。將紅移量折合成星系的運動速度：哈勃常數：大爆炸宇宙模型2、宇宙的大尺度特征（1）宇宙學原理

——宇宙在大尺度上空間分布均勻和各向

同性，物理量和物理規律是相同的。（2）星系退行——宇宙是非靜止的、動態的變化的。

但銀河系并非宇宙中心

該原理表明，宇宙中任一空間位置對于描述所有的物理現象都是平權的大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型3、大爆炸宇宙模型現代理論認為宇宙起源于一次大爆炸。大爆炸前全部粒子處于高溫、高壓、高密度狀態。只有質子、中子、電子、光子、中微子、介子、子、超子…基本粒子湯——熱平衡狀態，持續約1分鐘。大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型“大爆炸”啟動了宇宙膨脹，后因膨脹、降溫演化成了現在的宇宙。1分鐘到20分鐘內溫度降低宇宙早期元素：氦（2中子+2質子）——25%爆炸后50年內，由于物質密度大，光子還不能自由運動。大爆炸宇宙模型

爆炸后100萬年左右，溫度下降為幾千度，電子+質子形成氫原子，形成宇宙物質階段。此時光子可以自由傳播。在爆炸后50億年左右，氫和氦凝聚形成星系、恒星、行星等宇宙天體。支持大爆炸宇宙學說的主要實驗事實：（1）對宇宙中氫氦豐度的解釋

利用基本粒子理論計算得，爆炸30分鐘后，溫度降為3*108K，約有1/4的質子轉變成氦原子核并一直遺留到現在。該結果與觀測結果基本符合；同時很好地解釋了為什么各星系氦的豐度奇妙地相似。大爆炸宇宙模型宇宙中氦的豐度大爆炸宇宙模型（3）微波背景輻射（2）對宇宙學原理的解釋1965年，彭齊阿斯和威爾遜發現了消除不掉的各向同性的微波段的噪聲輻射。1989年，COBE對微波背景輻射測量的結果，非常精確地符合溫度為2.2710.010K的黑體輻射譜。大爆炸宇宙模型（4）天體的年齡

大爆炸學說計算出的宇宙年齡150~200億年。

目前各種方法測定的天體年齡50~110億年，且均小于宇宙年齡。符合大爆炸學說邏輯。大爆炸宇宙模型我們目睹的這種宇宙膨脹是否會無限地進行下去？三種膨脹宇宙開宇宙：無限伸展且永遠膨脹閉宇宙：有限，最終往回收縮到一次“大塌聚”臨界宇宙：無限大，永遠膨脹問題：大爆炸宇宙模型膨脹率時間其它物理參數大爆炸宇宙模型《宇宙的起源》（[英]約翰.D.巴羅）:

“關于我們的宇宙，最不可思議的事情之一，就是它目前正以及其接近于臨界狀態的方式膨脹著?！?/p>

如果膨脹速度大于臨界狀態，引力就永遠不能將局部的物質島拉到一起,形成星系和恒星，從而也永遠不會產生構成生命的構件。

如果膨脹速度小于臨界狀態，在積累足夠的時間以供恒星形成、爆發、并創造出生命物質的部件之前，他的膨脹就將逆轉為收縮，那又是一個不能產生生命的宇宙。大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型三、恒星的起源及其演化1、恒星分類主序星——恒星一生的主要階段。其光度和表面溫度與質量成正比；存在時間與質量成反比；燃燒氫生成氦。巨星——恒星演化的晚期階段。當主序星中心隨氫燃燒成氦，溫度變低而形成。超巨星——最亮的恒星。年輕的、演化迅速的大質量恒星。白矮星——低光度、高密度、高溫度的恒星。恒星的老年階段，核能接近枯竭，內溫極高，爆發后余一高密度核而成。恒星的起源及其演化2、恒星的起源

星際空間稀薄物質由于漲落分裂成團塊，并在引力作用下凝聚成彌漫星云，經快收縮和慢收縮階段成為“星胎（原始恒星）”。再經過幾千萬到幾億年的收縮中心溫度達1000萬K，氫燃燒的核反應提供足夠的能量是內壓與引力處于相對平衡狀態。恒星的起源及其演化3、恒星的演化和歸宿

高溫高壓核聚變輻射能量、消耗核燃料(氫--氦)，燃料用完，內壓減小，引力引起塌縮，外部聚變成碳、氧、氖、…、鐵（結合能最大的核子），內部引力壓縮將原子壓碎，變成中子核，同時引力使外圍物質向內坍縮，與內核區相撞，產生極強的巨大激波，使恒星增亮為太陽的100億倍——超新星爆發。

1054年超新星爆發后的蟹狀星云超新星爆發帶來積極的一面：

恒星外層加熱，進一步核聚變產生金、鉛、鈾等元素，連同早期產生的碳、氧等拋出，與其它碎片混合，產生下一代恒星和行星。恒星的起源及其演化4、白矮星、中子星、黑洞白矮星——原子態（超固態）的物質組成。

一般物質宏觀狀態下是致密的，但微觀狀態下卻是空虛的，猶如一個足球場上只有一兩個足球。在萬有引力的作用下恒星要收縮使物質原子一個挨一個成為原子態或超固態——白矮星。什么樣的恒星會演化成白矮星？M=0.4~1M日

R=1/40~1/100R日