现代科学技术概论宇宙

1、现代科学技术概论现代科学技术概论目目 录录1. 古今中外描述宇宙的模型古今中外描述宇宙的模型2. 从太阳系到广阔的恒星世界从太阳系到广阔的恒星世界3银河系的发现银河系的发现4发现河外星系发现河外星系5现代宇宙学的诞生现代宇宙学的诞生6 宇宙膨胀的发现宇宙膨胀的发现7. 宇宙学原理宇宙学原理8 . 宇宙大爆炸模型的产生宇宙大爆炸模型的产生9 . 支持大爆炸理论的证据支持大爆炸理论的证据10. 宇宙无限说引出的三个佯谬宇宙无限说引出的三个佯谬什么是宇宙大爆炸？关于宇宙的起源人们在认知上又经历了怎样的过程？视频：调查视频：调查什么是宇宙大爆炸什么是宇宙大爆炸1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模

2、型型(1) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(2) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(3) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(4) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(5) 1古古今今中中外外描描述述宇宇宙宙的的模模型型(6) 三国西晋时期的哲学家三国西晋时期的哲学家杨泉杨泉还提出了还提出了“气生银河，再气生银河，再生众星生众星”的思想。他在的思想。他在物理论物理论中写道：中写道： 主张宇宙无限以及主张宇宙无限以及“气气”生万物的思生万物的思想想 “天了无质，仰而瞻之，高远无极，天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也眼瞀精绝，故

3、苍苍然也”。 “日月众星，自然浮生虚空之中，日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉其行其止皆须气焉” ” （晋书（晋书天文志）天文志）“日月星宿亦积气中之有光耀者日月星宿亦积气中之有光耀者”（列子（列子天瑞天瑞篇）。篇）。 “气发而升，精华上浮，宛转随流，名之曰天河，一曰气发而升，精华上浮，宛转随流，名之曰天河，一曰云汉，众星出焉云汉，众星出焉”。2. 从太阳系到广阔的恒星世界从太阳系到广阔的恒星世界 17181718年，哈雷首次指出恒星不动是错误的年，哈雷首次指出恒星不动是错误的18371837年，斯特鲁维测定织女星与太阳的距离为年，斯特鲁维测定织女星与太阳的距离为165165万万AU

4、AU，远远超出太阳系，远远超出太阳系19121912年，勒维特发现年，勒维特发现造父变星的光变周期与造父变星的光变周期与光度之间存在着确定关光度之间存在着确定关系，从而创立了一种测系，从而创立了一种测量遥远恒星的方法量遥远恒星的方法3银河系的发现银河系的发现1818世纪中，瑞典的斯维登堡、英国的赖特推世纪中，瑞典的斯维登堡、英国的赖特推测，测，“银河银河”是一个大量恒星组成的是一个大量恒星组成的“磨盘磨盘”状体系，太阳系虽在其内，可能并不在中央状体系，太阳系虽在其内，可能并不在中央 赫歇尔家族用大量的系统观测事实发现，赫歇尔家族用大量的系统观测事实发现，“银银河是一个盘状旋臂结构的星系河是一个

5、盘状旋臂结构的星系”，与今天的结论，与今天的结论十分接近。这是天文学上的第二个里程碑十分接近。这是天文学上的第二个里程碑赫歇尔兄妹探测了北半球赫歇尔兄妹探测了北半球10831083个天区共计个天区共计1111万万颗恒星，花费了毕生精力，以致妹妹终生未嫁。颗恒星，花费了毕生精力，以致妹妹终生未嫁。19181918年，沙普利在上述基础上得出正确结论：年，沙普利在上述基础上得出正确结论：“银河系是一个直径约银河系是一个直径约1010万光年的透镜形天体万光年的透镜形天体系统，太阳处于离中心近系统，太阳处于离中心近3 3万光年的一条旋臂里万光年的一条旋臂里”3银河系的发现银河系的发现小赫歇尔在南非好望角

6、探测了南半球小赫歇尔在南非好望角探测了南半球22992299个天个天区共探测统计了区共探测统计了7070万颗星万颗星 3银河系的发现银河系的发现哈勃哈勃19241924年确认，年确认，北半球天空肉眼可北半球天空肉眼可见的仙女座大星云，见的仙女座大星云，是一个远在银河之是一个远在银河之外、距离我们约外、距离我们约220220万光年的类似银河万光年的类似银河系的巨大星系。系的巨大星系。4发现河外星系发现河外星系直到直到2020世纪初，天文学家还认为宇宙仅限于我世纪初，天文学家还认为宇宙仅限于我们的银河系，最遥远的恒星也只是在银河系的们的银河系，最遥远的恒星也只是在银河系的边缘上，之外则是黑暗的虚无

7、空间。边缘上，之外则是黑暗的虚无空间。哈勃的发现最终结束了多年来关于这类漩涡星哈勃的发现最终结束了多年来关于这类漩涡星云是近邻天体还是银河系外云是近邻天体还是银河系外“宇宙岛宇宙岛”的争论，的争论，将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到广阔的将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到广阔的恒星世界恒星世界4发现河外星系发现河外星系19171917年爱因斯坦从广义相对论得到一个年爱因斯坦从广义相对论得到一个“有限有限无界无界的的静态静态宇宙宇宙”模型。模型。5现代宇宙学的诞生现代宇宙学的诞生广义相对论对于引力与时空的描述广义相对论对于引力与时空的描述质量质量告诉空间如何弯曲，空间告诉质量如何运动。告诉空间如

8、何弯曲，空间告诉质量如何运动。 牛顿的重力牛顿的重力万有引力万有引力（1 1）多普勒效应，红移和紫移）多普勒效应，红移和紫移 众星系正在彼此远离众星系正在彼此远离6宇宙膨胀的发现宇宙膨胀的发现 视频视频：多普勒效应多普勒效应（2 2）哈勃定律）哈勃定律6宇宙膨胀的发现宇宙膨胀的发现 （2 2）哈勃定律及宇宙的年龄）哈勃定律及宇宙的年龄6宇宙膨胀的发现宇宙膨胀的发现 宇宙年龄大约110180亿年，较准数据为137亿年。宇宙学原理的含义宇宙学原理的含义 7. 宇宙学原理宇宙学原理 19271927年，勒梅特最先提出宇宙最初是个致密的年，勒梅特最先提出宇宙最初是个致密的“宇宙蛋宇宙蛋”，爆炸产生了膨

9、胀着的宇宙。，爆炸产生了膨胀着的宇宙。 8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 19421942年，伽莫夫和阿尔法、贝特等人将宇宙的膨年，伽莫夫和阿尔法、贝特等人将宇宙的膨胀与物质的演化联系起来，描绘了宇宙大爆炸。胀与物质的演化联系起来，描绘了宇宙大爆炸。视频：宇宙大爆炸视频：宇宙大爆炸8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 目前，地球平均密度为目前，地球平均密度为5 510103 3kgkgm m3 3，温度，温度300K300K；宇宙的平均密度约；宇宙的平均密度约1010-27-27kgkgcmcm3 3，温度约，温度约3K3K大爆炸模型给出的数据：起点起点 宇宙开始于宇宙开始于140140亿年前

10、一个奇点亿年前一个奇点爆炸的爆炸的“原原始火球始火球”，温度无限高、密度无限大。，温度无限高、密度无限大。普朗克时代普朗克时代 时间10-43s，密度1093kg/m3，温度降到1032K。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 大统一时代 时间时间1010-35-35s s，温度降到，温度降到10102828K K，宇宙发生暴，宇宙发生暴涨，其直径在涨，其直径在1010-32-32s s时间内增大了时间内增大了10105050倍，引发产生了数倍，引发产生了数目惊人的粒子，引力已从统一作用分离，强力、弱力和目惊人的粒子，引力已从统一作用分离，强力、弱力和电磁力仍未分离出来，产生的粒子也没有区分。等

11、数目电磁力仍未分离出来，产生的粒子也没有区分。等数目的重子和反重子湮灭，形成了只有中子和质子而几乎看的重子和反重子湮灭，形成了只有中子和质子而几乎看不到反重子的不对称宇宙。不到反重子的不对称宇宙。强子时代 时间时间1010-6-6s s，温度为，温度为10101414K K。轻子时代 时间时间1010-2-2s s，温度为，温度为10101212K K。强作用、弱作用。强作用、弱作用和电磁作用逐渐分离。出现了各种粒子，包括现今各种和电磁作用逐渐分离。出现了各种粒子，包括现今各种高能加速器中能产生的那些粒子。由于温度很高（高能加速器中能产生的那些粒子。由于温度很高（10101010K K以上），

12、原子还没有形成。以上），原子还没有形成。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 辐射时代 时间时间1 110s10s，温度降至，温度降至10101010-5-510109 9K K，质，质子和反质子、电子和正电子相遇时湮灭，从而产生了大子和反质子、电子和正电子相遇时湮灭，从而产生了大量光子、中微子以及反中微子，基本粒子开始结合成原量光子、中微子以及反中微子，基本粒子开始结合成原子核，能量以光子辐射形式出现。子核，能量以光子辐射形式出现。氦形成时代 时间约时间约3 3分钟，温度降至分钟，温度降至10109 9K K，直径膨胀，直径膨胀到约到约1 1光年，近三成物质合成为氦，核反应消失。半小光年，近三

13、成物质合成为氦，核反应消失。半小时后，有质量的粒子数和光子数的比达到了时后，有质量的粒子数和光子数的比达到了1010-9-9，辐射，辐射密度仍然大于物质密度。密度仍然大于物质密度。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 粒子数丰度稳定时代 半小时后，温度降低到半小时后，温度降低到10108 8K K，各种粒子在相互碰撞中因能量不足已不能相互转化各种粒子在相互碰撞中因能量不足已不能相互转化 各各粒子数的丰度趋于稳定。粒子数的丰度趋于稳定。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 进入物质时代 时间时间1000100020002000年，温度降至约年，温度降至约10105 5K K，物质密度开始大于辐射密度

14、。物质密度开始大于辐射密度。 物质从背景辐射中分离出来 时间时间10105 5年，温度约降年，温度约降至至5 000K5 000K，物质温度开始低于辐射温度，最重和最轻的，物质温度开始低于辐射温度，最重和最轻的基本粒子数的比值保持恒定。大约经过基本粒子数的比值保持恒定。大约经过10106 6年，爆炸初年，爆炸初期产生的光子的能量降到了不足以击碎原子甚至激发原期产生的光子的能量降到了不足以击碎原子甚至激发原子的程度，宇宙开始进入了光子和原子相互分离的退耦子的程度，宇宙开始进入了光子和原子相互分离的退耦时代，宇宙变得透明，温度大约降为时代，宇宙变得透明，温度大约降为3 000K3 000K，原子开

15、始，原子开始形成，但只能产生较轻的元素，较重的元素要在星系、形成，但只能产生较轻的元素，较重的元素要在星系、恒星形成后在其内部形成，超过铁的更重元素则是在超恒星形成后在其内部形成，超过铁的更重元素则是在超新星爆发或星系的碰撞、爆发中形成的。新星爆发或星系的碰撞、爆发中形成的。8. 宇宙大爆炸模型宇宙大爆炸模型 星系形成 时间时间10108 8年，辐射温度约降至年，辐射温度约降至100K100K，星系，星系开始形成。开始形成。类星体、恒星、行星及生命先后出现 时间时间10109 9年，年，温度降至约温度降至约12K12K，太空逐渐形成我们今天能观测到的情，太空逐渐形成我们今天能观测到的情景。景。

16、目前阶段 时间时间10101010年，辐射温度约降至年，辐射温度约降至3K3K，星系温，星系温度约度约10105 5K K。8. 宇宙大爆炸模型的产生宇宙大爆炸模型的产生 宇宙大爆炸理论框架仍具有很大的魅力，在观宇宙大爆炸理论框架仍具有很大的魅力，在观测事实面前大多数人接受了测事实面前大多数人接受了,的学说。的学说。 宇宙大爆炸模型还预言，早期核反应产生的氦宇宙大爆炸模型还预言，早期核反应产生的氦元素应该保留到现在，估计应当占宇宙总物质的元素应该保留到现在，估计应当占宇宙总物质的1/41/4；大爆炸的余热现今也还存在，估计温度约在；大爆炸的余热现今也还存在，估计温度约在3K3K左右等，这些预言

17、都被陆续证实左右等，这些预言都被陆续证实。 9支持大爆炸理论的证据支持大爆炸理论的证据根据哈勃定律：大爆炸起点距今约根据哈勃定律：大爆炸起点距今约110-180110-180亿年亿年视频：大爆炸使氢和氦质量的丰度比约为视频：大爆炸使氢和氦质量的丰度比约为7575：2525视频视频: :彭齐亚斯和威尔逊发现的彭齐亚斯和威尔逊发现的3K3K的微波背景辐射的微波背景辐射10宇宙无限说引出的三个佯谬宇宙无限说引出的三个佯谬如果宇宙无限如果宇宙无限 恒星大致均匀恒星大致均匀 天空的光度无限天空的光度无限白天黑夜相同白天黑夜相同 而现实中的昼夜分明而现实中的昼夜分明 奥伯斯佯谬奥伯斯佯谬如果宇宙无限如果宇宙无限 无数的恒星无数的恒星 天体之间万有引力天体之间万有引力任何方向无限大任何方向无限大 撕得粉碎撕得粉碎 现实中并非如此现实中并非如此奥地利物理学家克劳修斯无限宇宙的能量是守恒奥地利物理学家克劳修斯无限宇宙的能量是守恒 越来越无序越来越无序 一切变化将会停止一切变化将会停止 “ “永恒的死寂永恒的死寂”视频：视频：临界密度与临界密度与宇宙的未来宇宙