科技背景下宇观世界演示文稿1

第十五章

科学背景下的宇观世界§1天文学概述一、几个重要概念1、天文学——研究宇宙及其中各种天体的位置、

运动、结构和演化规律的科学。2、宇宙——时间、空间、物质与运动的统一体。

《淮南子》：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”哲学宇宙：空间上无边无沿，时间上无始无终观测宇宙：空间—150亿光年，时间—150亿年天文学概述3、天体——星云、恒星、行星、彗星和人造天体4、光年——长度单位，1光年=1016米意义：①表征天体间的空间距离；

②表征携带信息的时间历史。光1秒钟可以绕地球运行7圈，光从太阳传到地球只需要约8分钟。二、宇宙概观宇宙（150亿光年）

星系（银河系、河外星系）

恒星系（太阳系）

地球天文学概述⃒宇宙概观天体系统尺度：天文学概述⃒宇宙概观天体系统质量：天文学概述⃒宇宙概观1、太阳系——以太阳为中心，以及由它的引力支配而绕它运动的天体所构成的系统。包括：9大行星，5000多个小行星，66个天然卫星，为数众多的彗星、流星、星际物质、人造天体。宇宙概观⃒

太阳系（1）太阳——银河系中一颗普通恒星直径约1.510-7光年，表面温度6000K,中心温度1.5107K,质量相当于33.3万个地球

日珥、太阳黑子、米粒组织太阳系宇宙概观⃒

太阳系太阳风——地球的磁场盾牌被吹扁了。宇宙概观⃒

太阳系2003年10月28、29日强烈太阳耀斑爆发。手机、卫星通讯受到影响。宇宙概观⃒

太阳系太阳的两次核聚变：氢聚变——宇宙最高效核能，释放能量千分之七，可维持90亿年左右；氦聚变——由于压力温度升高，太阳内部将诞生一个新太阳，高热辐射将使太阳膨胀100万倍以上。白矮星宇宙概观⃒

太阳系（2）水星（mercury）-神行太保1年=88天，1天=58.6天水星无大气，与月球相似，表面有环形山，没有卫星。水星近日点的进动：每世纪（43度）勒威耶-——水星内侧有一颗行星？爱因斯坦——广义相对论。R=0.37R地、M=(1/19)M地、=5.8g/cm3、V=0.056V地T=180~430度宇宙概观⃒

太阳系（3）金星（Venus）——美（爱）神金星凌日——测量日地距离启明星——东升长庚星——西落金星大气稠密（地球的90倍）

——96%二氧化碳（温室效应480°C），3.5%氮，二氧化硫、一氧化碳、……气压——8.9106帕太阳从西边出来，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度宇宙概观⃒

太阳系地球的内部结构:地球的半径：平均6370千米地球的外衣：地壳（平均厚度33千米）地球中间层：地幔（平均厚度2800多千米）地球的核心：地核（内核、外核）

（4）地球:一颗大行星,年龄约40~50亿年人类起源：~100万年中华文明史：5000年以上宇宙概观⃒

太阳系

月球——离地球最近的天体，地球唯一的卫星表面无大气，布满环形山，本身不发光，直径3476km，

距地球38.4万公里。若无陨星撞击，12名宇航员的脚印将留存50万年。宇宙概观⃒

太阳系（5）火星（Mars）——战神类似地球的行星：有自转、公转、四季、日夜、固定形态、大气、冰雪覆盖的两极……，有两颗卫星。1年=687天，1天=1.026天火星上有生命吗?近30年来已发射了30多只探测器(30%的成功率):水手9号、海盗1号、2号、火星探测者号（1994年7月4日）、

……美国：2003年火星表面取样2011年宇航员登陆火星R=0.5R地、M=(1/10)M地=3.94g/cm3、V=(1/6)V地宇宙概观⃒

太阳系火星表面——无江河湖海、无动植物、无生命迹象。火星大气——95%二氧化碳、2.5%氢、1.5%氩、0.01%水蒸气。大气压——600帕火星尘暴频繁——1971年水手9号探测器到达火星上空时，火星正发生全球性尘暴，针头班大小的尘粒被带到50公里的高空，因而未探的有价值的信息，这次风暴持续了3个多月。宇宙概观⃒

太阳系巨大冰层惊现火星宇宙概观⃒

太阳系2002年3月美国宇航局推进实验室宣布“火星奥德赛”号飞船发现，火星表面附近有巨大冰层。巨大冰层惊现火星宇宙概观⃒

太阳系2002年3月美国宇航局推进实验室宣布“火星奥德赛”号飞船发现，火星表面附近有巨大冰层。（7）土星（Saturn）——农神M=95.18M地、

=0.7g/cm3V=745V地、D=9D地可以浮于水上的星球美丽的土星光环——由冰、泥土、石块等绕土星旋转形成，环与环间的缝称为卡西尼缝大气——氢、氦、氨、甲烷等表面温度为-140°C土星卫星——23颗宇宙概观⃒

太阳系木星为太阳系八大行星之一，距太阳（由近及远）顺序为第五，亦为太阳系体积最大、自转最快的行星。古代中国称之岁星，取其绕行天球一周为12年，与地支相同之故。西方语言一般称之朱比特（拉丁语：Jupiter），源自罗马神话中的众神之王、相当于希腊神话中的宙斯。（9）海王星（Neptune）——笔尖上的发现亚当斯——英国剑桥学生1845年算出海王星的存在。勒威耶——法国技术学校助教1846年算出海王星的存在。引发两国长达数年的辛酸笔战。

大气——甲烷、氢、氮、氦、氨等，温度月-200°CD=3.9D地、

=2.1g/cm3V=57V地

海王星有2颗卫星。宇宙概观⃒

太阳系九大行星绕太阳运动宇宙概观⃒

太阳系太阳系九大行星彗星:

围绕太阳运行或行经太阳附近的云

雾状

天体，由慧核、慧发、慧尾组成宇宙概观⃒

太阳系2002年发现宽度约2000米的NT7小行星距地球1.35亿公里宇宙概观⃒

太阳系1996年2月发射“鞋匠”，2001年2月14日登上“爱神”小行星宇宙概观⃒

太阳系陨石:

流星体进入地球的大气层中一般都能完全燃烧气化，只有较大的流星体燃烧不完，可以陨落到地面上而被称为陨星。90%为硅酸盐矿物的石陨星称为陨石。

吉林1号陨石是目前世界上最大的陨石，重1770千克。于1976年3月8日陨落在吉林省内。宇宙概观⃒

太阳系3、银河系扁平铁饼状结构，直径达10万光年，3000亿个恒星+星团+星云太阳距银河系中心约3.3万光年宇宙概观⃒银河系银河系全景宇宙概观⃒银河系4、河外星系距银河系200万光年的仙女座星系星系NGA4946典型的涡旋星系

除肉眼可见的大麦哲伦星系，小麦哲伦星系外，还有其他形状的星系，如椭圆、棒旋、不规则星系等，目前，已观测到的星系约500个。

宇宙概观

5、星团

——由众多恒星集中在一个较小的空间内、相互有物理联系、在天空中形成稠密的集团。著名的积尸星团、昴星团、毕宿星团等。6、星云

——天空中云雾状的天体，有的亮，有的暗，呈现各种美丽的形状与图案。

宇宙概观

半人马长蛇座星云气体星云玫瑰星云马头星云猎户座旋涡星云MSI宇宙概观

§2宇宙和恒星的起源和演化一、宇宙学的历史中国古代：天圆地方，不能解释日月星辰的东升西落。盖天说宇宙和恒星的起源和演化浑天说宣夜说宇宙无边无涯，空间到处有气体日月星辰浮于其中。天是蛋壳，地是蛋黄。宇宙学的历史

西方：《圣经》上帝7天创世纪——发现世上罪恶滔天——毁灭，只留下诺亚（方舟）托勒玫地心说——哥白尼日心说——牛顿力学——爱因斯坦相对论统一了时、空、物质、引力和运动宇宙学的历史

宇宙学的历史

对天体物理学和宇宙学有重要贡献的科学家二、大爆炸宇宙模型宇宙学研究宇宙整体模型，及其合理性、可能性可观测宇宙局部时空和物质运动性质目前，尚无绝对公认的理论和对观测的解释。宇宙物质的相互作用力是引力，其研究的理论基础是引力理论。牛顿引力理论——荒谬的结论爱因斯坦广义相对论——宇宙学的动力学基础大爆炸宇宙模型1、天文学历史上的三次飞跃(1)行星层次

——连结开普勒定律的飞跃(17世纪)弟谷:

积累大量资料,达到前所未有的观测精度开普勒：发现开普勒行星运动三定律，适用于所有

行星的运动，给出行星理论的约束条件。牛顿：将地面物体力学规律应用于天体运动，实现

物理学的第一次大综合。大爆炸宇宙模型（2）恒星层次——连结赫--罗图的飞跃1905赫茨普龙：1913罗素：

发现恒星表面温度与恒星光度之间的关系，将纷杂现象纳入统一模型，给出恒星理论的约束条件：大爆炸宇宙模型第一，所有恒星最初均由氢、氦为主的原始气体凝聚而成；第二，发生在恒星核心的核聚变制约恒星演化过程。各恒星的区别：原始质量不同，“年龄”

不同。大爆炸宇宙模型（3）星系层次

——连结哈勃定律的飞跃（20世纪）1929年，发现所有星系的光谱均有红移现象，红移量与距离

r

成正比。将红移量折合成星系的运动速度：哈勃常数：大爆炸宇宙模型2、宇宙的大尺度特征（1）宇宙学原理

——宇宙在大尺度上空间分布均匀和各向

同性，物理量和物理规律是相同的。（2）星系退行——宇宙是非静止的、动态的变化的。

但银河系并非宇宙中心

该原理表明，宇宙中任一空间位置对于描述所有的物理现象都是平权的大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型3、大爆炸宇宙模型现代理论认为宇宙起源于一次大爆炸。大爆炸前全部粒子处于高温、高压、高密度状态。只有质子、中子、电子、光子、中微子、介子、子、超子…基本粒子汤——热平衡状态，持续约1分钟。大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型“大爆炸”启动了宇宙膨胀，后因膨胀、降温演化成了现在的宇宙。1分钟到20分钟内温度降低宇宙早期元素：氦（2中子+2质子）——25%爆炸后50年内，由于物质密度大，光子还不能自由运动。大爆炸宇宙模型

爆炸后100万年左右，温度下降为几千度，电子+质子形成氢原子，形成宇宙物质阶段。此时光子可以自由传播。在爆炸后50亿年左右，氢和氦凝聚形成星系、恒星、行星等宇宙天体。支持大爆炸宇宙学说的主要实验事实：（1）对宇宙中氢氦丰度的解释

利用基本粒子理论计算得，爆炸30分钟后，温度降为3*108K，约有1/4的质子转变成氦原子核并一直遗留到现在。该结果与观测结果基本符合；同时很好地解释了为什么各星系氦的丰度奇妙地相似。大爆炸宇宙模型宇宙中氦的丰度大爆炸宇宙模型（3）微波背景辐射（2）对宇宙学原理的解释1965年，彭齐阿斯和威尔逊发现了消除不掉的各向同性的微波段的噪声辐射。1989年，COBE对微波背景辐射测量的结果，非常精确地符合温度为2.2710.010K的黑体辐射谱。大爆炸宇宙模型（4）天体的年龄

大爆炸学说计算出的宇宙年龄150~200亿年。

目前各种方法测定的天体年龄50~110亿年，且均小于宇宙年龄。符合大爆炸学说逻辑。大爆炸宇宙模型我们目睹的这种宇宙膨胀是否会无限地进行下去？三种膨胀宇宙开宇宙：无限伸展且永远膨胀闭宇宙：有限，最终往回收缩到一次“大塌聚”临界宇宙：无限大，永远膨胀问题：大爆炸宇宙模型膨胀率时间其它物理参数大爆炸宇宙模型《宇宙的起源》（[英]约翰.D.巴罗）:

“关于我们的宇宙，最不可思议的事情之一，就是它目前正以及其接近于临界状态的方式膨胀着。”

如果膨胀速度大于临界状态，引力就永远不能将局部的物质岛拉到一起,形成星系和恒星，从而也永远不会产生构成生命的构件。

如果膨胀速度小于临界状态，在积累足够的时间以供恒星形成、爆发、并创造出生命物质的部件之前，他的膨胀就将逆转为收缩，那又是一个不能产生生命的宇宙。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、恒星分类主序星——恒星一生的主要阶段。其光度和表面温度与质量成正比；存在时间与质量成反比；燃烧氢生成氦。巨星——恒星演化的晚期阶段。当主序星中心随氢燃烧成氦，温度变低而形成。超巨星——最亮的恒星。年轻的、演化迅速的大质量恒星。白矮星——低光度、高密度、高温度的恒星。恒星的老年阶段，核能接近枯竭，内温极高，爆发后余一高密度核而成。恒星的起源及其演化2、恒星的起源

星际空间稀薄物质由于涨落分裂成团块，并在引力作用下凝聚成弥漫星云，经快收缩和慢收缩阶段成为“星胎（原始恒星）”。再经过几千万到几亿年的收缩中心温度达1000万K，氢燃烧的核反应提供足够的能量是内压与引力处于相对平衡状态。恒星的起源及其演化3、恒星的演化和归宿

高温高压核聚变辐射能量、消耗核燃料(氢--氦)，燃料用完，内压减小，引力引起塌缩，外部聚变成碳、氧、氖、…、铁（结合能最大的核子），内部引力压缩将原子压碎，变成中子核，同时引力使外围物质向内坍缩，与内核区相撞，产生极强的巨大激波，使恒星增亮为太阳的100亿倍——超新星爆发。

1054年超新星爆发后的蟹状星云超新星爆发带来积极的一面：

恒星外层加热，进一步核聚变产生金、铅、铀等元素，连同早期产生的碳、氧等抛出，与其它碎片混合，产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——原子态（超固态）的物质组成。

一般物质宏观状态下是致密的，但微观状态下却是空虚的，犹如一个足球场上只有一两个足球。在万有引力的作用下恒星要收缩使物质原子一个挨一个成为原子态或超固态——白矮星。什么样的恒星会演化成白矮星？M=0.4~1M日

R=1/40~1/100R日