宇观世界探索

第六章宇观世界探索讨论：如何理解“宇观”这个概念？“宏观”和“宇观”是不同的两个概念吗？版权所有复制必究高等教育出版社§6.1人类宇宙观的演化我国古代对地球的认识：地球形状：“天似盖笠，地法覆盘”（古老“盖天论说”）→“天体圆如弹丸，地如鸡子中黄”（东汉张衡“浑天说”）。张衡浑天仪地动仪“盖天说”认为大地是平均的，天像一把伞覆盖着大地；“浑天说”认为天地具有蛋状结构，地在中心，而天包裹在其周围；古代的希腊和罗马，关于宇宙的结构和演化也有许多学说。如，中心火焰说即认为宇宙中心是一团大火焰、地心说和正多面体宇宙结构模型等。所有这些模型并没有明确涉及时间！也许模型提出者认为宇宙空间是个永恒不变的结构，而时间是独立于空间的某种延续。这些模型是符合古人“天不变，道亦不变”的朴实观念的。世界对地球认识的发展：

①公元前6世纪希腊数学家毕达哥拉斯认为：地球是正球形的。

②公元15世纪葡萄牙航海家麦哲伦坚信地球是圆的。毕达哥拉斯麦哲伦③公元16世纪

哥白尼“日心说”使人们了解了地球在宇宙中的位置。④公元18世纪德国的哲学家康德和法国的数学家、天文学家拉普拉斯研究了地球的起源。康德拉普拉斯古代占统治地位的宇宙模型是地心说。16世纪哥白尼倡导日心说，使人类宇宙观发生根本变革。17世纪，牛顿开创了用力学方法研究宇宙论的途径，建立了经典宇宙论。广义相对论的建立使经典宇宙论有了更统一的严格的数学基础；大量的天文观测资料支持了广义相对论的科学预言，并由此产生了现代宇宙论。·6.1.1日心说及其天文观测依据哥白尼与他的日心说：哥白尼的主要贡献是创立了科学的日心说，写出“自然科学的独立宣言”——《天体运行论》。哥白尼日心说·6.1.2银河系的发现及太阳系在其中的位置

银河系的发现：银河系的发现经历了漫长的过程……18世纪后期，天文学家利用反射望远镜进行了系统的恒星记数观测。并记下了117600颗恒星，得出了一个恒星系统呈扁盘状的结论，并认为太阳离扁盘中心不远。19世纪又将恒星计数的工作扩展到南天。20世纪初，天文学家开始把这个系统称为银河系(Galaxy)。1918年，人们提出了太阳不在银河系中心的观测分析结果。在20年代观测发现了银河系自转以后，这个银河系模型得到了天文学家的公认。从宇宙论角度看．银河系结构的确定不仅是从尺度上扩大了人类认识到的时空结构，同时是继哥白尼之后又一次否定了人类(及其所居住的星球)在宇宙中具有任何特殊地位。·

6.1.3

从星云到河外星系星云问题的引出：1755年，康德在他的《自然通史和天体论》书中提出“广大无边的宇宙”之中有“数量无限的世界和星系”的观念。从银河系的构成看，除了由大量恒星组成的球状星团、疏散星团、一些零散的其他恒星外，还有大量的星际物质。它们也可分为三大类：亮星云、暗星云和它们之间的星际气体及尘埃。问题的证明：

1923年，哈勃用威尔逊山天文台的胡可望远镜观测到星云中数目不等的造父变星，并推出他们的距离，竟然比银河系盘的直径大五倍。这就有力的证明了这些星云是处于银河系外的天体----河外星系。哈勃哈勃在1929年所作的划时代的工作：

rK=v,K=(513±60)km/(s·Mpc)

这就是著名的哈勃定律。K称为哈勃常量。现在用H0表示，下标0表示今天的取值。哈勃还利用他的数据作出了红移和距离的关系图即“哈勃图”。由于红移和距离的关系并不依赖于天体的内在性质，因此确定天体的红移为确定天体距离提供了一个新的手段。·6.1.4大爆炸宇宙模型的提出及其理论预言大爆炸宇宙模型的提出：

1930年，人们把哈勃关于星系红移与距离之间关系的发现，解释为由爱因斯坦场方程给出的宇宙非静态解所描述的膨胀宇宙所显示的观测效应。

宇宙大爆炸理论预言：

1948年，伽莫夫把核物理学同宇宙膨胀理论结合起来，奠定了大爆炸宇宙论的基础，更清晰地描绘了宇宙从原始高密状态演化、膨胀的概貌。伽莫夫他把原始原子称为原始火球，球内充满辐射和基本粒子，这些基本粒子互相发生核聚变反应。引起爆炸而向外膨胀，辐射温度和物质温度急剧下降、核反应停止，其间所产生的各种元素形成了今天宇宙中的各种物质，伽莫夫还预言，大爆炸有残余的辐射遗留下来，只有绝对温度几度。§6.2宇宙观测与大爆炸宇宙学

的发展6.2.1宇宙观测及其意义对宇宙的观测包括以下七个方面：

1.宇宙微波背景辐射：1965年3K微波背景辐射的发现，也是大爆炸理论的有力论据。两位发现者：美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。

1989年利用COBE卫星进一步测得了宇宙背景温度为：T=2.725K2.膨胀：标准宇宙论的一个最基本的性质是宇宙的膨胀。20世纪60年代发现膨胀在观测宇宙论中起着基本的作用。目前公认的哈勃常量H0在45~75km/(s·Mpc)的范围。3.均匀性和各向同性：宇宙中不存在任何特殊点，或者说宇宙中所有点是平等的。称为宇宙论原理或宇宙平庸原理。对于观测到的宇宙的各向同性的最好证据是微波背景辐射温度的一致性。4.宇宙的年龄：宇宙年龄约13.7×109年。宇宙的年龄可用多种方法加以测定：如利用宇宙膨胀率计算返回到爆炸的时间；通过球状星团中最老恒星年龄的测定；通过放射性元素标定的年代；研究白矮星的冷却时标；通过星系团中热气体的冷却时间等等。5.轻元素丰度：预测丰度与“推断”的原初丰度的比较，提供了一个对标准宇宙模型的有力检验。6.物质密度，宇宙中的暗物质和暗能量：宇宙成分中，普通物质只占4%，另有23%的“暗物质”，73%的“暗能量”，关于暗能量的物理本质，至今仍是宇宙学中的一个难题。7.宇宙的大尺度结构：宇宙处于大尺度的情形，宇宙的均匀性和各向同性已是一个观测事实，但在较小尺度上宇宙却有最突出的特点----结构的存在。宇宙包括行星、恒星、星系、星系团、超团、空洞等。这些结构的存在，是宇宙的重要性质，并且很可能是理解宇宙演化的关键。6.2.2大爆炸宇宙学面临的困难首先是均匀性问题。宇宙的年龄是有限的，因此在宇宙创生以来物之间能进行相互作用的范围也是有限的。由此宇宙的均与范围也应该是有限的，即如果大爆炸宇宙学严格成立，那么宇宙不应该如此均匀。其次是平性问题。宇宙可以有三种可能情况：即开放的、封闭的和临界的。它们取决于宇宙的减速因子q0，观测事实表明q0很接近于1/2，这个临界值是否是巧合呢？

6.2.3暴胀宇宙的成就和困难

1981年，科学家提出了一种摆脱困境的有效途径，就是“宇宙暴胀”。暴胀模型认为，当宇宙的温度下降到某一个临界值Tc，甚至T<Tc时，相变并不发生，真空仍保持对称状态。此时形成所谓过冷态，当宇宙处于过冷态时，粒子与辐射这两种成分对于宇宙膨胀的影响很小，其作用的是真空态。当宇宙处于过冷真空态时，是一个以排斥力为主的时期。在斥力作用下，宇宙的膨胀将会是加速的；这种加速会使宇宙极快地膨胀，它就是暴胀。

按暴胀宇宙模型，当宇宙处于10-35~10-32s间，宇宙经历过一个急剧的膨胀阶段，宇宙尺度增长的幅度达50~60个量级。由此，大爆炸宇宙学的因果疑难、平性困难都自然地解决了，但对于奇点问题等，暴胀宇宙模型仍未加以解决。暴胀宇宙形成模型§6.3星系的起源和演化6.3.1星系形成时期及分类

星系：天文学中，我们把这种由千百亿颗恒星以及分布在它们之间的星际气体、宇宙尘埃等物质构成的，占据了成千上万亿光年空间距离的天体系统叫做“星系”。银河系星系、星系团和超星系团形成时期分别对应于红移z=100、10、1的时刻。星系的分类：最流行的是哈勃的分类。

椭圆星系漩涡星系不规则星系椭圆星系漩涡星系不规则星系6.3.2银河系的年轮及其次系恒星在星系中的轨道运动、位置及其年龄三者之间存在着及其密切的联系：

1.球状星团是我们银河系中最年长的成员，他们组成以星系核为中心的球状分布系统。

2.O型和B型是最年轻的成员，他们组成几乎与银道面重合的极为扁平的系统。

3.其他的恒星其性质在上述两种类型之间，而在空间分布位置上也介于上述的球和扁平系统之间，形成一个中介系统。6.3.3剧烈变化的星系核蝎虎座BL型天体，其光变都很剧烈。蝎虎座(Lacerta)是北天银河光带上的星座之一，Lacerta意为“蝎虎、壁虎和蜥蜴”。

塞福特星系有一个很亮的核。

类星体的谱线有很大的红移，它们是目前已观测到的具有很大红移的天体。蝎虎座§6.4标志恒星一生的赫罗图6.4.1恒星的形成星系形成的初期仍是一个较均匀的称为星云的物质团。在星云收缩的过程中，由万有引力引起的引力不稳定性起着重要的作用。在引力作用下，星云急剧坍缩，其中心形成体积更小、密度更大的内核——原初恒星。原初恒星形成的标志之一，是星云的快速收缩过程的结束。6.4.2恒星分类

通过观测得到恒星的性质大体如下：

质量为0.05~100m⊙

光度为10-4~106L⊙

半径为106~1012m

表面温度为103~105K

恒星的表面温度为分类提供了依据。除了表面温度外更多的是采用亨利·德雷伯分类与三色测光分类。6.4.3

揭示恒星一生经历的秘密——赫罗图这种恒星光度和光谱型关系的图，是由丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素于1905-1913年各自独立创制的，故名赫罗图。赫罗图能显示恒星各自的演化过程，能估计星团的年龄和距离，是研究恒星演化的重要手段，也是天体物理学和恒星天文学的有力工具。由赫罗图我们可以推测恒星的一生。6.4.4恒星演化的结局

1.钱德拉塞卡极限：它是描述恒星演化，决定恒星命运的一个重要的质量极限。

2.超新星爆发和脉冲星：

1932年物理学家从理论上预言了中子星的存在，其极限质量的值为太阳质量的2.4倍。它标志了另一类特殊天体——中子星的形成条件，也是中等质量恒星演化的最后归宿。

1967年英国天文学家发现了脉冲星。脉冲星的发现是60年代天文学的四大发现之一。3.令人生畏的黑洞：白矮星----质量小于1.44倍太阳质量，即所谓钱德拉塞卡质量极限的恒星。中子星----质量小于2.4倍太阳质量极限的恒星。“黑洞”----质量大于2.4倍太阳质量极限的恒星。至今没有受到观测的肯定。黑洞模型§6.5太阳和太阳系的起源6.5.1研究太阳的双重意义

太阳是太阳系中唯一发光的天体，是太阳系的光和热的源泉。太阳上的任何细微变化都会引起整个太阳系的明显变化。研究太阳的重要意义之一在于了解人类的生态环境。从天文角度来看，太阳是一个普通的恒星，人类可以把对太阳大气和太阳内部结构的知识推广到别的恒星上去。太阳活动6.5.2太阳系的起源和太阳的形成（1）灾变说：认为太阳先形成，后来被另一颗恒星拉出或撞出大量物质，形成行星和卫星。（2）俘获说：也认为太阳先形成，但以后太阳从银河系中俘获其他星际物质而形成了行星和卫星。（3）星云说：认为整个太阳系是由同一块星云物质形成的；这块形成太阳系的星云称为原始星云。太阳系的构成

太阳系的中心是太阳，虽然它只是一颗中小型的恒星，但它的质量已经占据了整个太阳系总质量的99.85％；太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他自己周围，使它们井然有序地围绕自己旋转。同时，太阳又带着太阳系的全体成员围绕银河系的中心运动。太阳系

太阳系内迄今发现了八颗大行星。按照距离太阳的远近，这八大行星依次是：最近的水星、