自然辩证法概论-第3章 自然界的演化图景.ppt

自然界的演化图景 人类对宇宙认识的突飞猛进，使得人们第一次有可能在科学的基础上，对从基本粒子到化学元素、从星系到恒星、从太阳到地球、从原生物到人的长达上百亿年的演化史作出系统的概括。这无疑会对当代自然科学以及人类自然观的发展产生深刻的影响。 第二节 恒星和地球的演化 一、恒星的起源和演化 1、恒星的起源 恒星是宇宙中的一个重要层次，在恒星的起源问题上，主要存在弥漫说和超密说两种不同的观点。 超密说认为，恒星是由超密物质爆炸碎裂后形成的。而弥漫说则认为，恒星是由星际弥漫物质收缩凝聚而成。弥漫说，即星云说，由于获得了较为广泛的科学事实的支持，又有比较完整的恒星演化理论，所以得到天文学家比较一致的认同。 星际弥漫物质由气体和尘埃组成，以气体为主。气体又以氢为主，氦次之，其它元素所占比例很小。由于自身引力作用，密度极低的星际弥漫物质会聚集成团块。这种团块貌似地球大气中的云块，所以称为星云。星云的直径往往有几十光年，并有几十个到几百个太阳质量（Ｍ⊙＝2×1033克）。这样大的星云除了收缩外，还要有一个碎裂过程才能形成恒星。 有些天文学家认为，星云的碎裂是星云中气体不规则的旋转运动，即湍流造成的。大块的星云裂碎成大小不等的、质量在0.5Ｍ⊙到20Ｍ⊙的恒星胚胎——原恒星。在引力收缩过程中释放出的势能使原恒星逐渐变热，当温度上升到足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了。 2、恒星的演化 当温度上升到700百万到1000万度时，原恒星内部发生了氢燃烧，即由氢聚变为氦的核反应。当这种反应产生的辐射压力达到与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段。恒星在这一阶段停留的时间最长，占其生命的主要部分，可以称为“壮年期”。 迄今发现的恒星有90％处在这一阶段（包括我们的太阳在内）。这一阶段的具体长度取决于恒星质量的大小。对于太阳来说约为100亿年，而质量比太阳大10倍的恒星则只有3000万年。 当恒星内部15％的氢聚变成氦以后，便形成了一个不产生能量，因而温度也不再升高的纯粹由氦组成的区域，这个区域称为同温纯氦区。由于中心释放能量减少，辐射压力下降，恒星将在引力作用下收缩。收缩产生的热将使温度再次升高，当中心温度升高到1亿度时，同温纯氦区里的氦被点燃。 这时，氢和氦一齐燃烧所释放的巨大的能量使恒星外壳膨胀，膨胀后单位面积辐射出来的能量变小，于是表面温度反而降低，恒星因而变成红色。这种体积大、光度强、发红光的恒星就是红巨星，它是恒星在“壮年期”后的第一站。 大质量恒星在红巨星以后还有一系列的核燃烧供给能量，但要求点火的温度越来越高。如碳燃烧要求6亿度，氧燃烧要求10亿度，硅燃烧要求30亿度，如此等等，直到合成最稳定的铁为止。 这一阶段的恒星经历了多次膨胀收缩，光度也发生周期性的变化，所以，也可以说是恒星的“更年期”。如果恒星的质量不够大，不足使中心达到这样高的温度，热核反应就会停止，恒星就跨过了它的“更年期”，进入下一阶段的演化。 3、恒星的归宿 在恒星内部，当所有可以产生能量的核燃料用尽之后，恒星的演化就进入了它的“老年期”。 恒星的归缩依其质量的大小有三种可能的去向： 对于质量小于1.4Ｍ⊙的恒星，将收缩为白矮星。白矮星的表面温度很高，但密度却很大，高达105－10８克／厘米3。白矮星内部的原子在高温高压下高度电离，电子则形成简并电子气体。恒星演化成白矮星后就不再收缩，因为组成白矮星的简并电子气产生的电子简并压能顶住恒星的自吸引。 白矮星中核能枯竭靠散发余热而发光，一旦热能耗尽就不再发光。这时白矮星便转化为黑矮星。黑矮星不再辐射可见光，因而不是恒星。恒星至此已完成了它的发展史。 对于质量大于1.4Ｍ⊙的恒星，在收缩过程中内部温度可达到40－60亿度，因而可以点燃铁的核反应。铁原子核可以聚变也可以裂变，但无论什么核反应都不但不能释放能量，还需要输入非常大的能量。这时恒星只有依靠引力收缩提供能量。为了提供非常巨大的能量，恒星的核心必须迅猛地收缩。内核迅速收缩的同时外壳会猛烈地爆炸。恒星此时成为光度超过原来千万倍甚至上亿倍的超新星。 恒星爆发后，恒星可能全部瓦解，其物质碎片抛入空间形成稀薄的星云。有时恒星爆发后，其中心还留下一个内核，此时，依内核质量的大小将会不同的走向。 恒星爆发后，如果留下的内核质量小于1.4Ｍ⊙，恒星仍将收缩为白矮星。 如果内核质量大于1.4Ｍ⊙，恒星将收缩为中子星。中子星由于自身引力较大，电子简并压不足以抗衡，电子被挤入原子核并与质子结合为中子。 中子星具有体积小、密度大、自转快、磁场强的特点。60年代以来用射电望远镜观察到的脉冲星实际上就是中子星。中子星与白矮星一样，最