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现代科学技术导论(第四版)
;第一章 宇宙的起源和演化;极目长空,日月经天,星回斗转,河汉纵横。自古以来人们观天象,辨星斗成果辉煌。哥白尼的“太阳中心说”使自然科学从神学中解放出来,牛顿创立了天体力学,而量子力学、相对论、高能物理学奠定了现代宇宙学的基础。大口径天文望远镜的落成,光子计数照相机和电荷耦合探测器的使用,天文光谱测量技术的发展,空间飞行器的天文探测等等,使人类对宇宙的认识逐渐深化和日臻完善。这一节我们来介绍一下现代天文学所认识的宇宙概观。;是先有鸡呢,还是先有蛋?
何物创生宇宙,又是何物创生该物呢?
宇宙演化的问题是问宇宙是恒定不变的,还是永恒变化的呢?;
宇宙
泛指天地万物,亦即在浩瀚的空间中运动和变化着的全部物质世界的总称。
迄今人们对宇宙的认识,已经从地球到太阳系,再由太阳系扩展到银河系、河外星系、星系团、乃至观测所及的宇宙深处。;《齐物论》中说:四维上下曰宇,古往今来曰宙。然而它们又不绝对,含有包容和流转的意义,故宇宙可指时空中所含变化的万有。又“宇之表无极,宙之端无穷”(张衡《灵宪》)
西方的“宇宙”基本上是个空间概念,有两个重要词表达,一是Cosmos来自希腊文,本意是秩序,意指作为秩序体系的整个宇宙;二是Universe,来自拉丁文,本意是万有,意指包罗万象的宇宙。;火箭发射全过程;航天员的太空活动;第一节 宇宙概观 ;一、宇宙概观;太阳系
最外面的冥王星距太阳平均5.9×109km,光约走5.5 h。在火星和木星之间运行着几十万颗小行星。太阳系中质量较小的天体还有流星和彗星,哈雷彗星、波普——海尔彗星、白武彗星就是其中的几个。太阳只是一颗极普通的恒星,它属于一个庞大的恒星系统——银河系中的一颗恒星。太阳系是银河系中的一个星系。;银河系是由群星和弥漫物质集成的一个庞大天体系统。
银河系中有2 000亿颗以上的恒星。
扁盘的最大厚度约1×104 l.y. ,银河系发光部分距离约7×104l.y.,银晕,直径约1×105l.y.
除恒星外银河系中星云。;二、几种典型的现代宇宙模型 ;1927年比利时人梅特勒在费里德曼解的基础上把已观测到的河外星系光谱红移解释为宇宙膨胀的结果,提出了膨胀宇宙的模型。
1948年英国剑桥的拜迪、霍伊尔和戈尔德又提出稳恒态宇宙模型。它基于完全宇宙学原理,认为宇宙物质密度始终不变。
20世纪40年代末50年代初伽莫夫等人对极高温度极高密度的早期宇宙研究提出被普遍看好的主流模型——热宇宙模型,俗称“大爆炸宇宙”模型,亦称标准模型。
20世纪80年代,古斯等人将理论物理大统一理论引入宇宙学,解决了“大爆炸宇宙”模型不能解释的“视界”问题、“平坦性”等宇宙难题。;第二节 宇宙的起源和演化;一、中国古代的盘古开天地的神话故事;世界上其它文明古国,也各有关于宇宙起源和结构的种种传说。例如,古印度人认为大地由四头大象驮着,大象站在一只巨龟的背上,巨龟则浮在水中,等等。
古代各民族都把自己生活的地方当作天地的中央,并各自独立地产生了关于宇宙结构的地心学说。;二、宇宙大爆炸起源模型;经过7×105 a,宇宙温度降为3000K,物质复合成原子,物质密度大于辐射密度,物质变得透明,物质复合的结果使重子数与光子数保持恒定。
108a,辐射温度为100K,星际物质温度1K,星系形成。109a,辐射温度12K,出现类星体……
至目前,宇宙年龄为1010a,辐射温度降为2.7K,星际物质温度为10-5K。
我们观测到的宇宙已大到100多亿光年,现在宇宙仍在继续膨胀着。
宇宙大爆炸模型已成为举世公认的一种“标准宇宙模型”。;三、宇宙是均匀的和各向同性的介质;四、哈勃定律与宇宙膨胀;五、微波背景辐射 ;六、宇宙是有限的还是无限的;七、宇宙的年龄;八、宇宙元素的丰度;第三节 星系的起源和演化 ;天文学家普遍认为,星系是由初始气云形成的。
在标准宇宙模型中,不均匀性的种子来自宇宙极早期的真空相变。像许多相变都会留下对称性的缺陷那样,真空相变也留下一些不均匀结构。这些不均匀结构中的密度较高的地方通过引力相互作用吸引周围的物质,像滚雪球那样越滚越大,直至形成初始气云。刚从初始气云凝聚出来的星系胚胎是什么样子目前虽不清楚,但可以肯定地说,对于足够大的质量集中区,向内的引力会超过向外的压力而使气云塌缩为致密的星系。其过程大致是,随着时间的推移星系级初始气云开始收缩,例如收缩成类似银河系的气云盘,气云盘一步步分裂成为更小更密的碎片,由这些碎片诞生出第一代恒星,第一代恒星质量比太阳质量大得多,也亮得多,寿命也短得多。它们在大约一千万年内耗尽了自己的核燃料,而后通过爆发形式把自己内部合成的重元素抛回星际空间,从而进入第二代、第三代……恒星的生成和演化的循环。;第四节
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