宇觀世界探索

宇觀世界探索第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日§6.1人類宇宙觀的演化我國古代對地球的認識：地球形狀：“天似蓋笠，地法覆盤”（古老“蓋天論說”）→“天體圓如彈丸，地如雞子中黃”（東漢張衡“渾天說”）。張衡渾天儀地動儀第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日世界對地球認識的發(fā)展：

①公元前6世紀希臘數(shù)學家畢達哥拉斯認為：地球是正球形的。

②公元15世紀葡萄牙航海家麥哲倫堅信地球是圓的。畢達哥拉斯麥哲倫第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日③公元16世紀

哥白尼“日心說”使人們了解了地球在宇宙中的位置。④公元18世紀德國的哲學家康德和法國的數(shù)學家、天文學家拉普拉斯研究了地球的起源?？档吕绽沟谒捻摚踩?，2022年，8月28日·6.1.1日心說及其天文觀測依據(jù)哥白尼與他的日心說：哥白尼的主要貢獻是創(chuàng)立了科學的日心說，寫出“自然科學的獨立宣言”——《天體運行論》。哥白尼日心說第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日·6.1.2銀河系的發(fā)現(xiàn)及太陽系在其中的位置

銀河系的發(fā)現(xiàn)：太陽系在其中的位置：太陽也不是宇宙的中心。銀河系的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了漫長的過程……第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日·

從星云到河外星系星云：

問題的引出：1755年，康德在他的《自然通史和天體論》書中提出“廣大無邊的宇宙”之中有“數(shù)量無限的世界和星系”的觀念。第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日問題的證明：

1923年，哈勃用威爾遜山天文臺的胡可望遠鏡觀測到星云中數(shù)目不等的造父變星，并推出他們的距離，竟然比銀河系盤的直徑大五倍。這就有力的證明了這些星云是處于銀河系外的天體----河外星系。哈勃第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日哈勃在1929年所作的劃時代的工作：

rK=v,K=(513±60)km/(s·Mpc)

這就是著名的哈勃定律。K稱為哈勃常量?，F(xiàn)在用H0表示，下標0表示今天的取值。第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日·6.1.4大爆炸宇宙模型的提出及其理論預言大爆炸宇宙模型的提出：

1930年，人們把哈勃關于星系紅移與距離之間關系的發(fā)現(xiàn)，解釋為由愛因斯坦場方程給出的宇宙非靜態(tài)解所描述的膨脹宇宙所顯示的觀測效應。

宇宙大爆炸第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日理論預言：

1948年，伽莫夫把核物理學同宇宙膨脹理論結(jié)合起來，奠定了大爆炸宇宙論的基礎，更清晰地描繪了宇宙從原始高密狀態(tài)演化、膨脹的概貌。伽莫夫第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日§6.2宇宙觀測與大爆炸宇宙學

的發(fā)展6.2.1宇宙觀測及其意義對宇宙的觀測包括以下七個方面：

1.宇宙微波背景輻射：1965年3K微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，也是大爆炸理論的有力論據(jù)。兩位發(fā)現(xiàn)者：美國貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年諾貝爾物理學獎。

第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日1989年利用COBE衛(wèi)星進一步測得了宇宙背景溫度為：T=2.725K2.膨脹：標準宇宙論的一個最基本的性質(zhì)是宇宙的膨脹。20世紀60年代發(fā)現(xiàn)膨脹在觀測宇宙論中起著基本的作用。目前公認的哈勃常量H0在45~75km/(s·Mpc)的范圍。第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日3.均勻性和各向同性：宇宙中不存在任何特殊點，或者說宇宙中所有點是平等的。稱為宇宙論原理或宇宙平庸原理。對于觀測到的宇宙的各向同性的最好證據(jù)是微波背景輻射溫度的一致性。4.宇宙的年齡：宇宙年齡約13.7×109年。宇宙的年齡可用多種方法加以測定：如利用宇宙膨脹率計算返回到爆炸的時間；通過球狀星團中最老恒星年齡的測定；通過放射性元素標定的年代；研究白矮星的冷卻時標；通過星系團中熱氣體的冷卻時間等等。第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日5.輕元素豐度：預測豐度與“推斷”的原初豐度的比較，提供了一個對標準宇宙模型的有力檢驗。6.物質(zhì)密度，宇宙中的暗物質(zhì)和暗能量：宇宙成分中，普通物質(zhì)只占4%，另有23%的“暗物質(zhì)”，73%的“暗能量”，關于暗能量的物理本質(zhì)，至今仍是宇宙學中的一個難題。第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日7.宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)：宇宙處于大尺度的情形，宇宙的均勻性和各向同性已是一個觀測事實，但在較小尺度上宇宙卻有最突出的特點----結(jié)構(gòu)的存在。宇宙包括行星、恒星、星系、星系團、超團、空洞等。這些結(jié)構(gòu)的存在，是宇宙的重要性質(zhì)，并且很可能是理解宇宙演化的關鍵。第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日6.2.2大爆炸宇宙學面臨的困難首先是均勻性問題。宇宙的年齡是有限的，因此在宇宙創(chuàng)生以來物之間能進行相互作用的范圍也是有限的。由此宇宙的均與范圍也應該是有限的，即如果大爆炸宇宙學嚴格成立，那么宇宙不應該如此均勻。其次是平性問題。宇宙可以有三種可能情況：即開放的、封閉的和臨界的。它們?nèi)Q于宇宙的減速因子q0，觀測事實表明q0很接近于1/2，這個臨界值是否是巧合呢？

第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日6.2.3暴脹宇宙的成就和困難

1981年，科學家提出了一種擺脫困境的有效途徑，就是“宇宙暴脹”。暴脹模型認為，當宇宙的溫度下降到某一個臨界值Tc，甚至T<Tc時，相變并不發(fā)生，真空仍保持對稱狀態(tài)。此時形成所謂過冷態(tài)，當宇宙處于過冷態(tài)時，粒子與輻射這兩種成分對于宇宙膨脹的影響很小，其作用的是真空態(tài)。當宇宙處于過冷真空態(tài)時，是一個以排斥力為主的時期。在斥力作用下，宇宙的膨脹將會是加速的；這種加速會使宇宙極快地膨脹，它就是暴脹。

第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日按暴脹宇宙模型，當宇宙處于10-35~10-32s間，宇宙經(jīng)歷過一個急劇的膨脹階段，宇宙尺度增長的幅度達50~60個量級。由此，大爆炸宇宙學的因果疑難、平性困難都自然地解決了，但對于奇點問題等，暴脹宇宙模型仍未加以解決。暴脹宇宙形成模型第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日§6.3星系的起源和演化6.3.1星系形成時期及分類

星系：天文學中，我們把這種由千百億顆恒星以及分布在它們之間的星際氣體、宇宙塵埃等物質(zhì)構(gòu)成的，占據(jù)了成千上萬億光年空間距離的天體系統(tǒng)叫做“星系”。銀河系第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日

星系、星系團和超星系團形成時期分別對應于紅移z=100、10、1的時刻。星系的分類：最流行的是哈勃的分類。

橢圓星系漩渦星系不規(guī)則星系橢圓星系漩渦星系不規(guī)則星系第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日6.3.2銀河系的年輪及其次系恒星在星系中的軌道運動、位置及其年齡三者之間存在著及其密切的聯(lián)系：

1.球狀星團是我們銀河系中最年長的成員，他們組成以星系核為中心的球狀分布系統(tǒng)。

2.O型和B型是最年輕的成員，他們組成幾乎與銀道面重合的極為扁平的系統(tǒng)。

3.其他的恒星其性質(zhì)在上述兩種類型之間，而在空間分布位置上也介于上述的球和扁平系統(tǒng)之間，形成一個中介系統(tǒng)。第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日6.3.3劇烈變化的星系核蝎虎座BL型天體，其光變都很劇烈。蝎虎座(Lacerta)是北天銀河光帶上的星座之一，Lacerta意為“蝎虎、壁虎和蜥蜴”。

塞福特星系有一個很亮的核。類星體的譜線有很大的紅移，它們是目前已觀測到的具有很大紅移的天體。蝎虎座第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日§6.4標志恒星一生的赫羅圖6.4.1恒星的形成星系形成的初期仍是一個較均勻的稱為星云的物質(zhì)團。在星云收縮的過程中，由萬有引力引起的引力不穩(wěn)定性起著重要的作用。在引力作用下，星云急劇坍縮，其中心形成體積更小、密度更大的內(nèi)核——原初恒星。原初恒星形成的標志之一，是星云的快速收縮過程的結(jié)束。第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日6.4.2恒星分類通過觀測得到恒星的性質(zhì)大體如下：質(zhì)量為0.05~100m⊙

光度為10-4~106L⊙

半徑為106~1012m

表面溫度為103~105K

恒星的表面溫度為分類提供了依據(jù)。除了表面溫度外更多的是采用亨利·德雷伯分類與三色測光分類。第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日6.4.3

揭示恒星一生經(jīng)歷的秘密——赫羅圖這種恒星光度和光譜型關系的圖，是由丹麥天文學家赫茨普龍和美國天文學家羅素于1905-1913年各自獨立創(chuàng)制的，故名赫羅圖。第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日

赫羅圖能顯示恒星各自的演化過程，能估計星團的年齡和距離，是研究恒星演化的重要手段，也是天體物理學和恒星天文學的有力工具。由赫羅圖我們可以推測恒星的一生。第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日6.4.4恒星演化的結(jié)局

1.錢德拉塞卡極限：它是描述恒星演化，決定恒星命運的一個重要的質(zhì)量極限。

2.超新星爆發(fā)和脈沖星：

1932年物理學家從理論上預言了中子星的存在，其極限質(zhì)量的值為太陽質(zhì)量的2.4倍。它標志了另一類特殊天體——中子星的形成條件，也是中等質(zhì)量恒星演化的最后歸宿。

1967年英國天文學家發(fā)現(xiàn)了脈沖星。脈沖星的發(fā)現(xiàn)是60年代天文學的四大發(fā)現(xiàn)之一。第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日3.令人生畏的黑洞：白矮星----質(zhì)量小于1.44倍太陽質(zhì)量，即所謂錢德拉塞卡質(zhì)量極限的恒星。中子星----質(zhì)量小于2.4倍太陽質(zhì)量極限的恒星?！昂诙础?---質(zhì)量大于2.4倍太陽質(zhì)量極限的恒星。至今沒有受到觀測的肯定。黑洞模型第二十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日§6.5太陽和太陽系的起源6.5.1研究太陽的雙重意義太陽是太陽系中唯一發(fā)光的天體，是太陽系的光和熱的源泉。太陽上的任何細微變化都會引起整個太陽系的明顯變化。研究太陽的重要意義之一在于了解人類的生態(tài)環(huán)境。第三十頁，共三十二頁，2022年，8月28日從天文角度來看，太