武汉大学宇宙新概念公选课通识课宇宙新概念第一次课市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

通识课宇宙新概念介绍

教师：赵江南第1页

宇宙是怎样起源，又是怎样演化、发展、灭亡?自古以来一直是人类最感兴趣和不停探索问题。关于宇宙问题，历史上曾出现过各种神话故事，但作为一门科学，应该建立在严格理论和试验基础上。宇宙学不论在科学上还是在哲学上都是一个探索中问题，并没有现成确实切答案，所以科学态度对认识宇宙尤为主要。

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天文学研究需要人们认识自然最新知识，需要最先进技术，而且天文学永远是人类认识自然最前沿科学。不过天文学又是最古老科学，它几乎是伴随人类同时产生，当代天体和宇宙全部新概念都经历了漫长发展，所以当代天文学是建立在人类不停追求和探索基础之上。

第4页在全部学科中，天文学与哲学关系最为亲密，二者相互依存、相互促进：首先，哲学是一门研究世界观学问，世界观就是宇宙观，它在说明关于宇宙最根本观点——宇宙是精神还是物质，宇宙是静止还是运动时，离不开天文学为之提供科学证据；另首先，天文学在研究它一些重大理论问题时，离不开哲学指导，要准确地描绘宇宙、宇宙发展、人类发展，以及这种发展在人们头脑中反应，就必须用辩证唯物主义方法，使我们理论不偏离科学轨道。

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宇宙新概念作为一门通识课，总讲课时间为36课时，所以它不可能包括深奥数学运算，但对每个概念及其物理意义，需用最简练易懂语言加以概括和总结，这么才能做到形象生动。作为一门全校性公共选修课，面对文、理、工、医各年级学生，对其内容选取必须考虑到讲课对象特点。天文学范围太广了，我们当然不可能深入地讲解天文学各个细节，而且这也不符合通识课目标。我们希望以天体物理为主要内容，系统地介绍天文学主要概念。

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第一章绪论

§1.1天文学研究对象、方法和意义

一、天文学研究对象二、天文学研究方法三、天文学三大分支四、天文学研究意义

第7页§1.2当代天文学起源及发展简述

一、地日说二、日心说三、近代天文学四、当代天文学

第8页§1.3时间和历法一、地平坐标系二、节气三、时间四、历法五、干支纪时和属相六、周第9页§1.4天文学和哲学关系略论

一、天文学在哲学进步中作用二、哲学对天文学指导作用第10页§1.5天文望远镜一、天体辐射二、光学望远镜三、光学望远镜发展简史四、哈勃望远镜五、射电望远镜六、射电望远镜发展简史第11页§1.6我国天文研究现实状况介绍一、研究机构二、高等教育三、我国天文研究发展方向

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第二章太阳系§2.1太阳一、太阳基本参数二、太阳大气三、日球四、太阳能量起源五、太阳中微子之谜第13页§2.2地球和月球一、地球基本参数二、地球大气三、地球自转、公转和地轴进动四、月球基本参数五、盈亏现象六、月球表面情况七、月球探测八、日、月、地天文现象九、日地空间

第14页§2.3太阳系其它天体一、九大行星二、太阳系小天体三、冥王星是九大行星之一吗

四、太阳系有第十大行星吗第15页§2.4深度撞击和登陆火星一、深度撞击二、登陆火星第16页

§2.5太阳系起源和演化一、太阳系起源研究简史二、太阳系起源当代观点三、太阳系演化四、太阳系起源和演化哲学思想

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第三章恒星§3.1恒星参数测定一、恒星距离二、恒星亮度和视星等三、恒星光度和绝对星等四、恒星大小、质量和密度

第18页§3.2恒星光谱及其相关性质一、光谱概念物理基础二、恒星光谱与氢原子谱线三、光谱在恒星研究中应用四、恒星光谱、颜色和表面温度之间关系五、恒星赫罗图第19页第20页§3.3变星和新星一、造父变星二、新星和超新星§3.4恒星集团一、双星二、聚星三、星团四、星协

第21页§3.5星云和星际物质一、星云二、星际物质

第22页§3.6恒星起源和演化一、恒星内部结构二、恒星年纪三、引力收缩阶段四、主星序阶段五、红巨星阶段六、暴发阶段七、临终阶段八、小结

第23页§3.7恒星起源与演化中哲学思想一、新陈代谢是恒星演化基本规律二、吸引与排斥对立统一是恒星演化动力三、质量互变是恒星演化主要规律

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第四章星系

§4.1银河系

一、银河系结构二、银河系运动三、星族四、银河系经典理论与起源学说介绍

第25页§4.2河外星系

一、河外星系分类二、星系团三、银河系附近三个著名星系四、多普勒效应和谱线红移五、河外星系起源演化介绍第26页§4.3正常星系和特殊星系

一、正常星系二、特殊星系三、类星体四、哈勃常数五、类星体红移可能机制和能量起源六、类星休研究最新结果

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第五章特殊天体§5.1白矮星和黑矮星

一、白矮星二、黑矮星§5.2中子星和脉冲星一、脉冲星二、中子星

三、脉冲双星和引力波探测

第28页§5.3黑洞和白洞

一、引力坍缩与黑洞二、黑洞性质三、寻找黑洞四、天鹅座X-1特征五、黑洞研究最新结果六、白洞和虫眼七、白洞性质

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第六章宇宙论§6.1两种不一样时空观

一、牛顿时空观二、相对论时空观

第30页§6.2大爆炸宇宙模型

一、消除不掉噪声二、宇宙起源大爆炸理论三、背景辐射确实认四、背景辐射均匀性

§6.3宇宙形状和年纪

一、宇宙形状二、宇宙年纪

第31页§6.4宇宙学其它模型

一、稳恒态模型二、疲劳光宇宙论三、阿普天体四、星系和反星系五、收缩宇宙

六、小结第32页§6.5宇宙暴胀模型

一、大爆炸理论缺点二、大统一理论三、暴胀宇宙模型

第33页§6.6宇宙中其它问题一、下落不明质量二、宇宙中暗能量三、宇宙线及其起源四、化学元素产生五、宇宙中常数六、引力波七、人类面临挑战

第34页§6.7宇宙中哲学问题

一、宇宙起源中辩证法二、宇宙演化中辩证法

第35页 第七章地外生命

§7.1关于生命

一、生命定义

二、生命存在条件

三、生命起源太空拍摄地球部分表面第36页§7.2地外生命

一、地外存在依据二、地外生命探测§7.3地外文明

一、地外文明存在可能性二、地外文明分类三、地外文明探索四、UFO现象火星上液态水迹象第37页第八章霍金宇宙

§8.1一个好汉三个帮一、费因曼二、瑞斯三、哈特尔四、彭罗斯五、索恩第38页§8.2时空奇点

一、奇性定理二、奇点消失8.3黑洞不是那么黑了一、不确定原理二、黑洞辐射三、黑洞不是那么黑了四、黑洞空间弯曲第39页§8.4时空再认识

一、时间形态二、虛时间三、p-膜理论四、全息术在高维空间中应用五、从膜到泡泡六、回到从前

第40页§8.5量子引力论

一、什么是量子引力论二、量子引力论特征三、量子引力论困难所在

§8.6量子宇宙学一、宇宙波函数二、M理论第41页附录一惯用天文常数附录二88个星座名称附录三相关天文学诺贝尔物理学附录四关于本书数据一点说明附录五天文学与宇宙探测大事记参考文件

第42页据美国宇航局太空网报道，美国宇航局“凤凰”号火星登陆器掌握最新数据显示，与最初得出结论不一样，火星北极区表层可能不利于生命存在。今年7月，“凤凰”号显微、电子化学及传导分析仪对两份土壤样本分析发觉，火星土壤可能含有一个有毒物质高氯酸盐，这是一个强氧化物，可创造一个不利于任何潜在生命恶劣环境。这一新发觉与显微、电子化学及传导分析仪第一次分析结果不一样，第一次分析结果显示火星土壤在几个方面与地球土壤相同，包含它pH和所含矿物质，都与地球类似。第43页SQ372运行轨道（蓝色）比海王星、冥王星和“塞德娜”轨道还大天文学家发觉来自奥特云(OortCloud)内部首颗天体游客，为太阳系日益增多星体又增添了新丁。它是一块冰凉岩石，当前与地球之间距离大约32亿公里。

第44页斯隆数字巡天计划测量了所选区域内近25万颗恒星运动，寻找以相同速度飞行星团。这次搜索发觉了14条独特恒星流，其中11条前所未见。美国加州大学圣克鲁兹分校硕士凯文·施劳夫曼(KevinSchlaufman)说，因为这次调查仅仅针对于银河系极少区域，发觉14条恒星流预示着“我们可能会在银河系剩下区域内发觉大批恒星流。”科学家绘制出类似于银河系星系理论模型第45页这是一张由美国斯皮策太空望远镜和日本位于夏威夷一具望远镜所拍摄图像合成照片。照片中红绿斑点是这个恒星制造工厂最活跃部分第46页这一遥远星系恒星生成速度每年最多可达4000颗，相比之下，我们银河系生成恒星速度平均每年只有10颗。加州理工学院美国宇航局斯皮策(Spitzer)科学中心彼得·卡帕克说：“这个星系正经历着一次大规模生育高峰，一次性生成了它大部分恒星。假如我们人类以类似高峰生产话，那今天几乎全部些人活着人都是同岁。

这是5亿光年外一个星系ZwII96，新发觉恒星工厂与ZwII96看起来有些相同。第47页3颗“超级地球”围绕左方恒星公转想象图，最大一颗“超级地球”质量是地球9.4倍。日内瓦天文台学者年7月16日在研讨会提出最新发觉，他们在距离剑鱼座与绘架座大约42光年（1光年距离约为9.5兆公里）天空中，发觉1颗恒星与3颗行星，这颗恒星比太阳略小，但围绕它运行3颗行星质量都比地球大，其中1颗大约是地球4.2倍，另2颗分别为6.7倍与9.4倍。3颗行星公转速度分别是4、10天与20天，比起地球公转一周要365天，速度快了许多。

第48页J1903+0327号中子星可能还受到其它恒星影响天文学家们日前发觉了一颗极为罕见中子星－－不知是何原因，其绕另外一颗恒星旋转轨道表现出了非常奇怪特点。这颗中子星编号为J1903+0327，距离地球约2.1万光年（约9.5万亿公里）。通常情况下，脉冲射电源所围绕旋转都是一颗已经死亡恒星－－白矮星，而前者运行轨道几乎都是标准圆形。但新发觉J1903+0327却并非如此。不过，有澳大利亚学者宣称已经成功揭开了围绕在该天体周围谜团。他们指出，J1903+0327轨道之所以会出现“偏差”，主要是因为其所围绕旋转恒星出现了“偏差”。第49页此电脑模拟图显示一颗中子星从伴星大气中吸收气体第50页银河系中央潜伏着一个巨大黑洞，身处黑洞附近天体都会逐步地被黑洞吞噬，并最终消失地无影无踪，也就是说在理论上黑洞附近是不可能存在任何天体。但科学家近日经过研究发觉，一大群巨大恒星漂浮在我们银河系中央，它们就神秘地盘旋在黑洞附近。这些体积巨大恒星是怎样在黑洞附近形成，这一问题一直让天文学家感到迷惑，它们本不应该在黑洞附近形成，就像其它被黑洞吞噬天体一样，当日体还是巨大气体云时候，气体云就会被黑洞附近巨大引力撕裂，然后逐步被黑洞吞噬。第51页双星系统4U1636-53中子星天天暴发好几次第52页科学家4月30日表示，他们首次发觉在巨大宇宙合并发生之后，待在母星系中一个巨大黑洞被弹射出来了。

当二个碰撞星系最终合并时，按理说它们中心黑洞也应该一同融入其中。但天文学理论认为，由此释放巨大能量能将新近形成黑洞弹射出其母星系，进入太空中。不过，一直以来都还没有些人看到此事件发生。

第53页为了纪念哈勃飞行10万次，科学家们将哈勃望远镜对准NGC2074星团附近一个星云一部分

第54页西班牙天文学家日前宣告，他们发觉了迄今为止最小太阳系外行星。该行星拥有固体表面和较为浓密大气层，体积仅为地球1.5倍。这颗新发觉行星已被命名为GJ436c，位于狮子座以颗编号为GJ436红矮星旋转，距离地球约30光年。据悉，GJ436c号行星发觉主要得益于一项并不算很新技术：经过观察那些遥远恒星附件大型气态行星运行情况，便有可能找到那些距离恒星相对较远且体积较小行星，其中也包含那些拥有固体表面行星。借助类似技术，科学家们在过去一个世纪中还发觉了海王星。第55页天文学家24日宣告他们发觉了一颗和木星差不多大新行星，名叫"CoRot-Exo-4b"，CoRot-Exo-4b属于麒麟星座，距离我们太阳系大约3000光年。天文学家认为它主要是由气体组成，和木星组成差不多。当前从地球上还看不到此行星，但到今年秋天就能够一睹其真面目了。此行星围绕其恒星运转一周需要9.2天，是当前所发觉全部凌日太阳系外行星中公转周期最长一颗行星。科学家表示去造访此行星是不可能，这不但仅因为它距离我们太遥远，还因为它温度太热且气体太多。即使科学家能建造出以光速行驶飞船，此旅行也得花3000年才能抵达。第56页当前有一个非常流行理论认为，宇宙中其实充满了各种微生物，地球生命最初可能也起源于太空。太空中生命力极强微生物跟随彗星或陨星一起坠落到地球表面，最终形成地球生命。这一全新理论一度引发广泛争论。据英国开放大学微生物学家查尔斯-科克尔介绍，试验表明，一些微生物被送入太空后，依然能够在太空中恶劣环境下继续生存。而且伴随越来越多微生物在极端环境中被发觉，生命在太空极端环境中生存可能成为现实。在很快前，科克尔理论甚至引发了外界嘲笑。不过伴随人们对地球和太空了解愈加深入，该理论将不再仅仅被认为是牵强附会，甚至有可能被冠以“银河有生源”之类学说名称。第57页身为天文兴趣者一名荷兰小学教师发觉了一个奇怪气态天体，一些人将它称作“宇宙幽灵”。这个天体中间有一个洞，可能是一个新型天体。这个绿色天体由极其炙热气体组成，附近IC2497星系余光将它照亮。沙温斯基说：“我们认为在很快过去，IC2497星系可能是一个非常明亮类星体栖息地。”他表示，该星系在过去发出光，当前仍照耀着这个天体，不过这个类星体已经在大约10万年前瓦解，该星系黑洞也变得非常平静。第58页由太空望远镜观察