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第一讲 宇宙概况 主讲人：赵向华 天文奥赛培训课程 宇宙，是我们所在的空间， “宇” 的本义是指“上下四方” 宇宙，又是我们所在的时间， “宙”的本意就是指“古往今来”。 一、人类对宇宙的探索历程 二、宇宙的组成 三、宇宙的形成宇宙大爆炸学说 四、黑洞 “浑仪”是我国古代 的一种天文观测仪器。 在古代，“浑”字含有圆 球的意义。古人认为天 是圆的，形状像蛋壳， 出现在天上的星星是镶 嵌在蛋壳上的弹丸，地 球则是蛋黄，人们在这 个蛋黄上测量日月星辰的位置。 因此，把这种观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。 一、人类对宇宙的探索 1、中国对宇宙的探索 日晷又称“日规”，是我国古代利 用日影测得时刻的一种计时仪器。 通常由铜制的指针和石制的圆盘 组成。铜制的指针叫做“晷针”， 垂直地穿过圆盘中心，起着圭表 中立竿的作用，因此，晷针又叫 “表”，石制的圆盘叫做“晷面”，安 放在石台上，呈南高北低，使晷 面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极 ，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻划出12 个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷 上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动 ，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。于是 ，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则 是钟表的表面，以此来显示时刻。 漏刻是我国古代一种计量时间的 仪器。最初，人们发现陶器中的水会 从裂缝中一滴一滴地漏出来，于是专 门制造出一种留有小孔的漏壶，把水 注入漏壶内，水便从壶孔中流出来， 另外再用一个容器收集漏下来的水， 在这个容器内有一根刻有标记的箭杆， 相当于现代钟表上显示时刻的钟面， 用一个竹片或木块托着箭杆浮在水面 上，容器盖的中心开一个小孔，箭杆 从盖孔中穿出，这个容器叫做“箭壶”。随着箭壶内收集的水 逐渐增多，木块托着箭杆也慢慢地往上浮，古人从盖孔处 看箭杆上的标记，就能知道具体的时刻。 后来古人发现漏壶内的水多时，流水较快，水少时流水 就慢，显然会影响计量时间的精度。于是在漏壶上再加一 只漏壶，水从下面漏壶流出去的同时，上面漏壶的水即源 源不断地补充给下面的漏壶，使下面漏壶内的水均匀地流 人箭壶，从而取得比较精确的时刻。 哥白尼（Nicolaus Copernicus， 1473-1543），波兰天文学家、日心说创立者， 近代天文学的奠基人。 哥白尼经过长期的天文观测和研究，创 立了更为科学的宇宙结构体系日心说，从 此否定了在西方统治达一千多年的地心说。日 心说经历了艰苦的斗争后，才为人们所接受， 这是天文学上一次伟大的革命，不仅引起了人类宇宙观的重大革新而 且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论支柱。“从此自然科学 便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大踏步前进”（恩格 斯自然辩证法）。 哥白尼著有阐述日心说的天体运行论（1543年出版）， 由于受到时代的局限，在日心说中保留了所谓“完美的”圆形轨道等点。 其后开普勒建立行星运动三定律，牛顿发现万有引力定律， 以及行星光行差、视差相继发现，日心说遂建立在更加稳固的科学 基础上。 2、国外对宇宙的探索 开普勒（1571-1630），德国天文学家。 1600年，开普勒到布拉格多年积累的 观测资料，仔细分析研究，发现了行星沿 椭圆轨道运行，并且提出行星运动三定律 （即开普勒定律），为牛顿发现万有引力 定律打下了基础。他的主要著作有宇宙 的神秘、光学、宇宙和谐论、 哥白尼天文学概要、彗星论和 稀奇的1631年天象等。其中，在 宇宙和谐论中，开普勒找到了最简单的世界体系，只需7个 椭圆就可以描述天体运动的体系了； 在彗星论中，他指出 彗星的尾巴总是背着太阳，是因为太阳排斥彗头的物质造成的， 这是距今半个世纪以前对辐射压力存在的正确预言；此外，开普 勒还发现了大气折射的近似定律。 爱因斯坦（1879-1955），举世闻名的德裔美 国科学家，现代物理学的开创者和奠基人。 十九世纪末期是物理学的变革时期，他的量 子理论对天体物理学、特别是理论天体物理学都 有很大的影响。理论天体物理学的第一个成熟的 方面恒星大气理论，就是在量子理论和辐射 理论的基础上建立起来的。爱因斯坦的狭义相对 论成功地揭示了能量与质量之间的关系，解决了 长期存在的恒星能源来源的难题。近年来发现越 来越多的高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最 基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解 之谜，并推断出后来被验证了的光线弯曲现象，还成为后来许多天 文概念的理论基础。 爱因斯坦对天文学最大的贡献莫过于他的宇宙学理论。他创立 了相对论宇宙学，建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型， 并引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念，大大推动了现代天文学 的发展。 20世纪科学的智慧和毅力在 霍金的身上得到了集中的体现。他 对于宇宙起源后10-43秒以来的宇 宙演化图景作了清晰的阐释. 宇宙的起源：最初是比原子还 要小的奇点，然后是大爆炸，通过 大爆炸的能量形成了一些基本粒子， 这些粒子在能量的作用下，逐渐形 成了宇宙中的各种物质。至此，大 爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而， 至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持。 二、宇宙的组成 宇宙是物质的，物质以各种形态存在的， 聚集态的构成星体，弥散态的构成星云， 即云雾状的天体，弥散于广漠的星际空间 ，极其稀薄称星际物质，包括星际气 体和星际尘埃，所有这些物质统称为天体 。 1、星体 恒星、行星、卫星、流星、彗星等 恒星是在熊熊燃烧着的星球。一般来说，恒星的体积和质量都比 较大。只是由于距离地球太遥远的缘故，星光才显得那么微弱。 古代的天文学家认为恒星在星空的位 置是固定的，所以给它起名“恒星”，意思 是“永恒不变的星”。可是我们今天知道它 们在不停地高速运动着，比如太阳就带着 整个太阳系在绕银河系的中心运动。但别 的恒星离我们实在太远了，以至我们难以 觉察到它们位置的变动。 恒星发光的能力有强有弱。天文学上 用“光度”来表示它。所谓“光度”，就是指从恒星表面以光的形式 辐射出的功率。恒星表面的温度也有高有低。一般说来，恒星表 面的温度越低，它的光越偏红；温度越高，光则越偏蓝。而表面 温度越高，表面积越大，光度就越大。从恒星的颜色和光度，科 学家能提取出许多有用信息来。 2、星云 星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作 用下，某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集 起来，形成云雾状。人们形象地把它们叫做“星云”。 按照形态，银河系中的星云可以分为弥漫星云、行 星状星云等几种。 弥漫星云正如它的名称一样，没有明显的边界 ，常常呈不规则形状。它们的直径在几十光年左右 ，密度平均为每立方厘米10-100个原子（事实 上这比实验室里得到的真空要低得多）。它们主要 分布在银道面（HOTKEY）附近。比较著名的弥漫 星云有猎户座大星云、马头星云等。 玫瑰状星云 仙后座星云 女巫状星云 锁眼星云 行星状星云 鹰状星云 马头状星云 三、宇宙的形成-宇宙大爆炸 1932年勒梅特首次提出了现 代宇宙大爆炸理论： 整个宇宙最初聚集在一个“原始 原子”中，后来发生了大爆炸， 碎片向四面八方散开， 形成了我们的宇宙。 美籍俄国天体物理学家伽 莫夫第一次将广义相对论融入 到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始 于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十 亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。 1965年，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙 背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是 宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大 爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此 获1978年诺贝尔物理学奖。 20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身 上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后 10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的 阐释. 宇宙的起源：最初是比原子还要小的 奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量 形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的 作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。 至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而， 至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持。 宇宙大爆炸 超新星 M82发生星爆活动 仙后座A的超新星 宇宙学的最重要结论之一，是由观察到的星系红 移现象和哈勃定律所推论得到宇宙正在膨胀的结 论。由这个宇宙正在膨胀的结论，若将时间反推 ，就可以得到另一个结论：宇宙开始于一个时空 奇点。这是一个须要相当的抽象数学基础才能理 解的概念，是有可能符合现实的时空模型。这个 推论使得大爆炸理论开始发展，并成为当今宇宙 学的研究主流。根据该理论“时间 = 0” 的时空 起点估计距今约在137亿（13.7 109）年前，误 差2亿年。但是，这个估计数据的正确性是基于大 爆炸理论的模型也是正确的前提。 红移：光的多普勒效应：大多数恒星的光 谱里，在紫外光部分都有两条暗线，被钙 气吸收所致，可是遥远星系里的两条暗线 悄悄移向红端，这种现象叫红移。星 系距离越远，红移越显著，甚至移到红光 一端。这种某频率谱线的位移现象说明天 体正在与观测者作相对运动。光谱发生红 移（波频率降低波长变长）天体退行，反 之，紫移，接近-测天体视向速度的方 法。 返回 多普勒效应： 由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感 到频率发生变化的现象，叫做多普勒效应 火车的汽笛声在列车向你奔驰而来时，音调会变 高，掠你而过时声音马上就会低沉下来。这并不 意味着声源发生变化，由于声源与观测者的相对 运动所致。 返回 哈勃定律：1929年美国的天文学家哈勃研 究星系光谱发现，谱线红移是一个普遍现 象，若把这看作多普勒效应的结果，除本 星系群的少数星系外，所有星系都以很高 的速度背离我们飞驰远去，星系退行的速 度同他的距离成正比，V d。河外星系 的视向退行速度与距离成正比，即距离越 远，视向速度越大。 返回 奇点：是一个密度无限大、质量无限大、 时空曲率无限高、热量无限高、体积无限 小的“点” 。 返回 宇宙大爆炸学说：150亿年前，整个宇宙一片 黑暗，突然有一天，宇宙发生大爆炸，宇宙的构 成物质是一种密度非常大的物质，温度极高，此 时宇宙中只有中子、质子、电子、光子和微子等 基本粒子形态的物质，由于高温和物质极不稳定 ，宇宙不断膨胀，当宇宙年龄10-44秒时，温度达 到1032摄氏度，经过10-34秒时，突然发生巨大爆 炸，体积扩大1029倍，温度随球体爆炸迅速下降 ，大爆炸30万年，温度达到3000摄氏度，宇宙开 始变得透明，开始形成化学元素。 返回 四、黑洞 黑洞：是根据现代的物理理论和天文学理论，所 预言的在宇宙空间中存在的一种天体区域。黑洞 是由一个质量相当大的天体，在核能耗尽死亡后 发生引力塌缩后形成。根据牛顿万有引力定理,由 于黑洞的第一宇宙速度过大连光也逃逸不出来,故 名黑洞.在此区域内的万有引力非常强大，任何物 质都不可能从此区域内逃逸出去，甚至光线都被 它强大的引力拉回，因此黑洞不会发光，不能用 天文望远镜看到，是黑漆漆的天体，但天文学家 可借观察黑洞周围物质被吸引时的情况，找出黑 洞位置。 “黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个 “大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这 样一种天体：它的引力场是如此之强，就连 光也不能逃脱出来。 根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。 当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几 乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光 可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径 越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的 光就将沿弯曲空间返回恒星表面。 等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”） 时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变 成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质 一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。 黑洞的形成 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子 星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过 程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的 燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再 也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳 的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度 大的星体，重新有能力与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的 恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星 的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值， 那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另 一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中 心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的 “点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)， 正像我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无 法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系“黑 洞”诞生了。 黑洞的特性 与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如， 黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科 学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么， 黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是 弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。 这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论， 空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍 然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不 是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要 走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原 来的方向。 谢谢大家！ 祝大家中秋愉快！ 下周再见！ JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x- 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