高老师的通识课.2014宇宙篇1

科技进步与人类文明课程介绍 围绕宇宙科学、地球科学、物质科学、生命科学四大体系的发展、基本内容及对技术进步、人类文明的重大影响进行讨论。宇宙科学篇 第一章 人类对宇宙的认识过程 第二章 宇宙的起源的大爆炸模型 第三章 恒星的演化 第四章 恒星的演化 第五章 时空旅行的科学幻想第一章 人类对宇宙的认识过程1.1 古代天文历法1.2 何处是中心？2.1.2 古今中外描述宇宙的模型 2.1.2 从太阳系到广阔的恒星世界 2.1.3 银河系的发现 2.1.4 发现河外星系中国古代天文历法 我国是世界上最早进入农耕社会的国家之一（最早种植粟、水稻的国家），而农业生产要求有准确的农事季节，历法非常重要，所以古人观测天象非常精勤。 尚书尧典：乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时。说明在传说中的帝尧（约公元前二十四世纪）的时候已经有了专职的天文官，从事观象授时。中国古代天文历法 夏、商、周三代以上是尧舜治世，是我国古史中的黄金时代。但那时没有钟表和月历，要知道时间、季节、方位，都得仰看日月星辰。日出而作，日入而息，作息时间表画在天上。所以人人皆知天文。 尧典中日中星鸟，以殷仲春日永星火，以正仲夏宵中星虚，以殷仲秋日短星昴，以正仲冬四句话，说的就是根据黄昏时南方天空所看到的不同恒星，来划分季节。 七月流火见诗经豳风七月，三星在户见诗经唐风绸缪。七月流火的真实意思，是说在农历七月天气转凉的时节，天刚擦黑的时候，可以看见大火星从西方落下去。在室内从开着的门户可以看见挂在天边的三星，三星：一说参宿三星（猎户座腰带三星）；二说心宿三星（天蝎座三亮星）；三说河鼓三星（天鹰座三亮星）。 中国古代天文历法1、天文世界上最早的日食、月食、太阳黑子和哈雷彗星的记录石氏星经是世界上现存最古老的星表；创制浑仪、简仪等天文观测仪器。2、历法夏朝有了历法夏小正，商朝改进为殷历。元朝郭守敬编订授时历，是我国古代最优秀的历法，比现行公历早300年。中国古代天文历法 夏小正由经和传两部分组成，全文共四百多字。按夏代十二个月的顺序，分别记述每个月的星象、气象、物象以及所应从事的农事和政事。中国古代天文历法 授时历，为公元1281年（元至元十八年）实施的历法名，因元世祖忽必烈封赐而得名，原著及史书均称其为授时历经。其法以365.2425日为一岁，距近代观测值365.2422仅差26秒，精度与公历（指1582年格里高利历）相当，但比西方早采用了300多年。中国古代天文历法 四时：指春夏秋冬四季。农历以正月、二、三月为春季，分别称作孟春、仲春、季春；以四月、五月、六月为夏季，分别称作孟夏、仲夏、季夏；秋季、冬季以此类推。 一年分为二十四个节气，古代叫做节，或叫做气。每月有两个节气，在前者叫做节气，在后者叫做中气。最初的时候，大约只规定了四个节气，即春分、夏至、秋分、冬至。简称分至。最后规定为二十四个节气，在淮南子中，二十四个节气已经具备。中国古代天文历法中国古代天文历法第一章 人类对宇宙的认识过程2.2 何处是中心？2.1.2 古今中外描述宇宙的模型 2.1.2 从太阳系到广阔的恒星世界 2.1.3 银河系的发现 2.1.4 发现河外星系哥白尼革命-日心说 1543年在科学史上是极为重要的一年，哥白尼出版了天体运行论了。提出了日心说，比较合理地解释了行星的不规则运动及其他天体的运动现象，地球不再是宇宙的中心，从而使圣经赋予它的特殊身份完全丧失了-宇宙不因地球而存在，也就不再有什么天堂与地狱之分，摧毁了地球居于宇宙中心是上帝安排的神学宇宙观，给宗教神学以沉重的打击。因此引起教会的惊恐和不安，天体运行论也被教廷列为禁书。 布鲁诺(15481600年) 是意大利著名思想家、学者，出生于那不勒斯附近的小镇。他冲破反动教会的重重阻力，热情地宣传哥白尼的太阳中心说，通过论原因、本原和同一、论无限宇宙和世界等著作，从多方面补充了哥白尼的学说，并且比哥白尼还前进了一大步。他认为宇宙是无限的，太阳不过是无数恒星之一，宇宙中可以居住的星球也是无限多的。 布鲁诺因坚持日心说并宣扬宇宙无限的思想，在1600年被教会判火刑焚死在罗马。“欧洲星学之王”第谷布拉赫 1572年11月11日第谷发现仙后座中的一颗新星（银河系的一颗超新星），第二年发表论文新星，后来受丹麦国王腓特烈二世的邀请，在汶岛建造天堡观象台，建造了许多大型精密的天文仪器，经过20年的天文观测，第谷发现了许多新的天文现象。 第谷布拉赫曾提出一种介于地心说和日心说之间的宇宙结构体系：地球静居中心，行星绕太阳运行，而太阳则带领行星绕地球运转。这一体系十七世纪初传入我国后曾一度被接受。第谷对天文学的贡献是不可磨灭的，他用肉眼观测行星运动，比以前的观测几乎准确了20倍，是他同时代的人望尘莫及的。第谷编制的一部恒星表相当准确，至今仍然有使用价值。“天空立法者”开普勒（15711630年） 牛顿（1642-1727年）万有引力学说 伽利略、开普勒等人研究工作的基础上，英国物理学家牛顿把物体的运动规律归结为三条基本运动定律和万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系。这样，他就把过去一向认为是截然无关的地球上所谓“世俗”的运动和日月星辰那些属于神圣的“天堂”的运动统一在同一理论框架之中。这可以说是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合。 万有引力定律，为哥白尼的学说奠定了理论基础，为地心说划上了句号。更广阔的恒星世界-银河系的发现 18，19世纪是太阳系天文学发展的鼎盛时期。 17l8年，哈雷将自己的观测同1000多年前托勒密时代的观测结果相比较，发现有几颗恒星的位置已有明显变化，首次指出所谓恒星不动的观念是错误的。 1837年，斯特鲁维测定了织女星与太阳的距离为日地距离（1.5亿公里）的165万倍，远远超出了太阳系的边界（日地距离的40倍）。更广阔的恒星世界-银河系的发现 18世纪中，瑞典的斯维登堡、英国的赖特推测，“银河”是一个大量恒星组成的“磨盘”状体系，太阳系虽在其内，可能并不在中央 。 赫歇尔兄妹用大量的系统观测事实发现，“银河是一个盘状旋臂结构的星系”，与今天的结论十分接近。是天文学上的第二个里程碑。 1918年，沙普利得出银河系是一个直径达10万光年的庞大的透镜形天体系统，确认太阳并不处于其中心的正确结论。观天巨眼-望远镜 望远镜的的性能不断提高。1845年，威廉帕森斯建造了口径1.8米，重达10吨的望远镜。而罗斯伯爵的这架望远镜，镜片的直径足有1.8288米宽，它是当时世界上最大和倍率最高的望远镜。使用这架望远镜，帕森斯看到了一个呈旋涡状的美丽星云。观天巨眼-望远镜第一节 宇宙起源的传说第二节 现代宇宙学的诞生第三节 宇宙大爆炸理论模型 第一节 宇宙起源的传说盘古开天地的神话故事最早见于三国时吴人徐整著的三五历纪。记曰天地混沌如鸡子，盘古生其中。万八千岁，天地开辟，阳清为天，阴浊为地。盘古在其中，一日九变，神于天，圣于地。徐整的宇宙观是中国古代浑天说的发展， 宇宙的秘密1842年，奥地利物理学家多普勒发表了一篇讨论双星颜色的论文。他认为，如果有两颗恒星在万有引力作用下，围绕同一轨道运行。其中一颗朝向我们运动，而另一颗则远离我们运动。若让来自这两颗星的光通过三棱镜，仔细观察它们的光谱，就会发现不仅光的波长有变化，光的颜色也完全不同。宇宙的秘密，就隐藏在这光线里。多普勒效应多普勒效应当波源与接收器相对运动时，接收器接收到的信号频率与波源的频率不同，这种现象称为多普勒效应。结论：波源运动远离观测者， 接收到的波长变长，频率变小， 反之观测到的波长变短，频率变大。哈勃定律 多普勒发表双星颜色的论文78年以后，美国天文学家哈勃，运用光谱位移的原理，在宇宙观察上作出了重大发现。 哈勃发现，大部分星系的光谱都发生了红位移，距离越远的星系红移量越大。根据多普勒效应，这意味着所有的星系都在远离我们，而且离我们越远的星系，退行的速度也越快。 哈勃定律的重要意义在于，它显示出宇宙中的星系，就像一个膨胀气球上的斑点，彼此分散那样运动。 哈勃定律给人错觉： 宇宙以我们为中心向外膨胀，但如果遵循哥白尼的思想，认为我们在宇宙中并不处于特殊的中心位置，也就是说哈勃定律对任何星系说来都是成立的，直接的推论就是：字宙中所有的星系都在彼此远离，即宇宙处于普遍的膨胀之中！ 剑桥大学的数学家弗里德霍伊尔对宇宙有一个起点的说法，提出了一系列质疑，认为大爆炸理论很荒谬。他问道：如果说宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸之前难道就没有宇宙吗？这从哲学上让人感到困惑。 霍伊尔又提出一个尖锐的问题：“如果宇宙起始于一次大爆炸，在那种高温高热状态下所产生的辐射，一定会在太空中留下某种痕迹，即使是在大爆炸已经过去了140亿年的今天，也应该能找到哪怕一丁点儿辐射痕迹的残留。可问题是，这个痕迹能找到吗？ 霍伊尔以命名了“大爆炸”（BIG BANG）一词而出名，同时他又强烈地反对这一理论 1946年，一位移居美国的前苏联科学家伽莫夫，和他的学生就在研究这个问题。他们坚信，高热爆炸产生的辐射，即使是100多亿年后的今天，也不会完全消失。 宇宙大爆炸是在整个宇宙中发生的过程，无论我们向哪个方向看，都能看到这些光。随着宇宙的膨胀，这些光的波长也随之增加，现在处于毫米波的微波波段，温度也已经低到绝对零度（零下273度）以上几度，所以肉眼看不见了，但还是应该能用仪器探测到。 哈勃的观测证实了膨胀的宇宙，时间回头看，所有的星系将越来越靠近。越早期宇宙就越小，就会有某个时刻，宇宙处在非常致密的状态。 这便是 奇异点。宇宙的创生点，宇宙创世纪。 大约在140多亿年，宇宙中的所有物质都有集中在一个比原子还小的点，这就是奇点。大爆炸宇宙论要点 在创世前，宇宙只有基本粒子形态的物质，全部物质和能量集中在一点-奇点，在这点，所有的物理宣告都有失效。 这样一个极小的空间聚焦了极大的能量，物质密度极大，温度极高，在100亿度以上。 这样极高的温度极大的质量，终于在某个时刻，发生了巨大的爆炸，大爆炸使物质四散飞出，整个体系在不断膨胀，温度很快下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。让我们勾画这样一部宇宙历史： 宇宙最早创生期年龄仅有10-44 s，它是一个温度极高的灼热奇点。 宇宙的极早期，年龄为10-3510-33s秒瞬间，宇宙发生“暴涨”，在一切方向空间膨胀约1040倍。 宇宙早期，宇宙年龄约为100s，宇宙膨胀的结果，温度下降，高速运动的基本粒子形成原子核，进而与电子结合形成各种轻元素的原子。 当宇宙到达10万年之后，宇宙进入近期，引力使宇宙由均匀进入有结构状态，形成各种尺度的星体及星体体系。 在宇宙的极早期-大爆炸后10-35到10-33秒瞬间，宇宙发生“暴涨”，在一切方向迅猛空间膨胀约1040倍。 时间是随着宇宙爆炸而产生的。宇宙从这个起点开始，一瞬间就发生了急剧的暴涨。就是这个暴涨产生了时间、空间和物质。 到大爆炸后约30万年，遗留遍布的热气体，发出的辐射才可以到处穿透，成为“宇宙背景辐射”。 1989年，美国航空航天局将COBE卫星送上太空。COBE 的观测结果就表明，宇宙微波背景辐射确实具有完美的黑体辐射谱，大爆炸理论得到进一步的证实。 美国的皮伯斯和前苏联的泽尔多维奇等人认为，早期宇宙中，物质密度可能存在一些非常微小的不均匀性，它们在引力的作用下逐渐成长为星系、星系团、以及更大尺度的结构。 2003年2月12日,美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”,为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。根据这张照片,科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是137亿年，误差为5亿年。 2008年，科学家们在对“威尔金森微波各向异性探测器”(WMAP)传回的观测数据进行分析和计算后宣布，宇宙的准确年龄约为137.3亿年(正负误差不超过1.2亿年)。 威尔金森微波背景辐射各向异性探测器（WMAP）拍摄的整个天空宇宙微波背景辐射的照片-大爆炸后38万年时发射出来的宇宙背景辐射，如果把已经具有137亿年寿命的宇宙比作80岁的人，那么38万年的宇宙就相当于出生不到20小时的新生