物理与人类文明chapter60

1、茫茫宇宙有无边际？芸芸众生身在何处？太阳系是否有特殊之处？我们生活的宇宙是否像生命一样有生死？当人类的智慧进步到超过一般动物的时代，他们就不可能不注意到天穹上永恒的现象和日月星辰的运动与和谐。 中国古代上至帝王将相，下至普通百姓对宇宙、天文都有浓厚的兴趣。目前中国台湾“中央研究院”就保存有一片甲骨，其上所刻甲骨文的内容是世界上首次关于新星（Nova）的观察记录。SN1006 残骸超新星SN1006是历史记载中最亮的超新星，中国对其有非常详细的记载，宋代的天文学家称其为周伯星。宋史第五十六卷天文志上详细记载：“景德三年四月戊寅，周伯星见，出氐南，骑官西一度，状如半月，有芒角，煌煌然可以鉴物，历库

2、楼东。八月，随天轮入浊。十一月复见在氐。自是，常以十一月辰见东方，八月西南入浊。”现代天文学家将它编为SN1006。中国对SN1006爆发的细致记载对其研究提供了有价值的历史文献占星术 希腊人的宇宙观 古代民族观察天象，只从实用的或者神秘的观点出发，而且对于观测只有叙述，并不加以解释（有时会附会上神话的故事）。 希腊人自公元前4世纪以后，首先从非功利的观点，使用科学方法，来研究天体的现象与运动，他们只想追求一个合理的解释，并不企图去推测未来的天象。 工作的人 智慧的人 Anaximander（BC 610-545)等认为地是薄薄的圆片，漂浮在空气的旋涡里，孤立在球状宇宙的中心。 Pythago

3、ras (BC580-500)等，首先发现地是球形的。 6.1 6.1 传统的宇宙观及其不足传统的宇宙观及其不足6.2 哈勃的发现哈勃的发现 6.3 宇宙的起源宇宙的起源 6.4 大爆炸模型的观察证明大爆炸模型的观察证明 6.5 宇宙的命运宇宙的命运6.6 二十一世纪宇宙学面临的问题二十一世纪宇宙学面临的问题6.1 6.1 传统的宇宙观及其不足传统的宇宙观及其不足6.1.1 传统的宇宙观传统的宇宙观 起源说 轮回说 永恒说6.1.2 永恒宇宙与热力学的矛盾永恒宇宙与热力学的矛盾6.1.3 夜空为什么是黑暗的夜空为什么是黑暗的6.2 哈勃的发现哈勃的发现波的多普勒效应波的多普勒效应6.2 哈勃的

4、发现哈勃的发现恒星距离的测定恒星距离的测定 同类恒星（例如有相同的组分，大小等）具有相同的固有亮度，但它们的“视亮度”与离开我们的距离平方成反比，因此可通过同类恒星的视亮度的变化可测出他们距开我们的距离。哈勃定律哈勃定律vH R6.3 宇宙的起源宇宙的起源 6.3.1 大爆炸模型（大爆炸模型（Big Bang）从 秒到 秒宇宙经历了一次暴胀过程。随后宇宙继续膨胀，温度下降，不同的温度下会发生不同的粒子反应过程。首先是夸克阶段。103535103310 轻子自湮灭的轻子阶段，延续到0.1秒。 1秒种时已有等量的质子和中子， 100秒时，温度降到了10亿开，中子与质子合成为氘核。然后氘核合成为氦核

5、。 1万年后，温度降到了1万开，开始了物质阶段。 10万年时温度到了3000K，电子可以和质子复合成为中性的氢原子。继续冷却，成恒星和星系银河系只不过是“四维球的三维球面”这个均匀宇宙中的普通一员，不具有任何特殊地位。6.4 大爆炸模型的观察证明大爆炸模型的观察证明6.4.1 伽莫夫的预言伽莫夫的预言1948年一位移居美国的俄国人乔治伽莫夫与他的两位年轻研究生拉尔夫阿尔弗和罗伯特赫尔曼，首先预言如果宇宙起始于遥远过去的某种既热且密的状态，在宇宙年龄仅为几分钟时，它热得足以使每一个地方都发生核反应（大爆炸），其散落的残余辐射由于宇宙的膨胀而冷却，如今它所具有的温度约为绝对温度5K左右， 即存在各

6、向同性、均匀的宇宙背景辐射宇宙背景辐射。6.4.2 宇宙背景辐射的发现宇宙背景辐射的发现 1965年彭齐亚斯和威尔逊十分意外地发现了这种宇宙背景辐射。当时他们正在跟踪一颗Echo号星，来校准一具很灵敏的无线电天线，但他们发现始终存在着一种无法解释的噪声。普林斯顿大学的迪克（Robert Dicke）了解到此情况后，立即认为这正源自于大爆炸的残余辐射，它相当于在电磁波谱中的微波部分，波长为7.35厘米的某种无线电波信号，它对应于2.7K 的热辐射1989年NASA卫星COBE结果与温度为2.73K的纯热辐射作出的理论预言极其吻合6.4.3 原初核合成问题原初核合成问题 宇宙年龄为1秒时，宇宙的温

7、度高达1百亿K，此时介质的主要组分是正负电子，正反中微子和光子及少量质子和中子。 3分钟以后，温度已降到十亿K, 氘开始合成（质子中子=氘核2.2Mev），后续的连锁反应将很快生成氚, 3He, 4He等 原初核合成阶段最主要的产物是4He，其次是D和3He，其数密度比4He低4个量级。 半小时后，原初核合成阶段结束，已形成的原子核留了下来。6.5 宇宙的命运宇宙的命运 6.5.1 宇宙整体的命运宇宙整体的命运 星球都有其对应的逃逸速度，如地球为11.2Km/s。质量越大，半径越小，逃逸速度越大，写成公式为VGMR逸2如月球的逃逸速度为2.4Km/s，即在月球表面发射火箭要容易些。6.5.1

8、宇宙整体的命运宇宙整体的命运宇宙命运与其初始膨胀速度和其物质平均密度有关。目前正以极其接近于临界状态的方式膨胀着。6.5.2 恒星的产生与命运恒星的产生与命运 宇宙“爆炸”十万年后，温度下降到了3000K左右，形成了由中性原子构成的宇宙尘埃。由于万有引力的作用，尘埃像滚雪球一样越滚越大。密度增大到一定程度，内部升温而发出红光。一颗“星”就这样诞生了。温度达1000万开以上时，氢开始通过热核反应而燃烧成为氦核，并放出大量的热能，以抗衡引力的收缩作用而稳定下来，此时就成了一颗恒星。6.5.2 恒星的命运恒星的命运 恒星的生命历程极为规则。天空中的几乎所有星星，都是与太阳类似的恒星，在银河系中就存在

9、着数千亿个恒星，它们的核心正熊熊燃烧着氢。 一旦燃料用光，有着氦核和氢外壳的恒星，在引力的作用下而收缩，密度、压强和温度随之升高，外壳开始膨胀（核心区在收缩）。在1亿度的高温下，新反应像闪电一样快速地突然起爆。在此后的几亿年内恒星又得到暂时的平衡。但是调整的结果是恒星极大地膨胀了，体积将增大10亿倍，在这个过程中恒星的颜色会变红，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就较低。此时的恒星称为红巨星。6.5.2 恒星的命运恒星的命运 在太阳内每秒种有约6亿吨氢变成了氦，其所有的氢都转变为氦可持续100亿年左右，现在已燃烧了约50亿年。 红巨星远不是恒星一生的终结，象太阳或比太阳小的恒星，成为红巨星

10、后，它的外层会脱落，只剩下一个裸露的碳、氧核，8倍以下的恒星最终都将成为1.4倍太阳质量以下的白矮星。 经过数十亿年的冷却，从白矮星到棕矮星最后变成。 对于8倍太阳质量以上的恒星，由于内核质量超过1.4倍太阳质量，在巨大引力的压缩下，温度可升到6亿度以上，碳、氧核还能继续核反应，聚合成氖和镁，使温度升得更高，最后都朝着一个元素铁汇集。 不足维持引力平衡，铁核就会被挤压得更紧密，在0.1秒内温度猛升到50亿度，涌出的光子带有如此大的能量，以致于将铁原子核炸开，蜕变成氦原子核，并吸收巨大能量，并使核进一步收缩，温度持续上升，直到氦核也变成质子、中子和电子。并出现所谓中子化过程。留下称为的内核。整个

11、过程称为超新星爆发。快速旋转的中子星会产生射电脉冲，也叫。6.5.3 神奇的星体神奇的星体黑洞黑洞倍以上太阳质量的恒星将产生更为神奇的星体银河系的结构银河系背景图，黄色星球是太阳，可以看到黑洞的大致飞行路径。 天文学家发现银河系内快速飞行的黑洞天文学家发现银河系内快速飞行的黑洞超新星爆炸后形成的黑洞及其周围的黄色星球艺术效果图 天文学家11月18日表示，宇宙爆炸产生的一个黑洞目前正在以比其周围的星球高出四倍的速度穿过银河系，这一发现也最好地证明了黑洞的确是超新星爆炸后产生的后代。天文学家表示，上述黑洞至少距离地球有6000光年，目前大致方向是朝着地球飞来，但近期不会对地球构成威胁。这次之所以能

12、够发现上述黑洞是因为它从身边的一颗可以看到的星球中“吸取养料”，这颗可以看到的星球每2.6天绕黑洞飞行一周。负责这项研究的法国原子能委员会研究人员弗利克斯-米拉贝尔表示：“这是我们发现的第一个在银河系内部快速飞行的黑洞。”黑洞主要有两种类型，那些规模较大的黑洞主要形成于大型的星系中间，这次发现的是另外一种，即恒星黑洞，它们大多是在大型星球爆炸时产生的。星球爆炸时大多数物质会被炸飞，但如果留下的物质足够大，大约是太阳的3到15倍，那么它们就会形成黑洞。这次发现的黑洞已被命名为“GRO J1655-40”。6.5.4人类的命运人类的命运整个宇宙来说存在着三种可能的命运，但不管是哪一种命运，我们的宇

13、宙最终都将不适宜生命的存在，更不适合人类的生存。因为宇宙无限地膨胀下去，整个宇宙的温度趋于绝对零度，宇宙内将没有供给生命的能量。若宇宙膨胀到一定程度后收缩的话，最终宇宙的密度会越来越高，最终整个宇宙就是一个巨大的黑洞。人类的最终命运似乎非常悲哀，但我们也不必太过失望，根据目前宇宙学的预测整个宇宙适宜生命生存的时间大约可持续2000亿年以上。 6.6 二十一世纪宇宙学面临的问题二十一世纪宇宙学面临的问题6.6.1 暗物质问题暗物质问题在星云周边，随便哪个星，都各以某一速度运动，使得离心力与引力相抗衡。因此我们若测出运动速度及运动半径，我们就能推算出此半径内所包含的物质总量。以星系NGC3192为

14、例，该星系发光的区域范围约为15千秒差距，但到距离中心30千秒差距处，星的速度还在增加，这表示存在看不见的物质。看不见的暗物质不发可见光，红外光或电磁波，但具有万有引力。测量表明可见物质在整个宇宙中只占不到10%。暗物质分为重子暗物质和非重子暗物质（是弱作用粒子，例如中微子，弱作用重粒子WIMP等）。中国与意大利的合作小组曾发现了WIMP存在的迹象。 6.5.2 正反物质的不对称问题根据宇宙大爆炸理论，在宇宙的起始阶段粒子和反粒子是等量的，然而如今的宇宙只有粒子构成的正物质，而找不到由反粒子构成的反物质，这是为什么？是我们还没有找到还是宇宙中已不存在反物质？ 为了寻找宇宙中的反物质，国际上成立

15、了以美籍华人丁肇中为首的国际合作组，于 1998 年用航天飞机发射了核心部件由中国制造的磁谱仪， 并计划于 2003 年建立起空间站。 即使能找到反物质，其量也必定不能同正物质相比，否则宇宙将时时处于激烈的爆炸之中。 那么为什么反物质比正物质少呢？目前有二种可能的解释，一种认为宇宙开始时正、反粒子确实几乎相等，但由于某种涨落存在微小的差别，后来正、反粒子碰到一起转化为能量，只留下我们现称其为正物质那种。另一种解释是日本科学家提出的。认为宇宙间正反物质的不对称是由于反粒子消亡更快些，以致现今的宇宙正物质更多些。 6.5.3 微观与宇宙的统一微观与宇宙的统一 旋转星系 超新星爆发距距 离离(A U

16、 )半半 径径(地 球 )质质 量量(地 球 )轨轨 道道 倾倾 角角(度度 )轨轨 道道偏 心 率倾 斜 度密 度(g /cm3)太太 阳阳01 0 93 3 2 ,8 0 0-1 .4 1 0水水 星星0 .3 90 .3 80 .0 570 .2 0 5 60 .1 5 .4 3金金 星星0 .7 20 .9 50 .8 93 .3 9 40 .0 0 6 81 7 7 .4 5 .2 5地地 球球1 .01 .0 01 .0 00 .0 0 00 .0 1 6 72 3 .4 5 5 .5 2火火 星星1 .50 .5 30 .1 11 .8 5 00 .0 9 3 42 5 .1 9

17、 3 .9 5木木 星星5 .21 1 .03 1 81 .3 0 80 .0 4 8 33 .1 2 1 .3 3土土 星星9 .59 .59 52 .4 8 80 .0 5 6 02 6 .7 3 0 .6 9天天 王王 星星1 9 .24 .01 70 .7 7 40 .0 4 6 19 7 .8 6 1 .2 9海海 王王 星星3 0 .13 .91 71 .7 7 40 .0 0 9 72 9 .5 6 1 .6 4冥冥 王王 星星3 9 .50 .1 80 .0 0 21 7 .1 50 .2 4 8 21 1 9 .6 2 .0 3The Corona is the Suns outer atmosphere. It is visible during total eclipses of the Sun as a pearly white crown surrounding the Sun. The corona displays a variety of features including streamers, plumes, and loops. The X-Ray CoronaflareThe solar wind streams off of the Sun in all direction