自然界物质演化

自然界物质演化第1页，共110页，2023年，2月20日，星期日第三章物质世界的演化发展第2页，共110页，2023年，2月20日，星期日第一节：关于演化的有关理论

18世纪中叶以来，随着近代自然科学的发展，关于自然界历史演化的观点开始形成。自然界的历史性被科学发现逐步揭示出来，成为自然界历史观产生的科学前提。最早把历史观引入对自然界研究的是康德。1755年康德出版了《宇宙发展史概论》，提出了关于太阳系起源的星云假说，这是天文学史上第一个比较完整的天体演化学说。第3页，共110页，2023年，2月20日，星期日康德之后，赖尔把历史演化的观点带进了地质学，提出了地质渐变论。这个学说使人确信，“不仅整个地球，而且地球今天地表面以及生活于其上的植物和动物，也都有时间上的历史。”

1859年达尔文出版了《物种的起源》，从科学的角度提出了生物进化论，揭示了整个生物界的历史性。恩格斯在《自然辩证法》等著作中系统总结了当时自然科学的新成就，从不同角度分析了这些成就对自然界历史观确立的重大意义。第4页，共110页，2023年，2月20日，星期日

一、自然界演化的基本方向

1、序、无序、有序、混沌和负熵流“序”是描述客观事物或系统内部组成元素之间相互关系的范畴“无序”是指客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动的无规则性和不确定性。“有序”指的是客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动，在空间、时间、结构功能等方面显示出一定的顺序、规则，具有某种确定性、方向性和规律性。第5页，共110页，2023年，2月20日，星期日系统的对称性破缺状态对应着有序，自然系统的有序化是对称性破缺的结果，正是由于对称性破缺才使系统向有序化、组织化、和复杂化演化。“混沌”是系统演化的一个方向；混沌并不等于混乱，也不是无序，是确定系统内在随机性，是看起来杂乱无章的有序状态，或说是装扮成无序的有序。是无序与有序的统一。“熵”是系统科学的序的标度，熵是无规律程度的测量，因此负熵流或信息量是系统有序性或组织性的测度。第6页，共110页，2023年，2月20日，星期日2、进化与退化的对立统一进化和退化是自然界中广泛存在的两种趋势和过程。进化与退化之间具有统一性。这种统一性主要表现在以下几方面：进化与退化互相包含。以进化为主的过程往往内在地包含着退化。同样，以退化为主的过程也常常内在地包含着进化。生物进化具有不可逆性，灭绝的物种不可能重新出现，但是生物进化之中也有退化，一些结构和功能的进化，同时也就意味着另一些结构和功能的退化；返祖现象的出现，也是生物进化之中的退化。进化与退化同生共存。进化与退化常常是同时存在和同步发生的。它们往往是一个过程的两个方面。理由在于，一个系统有序程度的提高，需在以负熵流的引入为代价，这相当于系统把熵增转移到了环境之中。或者说系统的进化是以环境中某些方面的退化为代价的。进化与退化相互转化。进化过程在一定条件下会转入退化，而退化过程在一定条件下也可以转入进化。第7页，共110页，2023年，2月20日，星期日

3.演化方向的一般特点

（1）自发性。进化和退化都是事物的自我运动、自我否定。它们不是依据外界的指令而变化，而是在一定外部条件下依据自身内在的机制进行自组织或瓦解。（2）稳定性重建。当原有事物出现失稳情况时，系统才会进入进化或退化过程，其结果是新的稳定状态的确立。（3）间断性。进化和退化主要是在连续性中断中实现的，进化或退化的完成往往要经过突变。当然，间断性并不意味着没有任何中间阶段，但这些中间阶段的稳定性没有保证。第8页，共110页，2023年，2月20日，星期日

二、自然界演化的自组织机制

1、自组织自组织是指没有外界的特定干预，在开放的背景下，外部提供一定的条件下，系统的要素按彼此的相干性、协同性或某种默契，自发地形成一定结构和功能的过程和现象。自组织一般包含着三类过程：由非组织到组织的过程演化；由组织程度低到组织程度高的过程演化；在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。第9页，共110页，2023年，2月20日，星期日2、自组织理论：

系统进化的机制和条件自组织理论是一个学科群，其中最具代表性的有耗散结构理论、协同学、超循环理论突变论。各种自组织理论尽管背景和对象有很大的差别，但都试图解决一个普遍性的问题，即从无序走向有序的条件和机制问题，并取得了不同程度的成功。这些理论从不同侧面揭示了在远离平衡条件下的开放系统形成有序结构的可能性。第10页，共110页，2023年，2月20日，星期日系统由高序到低序、由有序到无序的退化是自发进行的，而由无序过渡到有序、由低序到高序的进化则需要一个组织过程。如果系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，不存在外界的特定干预，是自发进行的，称为自组织。

自然界的自组织第11页，共110页，2023年，2月20日，星期日自组织的过程必须在开放之中才能进行，如果没有系统与外界高温、低温热库交换能量，就不会有实验室条件下的“贝纳德对流花纹”自组织产生的条件

开放系统第12页，共110页，2023年，2月20日，星期日1900年，法国的贝纳德(Bernard，Henri)首次发现了蜂巢状的自组织花纹。在一个透明的碟子里加入一些液体，在炉子上加热，液体在竖直方向上便产生一个温度差。当液层顶部和底部之间的温度差达到一个阈值后，对流开始，下层较热的液体流入上面较冷的部分。这时由于浮力、热扩散、粘滞力三种作用的耦合而形成液面上大范围规则的蜂巢状花纹（“贝纳德花纹”）六边形网格。第13页，共110页，2023年，2月20日，星期日大气中排列整齐规则的云层花纹，地面上呈某种规则性曲线形的沙丘和雪原上有规则的花纹，如果没有系统的开放和负熵流，没有云层上下的温差和风吹，也不会形成。生命系统是典型的开放系统，生命体必须向外界环境排放代谢物并从外界摄入空气，水和食物才能生存，才能进化，难怪有人说生命有机体是以负熵为食的。

开放系统第14页，共110页，2023年，2月20日，星期日根据热力学第二定律，孤立系统的熵总是自发地增加，直到最大熵为止，其表达式为熵增ds＞o。孤立系统不可能自发地减熵，使系统通过自组织走向有序。这也就是过去科学中热力学第二定律与进化论冲突的焦点所在。开放系统的情况就不一样了。开放系统熵的变化可以分作两项：

ds＝dIS十deS第15页，共110页，2023年，2月20日，星期日系统处于远离平衡态，在较强的耗散中，利用负熵流建立和维持的有序结构称为耗散结构。远离平衡态第16页，共110页，2023年，2月20日，星期日外部条件(控制参量)对系统的作用，并超过一定临界点，使系统越出近平衡的区域，到达远离平衡态，才可能出现自组织，就类如当光泵能量强到使系统发生粒子数反转(即远离平衡态)时，激光才能发生。耗散结构理论的奠基人普里高津提出了“非平衡是有序之源”的重要论断。第17页，共110页，2023年，2月20日，星期日非线性相互作用在线性系统中，系统要素的相互作用，在宏观上可以综合地看作过程的原因产生过程的结果。而非线性相互作用可以便过程的结果又影响到过程的原因和过程本身，这就是反馈作用。非线性的正反馈作用把微小的偏差或偶然性的涨落迅速放大，使系统定态失稳而形成新的有序结构。第18页，共110页，2023年，2月20日，星期日在非线性系统中要素之间发生相干效应，耦合或组台起来产生系统整体的新质。自然界大量存在的相互作用是非线性的，线性作用其实只不过是非线性作用在一定条件下的近似。非线性相互作用使系统具有滚雪球式的增长效应。在线性系统中，系统要素的相互作用，在宏观上可以综合地看作过程的原因产生过程的结果。第19页，共110页，2023年，2月20日，星期日开放系统处于远离平衡态并有非线性相互作用的潜在机制，有可能出现自组织现象，还不等于非线性作用和自组织过程现实地发生。在控制参量超过临界点后，系统定态虽不稳定，但如没有任何扰动是不会离开已有状态的，系统的某种此起彼伏的被动即涨落，就是这种扰动。

涨落第20页，共110页，2023年，2月20日，星期日例如自然系统的温度、压强、能量等都有可在微观的统计平均值的上下波动，在任何实际过程中涨落总是存在的，当然它带有偶然性，是随机出现的。在自组织有可能发生上述条件下，涨落会被迅速放大，使系统离开原有定态，形成新的有序结构。涨落是系统自组织的诱因，是发育成长为新有序结构的种子。第21页，共110页，2023年，2月20日，星期日自组织必须在一定条件下发生，它的出现还有其内在的动力机制——竞争与协同。竞争泛指系统内部不同要素之间或不同子系统之间，或不同系统之间，通过某种斗争(有时可分出高低优劣，择优汰劣)而促使系统演化的活动

3.自组织产生的内在机制和过程第22页，共110页，2023年，2月20日，星期日协同，是系统中许多子系统的联合作用。在演化过程中，系统的各个组成要素会在一定条件下联接、合作、协调与同步行动，自组织系统离不开协同的动力作用。例如，液体分子以统一行为进行卷筒形式运动形成有序对流．某些光波与被加强的光波一齐动作形成有序激光。第23页，共110页，2023年，2月20日，星期日第24页，共110页，2023年，2月20日，星期日第二节：自然界演化的图景自然界的演化主要是由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源和人类的起源构成的。合称为“四大起源”。第25页，共110页，2023年，2月20日，星期日宇宙宇宙中有上千亿的星系，宇宙从哪里来？它的过去是怎样的呢?平均每个星系又有上千亿的恒星和各类天体。第26页，共110页，2023年，2月20日，星期日一.宇宙的起源和演化盘古开天辟地宇宙的传说第27页，共110页，2023年，2月20日，星期日天地浑沌如鸡子，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。天日高一丈，地日厚一丈，盘古日长一丈，如此万八千岁。天数极高，地数极深，盘古极长。后乃有三皇。数起于一，立于三，成于五，盛于七，处于九，故天去地九万里。

《艺术文类聚》卷----引《五运历年纪》

第28页，共110页，2023年，2月20日，星期日宇宙的传说：女娲补天第29页，共110页，2023年，2月20日，星期日

往古之时，四极废，九州裂，天不兼覆，地不周载，火滥焱而不灭，水浩洋而不息，猛兽食颛民，鸷鸟攫老弱。于是,女娲炼五色石以补苍天，断鳌足以立四极，杀黑龙以济冀州，积芦灰以止淫水。苍天补，四极正；淫水涸，冀州平；狡虫死，颛民生;背方州，抱圆天。

----------《淮南子·览冥训》第30页，共110页，2023年，2月20日，星期日3000年前的西周“盖天说”:大地不是平整方形，而是拱形，天空如一个斗笠，大地犹如一个倒扣的盘子。中国古代“天圆如张盖，地方如棋局”古代直觉猜测第31页，共110页，2023年，2月20日，星期日战国尸佼在《尸子》:“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”即：宇表示东南西北上下六个方向，即表示空间。宙表示过去、现在和将来，即表示时间。

古代直觉猜测第32页，共110页，2023年，2月20日，星期日东汉天文学家张衡《浑天仪图注》浑天说：

古代直觉猜测“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小，天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。第33页，共110页，2023年，2月20日，星期日古代埃及人认为大地是漂浮在水上的；

古希腊人则认为大地下有支柱支撑着；古印度想象大地是驮在大象背上的古代直觉猜测第34页，共110页，2023年，2月20日，星期日公元2世纪，古希腊天文学家托勒密在总结前人对宇宙认识的基础上，提出“地球中心说”的宇宙模式

古代直觉猜测第35页，共110页，2023年，2月20日，星期日在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。古代直觉猜测第36页，共110页，2023年，2月20日，星期日两千多年前，古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的“日心说”。

古代直觉猜测第37页，共110页，2023年，2月20日，星期日1543年，波兰天文学家哥白尼又建立了“太阳中心说”的宇宙模式。近代科学观测和推理第38页，共110页，2023年，2月20日，星期日1584年，意大利人布鲁诺:提出宇宙是无限的，恒星都是遥远的太阳，太阳只是无数个恒星中的普通一员近代科学观测和推理第39页，共110页，2023年，2月20日，星期日1750年，英国天文学家赖特:银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统，由于太阳连同地球位于这一系统的内部，从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。

近代科学观测和推理第40页，共110页，2023年，2月20日，星期日1785年，英籍德国天文学家威廉·赫歇耳建立了第一个银河系模型。他花了大量的时间观测、计数天上的恒星，他把天空分为６８３个区域，用望远镜巡查，一颗一颗数出各个方位上能看到的恒星，共计数了１１７６００颗恒星，绘制出一个整体图象，这是第一副银河系结构图。近代科学观测和推理第41页，共110页，2023年，2月20日，星期日近代科学观测和推理1917年，美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不位于银河系的中心，而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方，从而纠正了赫歇耳银河系模型的错误。第42页，共110页，2023年，2月20日，星期日现代的宇宙是由一次大爆炸产生。大爆炸后1秒钟时，宇宙的温度为100亿K。如果再上溯到百分之一秒，温度将上升到1000亿K，相应的能量为l000万电子伏，这一时刻以前的宇宙称为极早期宇宙。现代科学宇宙观的建立第43页，共110页，2023年，2月20日，星期日自然界中四种基本相互作用力，即引力、强力（存在于质子、中子、介子等强子）、弱力和电磁力，那时是不可区分的。随着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列相变：在大爆炸后10-44秒，发生超统一相变，引力作用首先分化出来，但强、弱、电三种作用仍不可区分，夸克和轻子可以互相转变；到大爆炸后10-36秒，大统一相变发生，强作用同电、弱作用分离，物质和反物质之间的不对称性(即质子、电子等这类物质多于反质子、正电子之类反物质的现象)开始出现；10-10秒以后，弱电相变发生，弱作用和电磁作用分离，完成了四种相互作用逐一分化出来的历史。现代科学宇宙观的建立引力、强力、弱力和电磁力的产生第44页，共110页，2023年，2月20日，星期日作用力作用强度作用范围（cm）传递媒介作用对象强作用力110-13胶子夸克之间、核子之间电磁作用力10-2∞光子带电荷或磁距的粒子之间弱作用力10-1410-15中间玻色子所有粒子之间万有引力10-49∞引力子所有客体之间强子弱子光子（轻子）（介子）（重子）弱力弱力电磁电磁电磁自然界四种作用力作用力及其传递媒介第45页，共110页，2023年，2月20日，星期日大爆炸3分钟以后经过约70万年，宇宙的温度降到3000K，电子与原子核结合成稳定的原子(这个过程称复合)，光子不再被自由电子散射，从此宇宙变得透明。现代科学宇宙观的建立第46页，共110页，2023年，2月20日，星期日现代科学宇宙观的建立又过了几十亿年，中性原子在引力作用下逐渐凝聚为原星系，原星系聚在一起形成等级式结构的星系集团。与此同时，原星系本身又分裂形成千千万万的恒星。恒星的光和热是靠燃烧自己的核燃料提供的。其后果是合成碳、氧、硅、铁这些早期宇宙条件下不能产生的重元素。第47页，共110页，2023年，2月20日，星期日在恒星生命即将结束时，它将通过爆发形式抛出富含重元素的气体和尘粒。这些气体和尘粒又构成新一代恒星的原料。在某些恒星周围，冷的气尘会坍缩成一个旋转的薄盘。这些尘粒通过相互吸引碰撞粘合，最后形成从小行星到大行星的形形色色天体，即星系、恒星和太阳系的形成和演化。

现代科学宇宙观的建立第48页，共110页，2023年，2月20日，星期日主宰宇宙命运的是其中的物质和能量；如果物质和能量足够多，那么有朝一日其引力作用将使宇宙膨胀停止并转为收缩；反之，如果宇宙的物质和能量密度太小，宇宙就会永远膨胀下去。所以，测量宇宙中到底有多少物质和能量便成为现代宇宙学的核心问题。宇宙膨胀向何处去第49页，共110页，2023年，2月20日，星期日宇宙在膨胀时，科学家发现：当我们把宇宙中所有闪闪发光的星星全部加起来，其总质量还不够阻止宇宙膨胀必需质量的5%！即使只测量我们的银河系，也会惊奇地发现主导银河系运动的不是恒星，而是占90%总质量、迄今不为人知的“暗物质”。这些暗物质对星系的形成，星系团的形成乃至整个宇宙的引力都密切相关。或许，我们可以把暗物质比喻为主宰宇宙命运的“上帝”，而有人又将它们称为宇宙中的“黑色幽灵”。扑朔迷离的“暗物质”

科學家首次繪製出宇宙暗物質三維數位地圖第50页，共110页，2023年，2月20日，星期日不仅仅是暗物质，更大的“幽灵”也许是“真空能”或“黑色”能量。它无处不在却又不在小尺度（如银河系）表现效应，只是在宇宙尺度上才露出“峥狞面目”。它与宇宙命运息息相关！1998年的天文观测验证了它们的存在，并确定了它们在宇宙中的统治地位——95%的物质和能量是“看”不见的，它们虽有可观的比重却无力阻止宇宙的继续膨胀。“黑色能量”的幽灵第51页，共110页，2023年，2月20日，星期日1.星系分布的大尺度结构星系是由数十亿至数千亿颗恒星和气体尘埃等星际物质构成的庞大天体系统，是构成宇宙的基本成员，其直径大小从数千到数十万光年，但同尺度超过100亿光年的宇宙相比，充其量也只是沧海一粟而已。“仙女座星云”其中大概有两千亿到三千亿颗恒星，比我们所在的银河系还要大一些。我们所在的银河系大概是一千亿到两千亿颗恒星。

二.星系的形成和演化

第52页，共110页，2023年，2月20日，星期日到现在为止，我们还没有看到任何宇宙有有边界的迹象。我们知道，我们的望远镜越造越大，我们观测技术越来越发展，那么我们看到的宇宙也就越来越远，我们能看到的距离也就越来越远。但是到现在为止，并没有发现任何宇宙有边界的迹象，我们能不能说宇宙是无限的呢？

宇宙是无限的吗？第53页，共110页，2023年，2月20日，星期日到现在为止，这样所谓的河外星系大概已经估计，应该有几百亿个像我们太阳系所在的银河系这样巨大的恒星系统，我们想我们的宇宙有多大。那么现在观测到的最远的河外星系，它到我们之间的距离大概超过了一百亿光年，也就是说我们所在的宇宙，它的大小最少就是不小于一百亿光年。比较准确的说法是一百四十亿光年。

宇宙有多大？第54页，共110页，2023年，2月20日，星期日宇宙爆炸后，星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。随着时间的推移，原始星系云开始收缩和冷却，一步步分裂为更小更密的碎片，由这些碎片中最终诞生出第一代恒星。第一代恒星比太阳要重得多，明亮得多，寿命也短得多。在大约1000万年内便耗尽了自己的燃料，然后通过爆发形式把自己内部合成的重元素抛回星际空间，进入第二代、第三代恒星形成和演化的循环。上述过程的后果是星系越年轻，重元素的含量应越少，而颜色则应偏蓝。大文观测表明情况的确如此。

2.星系的演化

第55页，共110页，2023年，2月20日，星期日早期星系的密度比现在高得多，相邻星系在引力作用下彼此靠近，产生潮汐形变甚至合并为一的可能性也就高得多。80年代发射的红外天文卫星发现了一批极亮的年轻星系，其中约60％表现出潮汐形变或合并的特征：有的星系拖出—条“尾巴”，有的星系长出两支“角”，有的双星系之间有“桥”相通。这为星系的动力学演化提供了一个有力的证据。

2.星系的演化

第56页，共110页，2023年，2月20日，星期日早在17世纪时，牛顿就提出了散布于空间中的弥漫物质可以在引力作用下凝聚为太阳和恒星的设想。经过历代天文学家的努力，这一设想已逐步发展成为一个相当成熟的理论。3.恒星的形成

第57页，共110页，2023年，2月20日，星期日宇宙爆炸后，星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。这种气体云中密度较高的部分在自身引力作用下会变得更密一些。当向内的引力强到足以克服向外的压力时，它将迅速收缩落向中心。如果气体云起初有足够的旋转，在中心天体周围就会形成一个如太阳系大小的气尘盘，盘中物质不断落到称为原恒星的中央天体上。在收缩过程中释放出的引力能使原恒星变热，当中心温度上升到1000万K，足以引发热核反应时，“一颗恒星就诞生了。

3.恒星的形成

第58页，共110页，2023年，2月20日，星期日恒星的形成取决于诞生时的环境条件，恒星的质量范围在0.1—100个太阳质量之间。更小的质量不足以触发核反应，更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而瓦解。恒星的形成第59页，共110页，2023年，2月20日，星期日恒星形成后光和热的来源，是其中心内氢聚变为氦的核反应。当这种反应产生的辐射压力达到与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段。恒星在这一阶段停留的时间最长，占其生命的主要部分，可以称为“壮年期”。迄今发现的恒星有90％处在这个阶段(包括我们的太阳在内)。这一阶段的具体长度取决于恒星质量的大小。对于太阳来说约为100亿年，而质量比太阳大l0倍的恒星则只有3000万年

4.恒星的演化第60页，共110页，2023年，2月20日，星期日当恒星核心部分的氢全部聚变为氦以后，产能过程停止，辐射压力下降，星核将在引力作用下收缩。收缩产生的热将使温度再次升高，氦核中心的温度将可能达到1亿度，此时，其核心就点燃了3个氦原子核聚合为1个碳原子核的核聚变，并放出比氢核聚变更为巨大的能量。类似的过程继续下去，将合成氧、硅等越来越重的元素，直到合成员稳定的铁为止。这一阶段的恒星经历多次的膨胀收缩，光度也发生周期性的变化，可以说是恒星的“更年期”。

4.恒星的演化第61页，共110页，2023年，2月20日，星期日当恒星内部的核燃料耗尽后，原来由核反应维持的辐射压消失，星体将在引力作用下收缩下去，直到出现一种新的斥力能与之抗衡为止。于是恒星进入了它的老年期。5.恒星的归宿第62页，共110页，2023年，2月20日，星期日恒星的归宿与其初始质量有关。初始质量小于太阳8倍的恒星最终将成为白矮里(一种颜色发白、尺度很小的恒星)在宇宙中，像我们太阳这种，最终安静的成为白矮星。

5.恒星的归宿第63页，共110页，2023年，2月20日，星期日5.恒星的归宿白矮星（中子星）的原子核可以相互紧紧地挨在一起，它一立方厘米的质量能达到十亿吨，而它引力强大到让光都要成抛物线才

能挣脱。

把一个几百万公里直径的物体压缩成只有３０公里的直径，就是中子星，

第64页，共110页，2023年，2月20日，星期日比太阳大８倍以上的恒星，它们的死亡是爆炸。

恒星越大，寿命就急剧的缩短，质量差３倍，寿命就差７５０倍，也就是说，一

个比我们的太阳大３倍的恒星，它的寿命就只有１３００万年，所以，生命的进化是不可能托付给大恒星的。但是，宇宙的物质的丰富和流动，却全靠它们5.恒星的归宿第65页，共110页，2023年，2月20日，星期日质量为太阳8—50倍的恒星在核燃料耗尽后会发生极猛烈的爆发，在短短几天中亮度陡增千万倍甚至上亿倍，称为超新星。爆发后留下的星核的尺度只有同质量的年轻星的百万分之一，几乎全由中子紧留堆成，称为中子星。恒星在爆炸时，能量的狂飙扫荡天庭，这就是超新星爆发。此刻它的能量相当于正常恒星的一百亿倍，在这个超能量的瞬间，宇宙中所有的元素都被聚变出来了。

5.恒星的归宿第66页，共110页，2023年，2月20日，星期日宇宙在过去有过一个非常单调的开端，只有氢元素和少量的氦元素，然而宇

宙在成长，而成长的标志就是重元素的增加，这种增加使宇宙越来越丰富，宇宙

的所有的奇迹，都是在有了完整的元素制造之后。而制造元素，就是把氢元素以

不同的数目聚合，而要完成所有元素的聚合的场所，就是拥有巨大引力的大恒星。

5.恒星的归宿第67页，共110页，2023年，2月20日，星期日像金银首饰这种重元素，就是在超新星的爆炸中诞生的，当我们佩戴它们时，要记住宇宙制造高档产品确实是代价很高，它需要报废一颗至少比太阳大８倍以上的恒星，才能使我们披金戴银。

5.恒星的归宿第68页，共110页，2023年，2月20日，星期日太阳系是由太阳、八大行星及其卫星、小行星、慧星及行星际物质构成的天体系统。中心天体太阳的质量占整个系统的99.08％，其他天体都在太阳引力作用下围绕太阳运动。太阳系员突出的特点是所有行星的轨道几乎都处在太阳的赤道平面内(共面性)，它们不仅都以同太阳自转相同的方向围绕太阳公转，而且除个别例外实际上也在同一方向上自转〔同向性〕。三.太阳系的起源和演化1.太阳系的基本特征第69页，共110页，2023年，2月20日，星期日恒星演化：星胚红外星主序星（HHe）红巨星（HeBe…C）M<1.3太阳质量白矮星（R=1/50太阳半径、P=17kg/cm3）中子星R=10~20km，P=1015g/cm3新超星（CO…Fe）中子星（M>1.3太阳质量，引起坍缩，不传信息）碎片（星云）（M>1.3太阳质量）元素演化：

np+eH1•H2He.COMg•S•Ga…Fe•CoNipu94Ab95…107#100亿年10亿年15×109C109C8×106C108-109C4×108C中子俘获人造黑矮星（残骸）第70页，共110页，2023年，2月20日，星期日类地行星(水星、金星、地球、火星)主要由石、铁等物质组成，体积小，密度大，卫星少。

三.太阳系的起源和演化第71页，共110页，2023年，2月20日，星期日类木行星(木星、土星、天王星、海王星)主要由氢、氨、冰、氨、甲烷等物质组成．体积大、密度低．卫星较多，还有由碎石、冰块或气尘组成的环系。三.太阳系的起源和演化第72页，共110页，2023年，2月20日，星期日为了合理地解释这些特征，70和80年代“水手号”、“金星号”、“先驱者号”、“海盗号”、“旅行者1，2号对各大行星的近近观察，“乔托号”对哈雷慧星的穿越飞行等等，积累了有关太阳系天体物理性质和化学组成的大量珍贵资料，为人类更深入地认识太阳系的起源和演化奠定广良好的基础。

三.太阳系的起源和演化第73页，共110页，2023年，2月20日，星期日太阳系起源的理论是从18世纪康德提出的星云假说开始的。根据这一理论，大约50亿年前，太阳系还是一团弥漫的缓慢转动的气体云。由于其他天体的引力扰动或邻近超新星爆发的冲击波，这块气体云开始坍缩，稠密的核心变为原始太阳，周围旋转的尘粒和气体原子，形成一个薄盘——原太阳星云。三.太阳系的起源和演化第74页，共110页，2023年，2月20日，星期日星云假说如同原始星系云会分裂为众多恒星一样，类似的物理过程也会将原太阳星云分裂为大量引力束缚的团块(星子)。星子具有小行星的尺度，其中一部分就是今天的小行星和彗核，另一部分通过碰接合并长大成星胚。这些星胚继续吸积周围的物质，像该雪球一样最后变为大行星及其卫星。由于所有这些天体均由围绕原太阳旋转的薄盘内的物质组成，这就很自然地说明了它们的共面性和同向性，少数的例外(如金星的逆向自转)可以用潮汐效应等其他因素来解释。

第75页，共110页，2023年，2月20日，星期日在靠近太阳的内区，只有难熔的岩状物能留存下来，气体和易挥发的冰类物质都跑掉了。所以类地行星质量较小，密度较高。在太阳系外区，由于温度低得不能使冰类物质融化，在那里可以形成质量较大，能保留住氢和氦等轻元素、因而密度也较低的类木行星。较大的类木星比较小的类地行星能收集到更多的星子，因而卫星较多。行星环可能是卫星形成后留下来的原始碎片，而彗星则可能是在太阳系边界处累积起来的原始物质。

星云假说第76页，共110页，2023年，2月20日，星期日

太阳系是在约50亿年前由气体尘埃云形成的。地球在约47亿年前诞生，它是由原始的太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成的。

当时，首先是星子聚集成行星胎，然后再增生而形成原始地球。四.地球起源、演化

第77页，共110页，2023年，2月20日，星期日原始地球所获得的星子是比较冷的，由于下述效应开始变热，开始了全球性的发育过程：(1)冲击效应

每个落到原始地球上的星子都有很高的运动能量，这种能量因冲击转化为热能

(2)压缩效应

由于星子的堆积使地球行星外部重量增加，内部受压缩，消耗在压缩内部的能量转化为热被保存下来。

(3)放射性衰变

由于放射性元素铀、钍、钾等的衰变产生热积累。

原始地球形成后的几亿年，由于上述三种效应，其内部逐渐变热使局部熔融并超过铁的熔点，原始地球中的金属铁、镍及硫化铁熔化．并因密度大而流向地球的中心部位．从而形成液态铁质地核。

地球起源、演化第78页，共110页，2023年，2月20日，星期日同时，地球的平均温度进一步上升(可达约2000℃)，引起地球内部大部分物质熔融，比较轻的熔融物质问上浮动．把热带到地表，经冷却后又向下沉没。这种对流作用控制下的物质移动，使原始地球产生全球性的分异，演化成分层的地球，即中心为铁质地核，表层为低熔点的较轻物质组成的最原始的陆核，陆核进一步增生、扩大形成地壳。地核与地壳之间为地幔。

地球起源、演化第79页，共110页，2023年，2月20日，星期日早期地

球的二氧化碳比今天多２０万倍，也有严重的温室效应，但生命物质通过光合作用把二氧化碳固化，把地球从远古地狱般的情形改造成蓝天白云，二氧化碳变成了它们的尸骨，今天就混合在这些碳酸钙组成的山体当中，被它们自己制造的湿润的

气候切割成喀斯特地貌。实际上，动物的骨骼，里面融入的碳酸钙，都是固化的

二氧化碳，它们也是另一种形式的喀斯特风景。地球可以说是一个非常出色的处理二氧化碳的生态工厂。

地球起源、演化第80页，共110页，2023年，2月20日，星期日由于分异作用，它导致了地壳及大陆的形成，并导致大气和海洋的形成。所以说，我们的地球是原始地球再生的．这个再生过程大约发生在40亿年前(或者说37亿年前至45亿年前之间)，即我们已经发现的最古老岩石的形成时期之前。

地球起源、演化第81页，共110页，2023年，2月20日，星期日氢和氧结合成的水，原先潜藏于一些矿物中。当原始地球变热并部分熔融时，水释放出来并随熔岩运移到地表，大部分以蒸气状态逸散，其余部分在漫长的地质历史进程中逐渐充满大洋。

地球起源、演化第82页，共110页，2023年，2月20日，星期日地球的活力不只是制造山脉和河流，它甚至改变整个大陆的形状，当地心的热核一旦觉得热散得不舒服，就会把陆地拱开，就像一个婴儿踢被子一样，这个踢的过程，就是大陆漂移，在最近的两亿多年中，地球的大陆曾经从远古的３块，在一亿年前合成一块，接着又分开成今天这样。第83页，共110页，2023年，2月20日，星期日

在原始地球变热而产生分异作用的过程中．从地球内部释放出来的气体形成了大气圈。早期地球的大气因成分与现代不同，正是由于紫外辐射的能量促使原始大气成分之间发生反应，从无机物质生成有机小分子，然后发展成有机高分子物质组成的多分子体系，再演变成细胞，生命得以开始和进化。

第84页，共110页，2023年，2月20日，星期日生命前的化学进化和生命的起源第85页，共110页，2023年，2月20日，星期日今天的地球，是—个瑰丽多姿的生命世界。地球上有100多万种动物，30多万种植物和十几万种微生物。从高山到平原，从沙漠到极地，从空中到海洋，几乎到处都有生命的踪迹。生命的本质是什么?它是怎样产生的？这是自然科学长期探索的问题，也是哲学上的一个大问题。五.生命前的化学进化和生命的起源第86页，共110页，2023年，2月20日，星期日恩格斯在《反杜林论》里指出：“关于生命的起源，自然科学到目前为止所能肯定的只是：生命的起源必然是通过化学的途径实现的。”这里的“化学的途径”讲的就是化学进化。就是非生命的物质，在还没有生命的地球上，由于自然的原因，通过化学作用，由简单的物质逐渐演变成复杂的物质．产生出多种有机物和大分子

生命前的化学进化和生命的起源第87页，共110页，2023年，2月20日，星期日第88页，共110页，2023年，2月20日，星期日原始生命的起源和发展需要经过化学进化和生物进化两个阶段。生命起源的化学进化阶段，一般认为在地球诞生之后大约十多亿年的时间。生命起源的化学进化过程大致经历了如下四个阶段：一是从无机小分子合成有机小分子；二是从有机小分子合成生物大分子；三是从生物大分子组成多分子体系；四是从多分子体系演变为原始生命。第89页，共110页，2023年，2月20日，星期日第90页，共110页，2023年，2月20日，星期日1.由无机小分子物质（如氢、氨等）生成有机小分子物质（如氨基酸、含氮碱基、核糖或脱氧核糖等）

生命前的化学进化和生命的起源第91页，共110页，2023年，2月20日，星期日第92页，共110页，2023年，2月20日，星期日上世纪20年代，俄国生物化学家奥巴林和英国生物学家哈尔达内提出了在原始地球(有生命前的地球)的海洋中存在有机分子的“原始汤”的观点。人们想象原始汤是通过一些地球化学过程和各种能源对一种大气层的作用而形成的。这种大气层和木星上的有些相似，主要是一些未氧化的气体加甲烷、氨和氢。生命前的化学进化和生命的起源第93页，共110页，2023年，2月20日，星期日米勒在上世纪50年代初导演了一幕生命起源的“历史剧”，他让电火花(闪电)穿过一种被认为是存在着原始大气中的各种气体混合物，结果产生了水溶性有机分子。反应物甲烷中的碳，有不少于15％转移到相当有限的一组小分子中，这些小分子中就有组成蛋白质的20种氨基园中的4种。

生命前的化学进化和生命的起源第94页，共110页，2023年，2月20日，星期日2.从有机小分子物质形成有机高分子物质有些学者认为．在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用．在适当条件下(如吸附在粘土上)，通过缩合作用或聚合作用，就形成了原始蛋白质分子和核酸分子。现在，已经有人模拟原始地球的条件，制造出了类似蛋白质和核酸的物质。虽然这些物质和现代蛋白质和核酸相比，还有一定差别，并且原始地球上的蛋白质和核酸的形成过程是否如此，还不能能肯定，但是，这已经为人们研究生命的起源提供了一些线索，在原始地球条件下，产生这些有机高分子物质是可能的。

生命前的化学进化和生命的起源第95页，共110页，2023年，2月20日，星期日3.从有机高分于物质组成多分子体系

根据推测，蛋白质和核酸等有机高分子物质，在海洋里越积越多，浓度不断增加，由于种种原因(如水分的蒸发、粘土的吸附作用)，这些有机高分子物质经过浓缩而分离出来，它们相互作用，凝聚成小滴。这些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成——个独立的体系．即多分子体系。这种多分子体系已经能够与外界环境进行原始的物质交换活动了。生命前的化学进化和生命的起源第96页，共110页，2023年，2月20日，星期日4.从多分子体系演变为原始生命

从多分子体系演变为原始生命，这是生命起源过程中最复杂和最有决定性意义的阶段，它直接涉及原始生命的发生。目前，人们还不能在实验室里验证这一过程。不过，我们可以推测，有些多分子体系经过长期不断的演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用，终于形成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命。以后、就有生命起源的化学进化阶段进入了生命出现以后的生物进化阶段。生命前的化学进化和生命的起源第97页，共110页，2023年，2月20日，星期日蛋白质和核酸是生物体内最重要的物质。没有蛋白质和核酸，就没有生命。1965年．我国科学工作者人工合成了结晶牛胰岛素(一种含有51