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1、现代科学技术概论一、宇宙篇一、宇宙篇太太阳阳系系宇宙黑洞宇宙黑洞探索地外生命探索地外生命起源与演化起源与演化宇宙篇宇宙篇授课教师：赵淑清授课教师：赵淑清EmalEmal：zshqb1zshqb1qqqq:383618687383618687Tel:Tel:1361350397513613503975视频视频1414图片图片3131目录1.古今中外描述宇宙的模型2.从太阳系到广阔的恒星世界3银河系的发现4发现河外星系5现代宇宙学的诞生6宇宙膨胀的发现7.宇宙学原理8.宇宙大爆炸模型的产生9.支持大爆炸理论的证据10.宇宙无限说引出的三个佯谬什么是宇宙大爆炸？关于宇宙的起源人们在认知上又经历了怎样
2、的过程？宇宙的起源与演化宇宙的起源与演化视频：调查什么是宇宙大爆炸1古今中外描述宇宙的模型(1)天似穹颅，陇盖四野天似穹颅，陇盖四野盖天说盖天说天如鸡子，地如鸡子中黄天如鸡子，地如鸡子中黄1古今中外描述宇宙的模型(2)浑天说浑天说海浮乌龟，龟负四象，象驮大陆，蟒蛇环绕海浮乌龟，龟负四象，象驮大陆，蟒蛇环绕古代印度的大象龟蛇说古代印度的大象龟蛇说1古今中外描述宇宙的模型(3)地球为中心，依次排列月、水、金、日、地球为中心，依次排列月、水、金、日、火、木、土、恒星等九重天火、木、土、恒星等九重天”本轮本轮均轮均轮托勒密的地心说托勒密的地心说1古今中外描述宇宙的模型(4)正确反映了太阳系的实际，为以
3、后开普勒总结行星运动定正确反映了太阳系的实际，为以后开普勒总结行星运动定律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路。律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路。哥白尼的日心说哥白尼的日心说1古今中外描述宇宙的模型(5)1古今中外描述宇宙的模型(6)宣夜说宣夜说三国西晋时期的哲学家杨泉还提出了“气生银河，再生众星”的思想。他在物理论中写道：主张宇宙无限以及“气”生万物的思想“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也”。“日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉”（晋书天文志）“日月星宿亦积气中之有光耀者”（列子天瑞篇）。“气发而升，精华上浮，宛转随流，名之曰天河，一曰云汉，众星出焉
4、”。2.从太阳系到广阔的恒星世界1718年，哈雷首次指出恒星不动是错误的1837年，斯特鲁维测定织女星与太阳的距离为165万AU，远远超出太阳系1912年，勒维特发现造父变星的光变周期与光度之间存在着确定关系，从而创立了一种测量遥远恒星的方法3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家族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。这是天文学上的第二个里程碑赫歇尔兄妹探测了北半球1083个天区共计11万颗恒星，花费了毕生精力，以致妹妹终生未嫁。1918年，沙普利在
5、上述基础上得出正确结论：“银河系是一个直径约10万光年的透镜形天体系统，太阳处于离中心近3万光年的一条旋臂里”3银河系的发现小赫歇尔在南非好望角探测了南半球2299个天区共探测统计了70万颗星3银河系的发现视频：银河系视频：银河系哈勃1924年确认，北半球天空肉眼可见的仙女座大星云，是一个远在银河之外、距离我们约220万光年的类似银河系的巨大星系。4发现河外星系直到20世纪初，天文学家还认为宇宙仅限于我们的银河系，最遥远的恒星也只是在银河系的边缘上，之外则是黑暗的虚无空间。哈勃的发现最终结束了多年来关于这类漩涡星云是近邻天体还是银河系外“宇宙岛”的争论，将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到广阔的
6、恒星世界4发现河外星系草帽星系草帽星系M104M104星系星系M74M74球状星团球状星团不规则星系不规则星系漩涡星系漩涡星系椭圆星系椭圆星系天鹰座的行天鹰座的行星状星云星状星云行星状星云行星状星云M57M57星系团星系团Abell2218Abell2218距地球距地球130130亿光年的星系（亿光年的星系（左边长型圈中）左边长型圈中）在在M16M16天鹰座天鹰座大星云大星云1917年爱因斯坦从广义相对论得到一个“有限无界的静态宇宙”模型。5现代宇宙学的诞生广义相对论对于引力与时空的描述质量告诉空间如何弯曲，空间告诉质量如何运动。牛顿的重力万有引力视频：广义相对论视频：广义相对论11爱因斯坦静
7、态宇宙模型爱因斯坦静态宇宙模型视频视频视频：静态宇宙模型视频：静态宇宙模型视频：广义相对论视频：广义相对论22（1）多普勒效应，红移和紫移众星系正在彼此远离6宇宙膨胀的发现视频：多普勒效应（2）哈勃定律6宇宙膨胀的发现视频：哈勃定律与膨胀的宇宙视频：哈勃定律与膨胀的宇宙152152（2）哈勃定律及宇宙的年龄6宇宙膨胀的发现宇宙年龄大约110180亿年，较准数据为137亿年。退行速度（光谱红移量表征）退行速度（光谱红移量表征）离开我们的距离离开我们的距离宇宙边缘光速宇宙边缘光速哈勃常数哈勃常数霍伊尔霍伊尔宇宙学原理的含义7.宇宙学原理1.1.在宇宙学尺度上，空间任一点及其任一方向，在物理在宇宙学
8、尺度上，空间任一点及其任一方向，在物理上是不可分辨的，即密度、压强、曲率、红移都各自上是不可分辨的，即密度、压强、曲率、红移都各自完全相同的。但同一点的不同时刻，其各物理量却可完全相同的。但同一点的不同时刻，其各物理量却可以不同，所以宇宙学原理容许宇宙演化的存在。以不同，所以宇宙学原理容许宇宙演化的存在。2.2.宇宙中各处的观测者，观察到的物理量和物理规律也宇宙中各处的观测者，观察到的物理量和物理规律也完全相同，没有任何一个观测者处于特殊地位。在地完全相同，没有任何一个观测者处于特殊地位。在地球上能够观察到的宇宙演化图景，在其他天体上也能球上能够观察到的宇宙演化图景，在其他天体上也能够看到，所
9、以可以建立宇宙时概念。观测表明，在宇够看到，所以可以建立宇宙时概念。观测表明，在宇观尺度（大于观尺度（大于11亿光年）上，物质分布均匀且各向同亿光年）上，物质分布均匀且各向同性。性。1927年，勒梅特最先提出宇宙最初是个致密的“宇宙蛋”，爆炸产生了膨胀着的宇宙。8.宇宙大爆炸模型1942年，伽莫夫和阿尔法、贝特等人将宇宙的膨胀与物质的演化联系起来，描绘了宇宙大爆炸。视频：宇宙大爆炸8.宇宙大爆炸模型目前，地球平均密度为5103kgm3，温度300K；宇宙的平均密度约10-27kgcm3，温度约3K大爆炸模型给出的数据：起点宇宙开始于140亿年前一个奇点爆炸的“原始火球”，温度无限高、密度无限大
10、。普朗克时代时间10-43s，密度1093kgm3，温度降到1032K。8.宇宙大爆炸模型大统一时代时间10-35s，温度降到1028K，宇宙发生暴涨，其直径在10-32s时间内增大了1050倍，引发产生了数目惊人的粒子，引力已从统一作用分离，强力、弱力和电磁力仍未分离出来，产生的粒子也没有区分。等数目的重子和反重子湮灭，形成了只有中子和质子而几乎看不到反重子的不对称宇宙。强子时代时间10-6s，温度为1014K。轻子时代时间10-2s，温度为1012K。强作用、弱作用和电磁作用逐渐分离。出现了各种粒子，包括现今各种高能加速器中能产生的那些粒子。由于温度很高（1010K以上），原子还没有形成。
11、8.宇宙大爆炸模型辐射时代时间110s，温度降至1010-5109K，质子和反质子、电子和正电子相遇时湮灭，从而产生了大量光子、中微子以及反中微子，基本粒子开始结合成原子核，能量以光子辐射形式出现。氦形成时代时间约3分钟，温度降至109K，直径膨胀到约1光年，近三成物质合成为氦，核反应消失。半小时后，有质量的粒子数和光子数的比达到了10-9，辐射密度仍然大于物质密度。8.宇宙大爆炸模型粒子数丰度稳定时代半小时后，温度降低到108K，各种粒子在相互碰撞中因能量不足已不能相互转化各粒子数的丰度趋于稳定。8.宇宙大爆炸模型进入物质时代时间10002000年，温度降至约105K，物质密度开始大于辐射密
12、度。物质从背景辐射中分离出来时间105年，温度约降至5000K，物质温度开始低于辐射温度，最重和最轻的基本粒子数的比值保持恒定。大约经过106年，爆炸初期产生的光子的能量降到了不足以击碎原子甚至激发原子的程度，宇宙开始进入了光子和原子相互分离的退耦时代，宇宙变得透明，温度大约降为3000K，原子开始形成，但只能产生较轻的元素，较重的元素要在星系、恒星形成后在其内部形成，超过铁的更重元素则是在超新星爆发或星系的碰撞、爆发中形成的。8.宇宙大爆炸模型星系形成时间108年，辐射温度约降至100K，星系开始形成。类星体、恒星、行星及生命先后出现时间109年，温度降至约12K，太空逐渐形成我们今天能观测
13、到的情景。目前阶段时间1010年，辐射温度约降至3K，星系温度约105K。视频：宇宙大爆炸视频：宇宙大爆炸8.宇宙大爆炸模型的产生宇宙大爆炸理论框架仍具有很大的魅力，在观测事实面前大多数人接受了的学说。宇宙大爆炸模型还预言，早期核反应产生的氦元素应该保留到现在，估计应当占宇宙总物质的14；大爆炸的余热现今也还存在，估计温度约在3K左右等，这些预言都被陆续证实。9支持大爆炸理论的证据(1).(1).宇宙的年龄宇宙的年龄根据哈勃定律：大爆炸起点距今约110-180亿年1.1.宇宙年龄不应该超过宇宙年龄不应该超过180180亿年亿年2.2.地球和太阳仅地球和太阳仅4545亿年，太年轻了，不具有可亿年
14、，太年轻了，不具有可比性比性3.3.根据星系演化理论，老年根据星系演化理论，老年“红巨星红巨星”的数目的数目，可以估算：，可以估算：100100亿亿160160亿年亿年4.4.根据核反应提供的恒星能源的理论，估计银根据核反应提供的恒星能源的理论，估计银河系最老恒星河系最老恒星100100130130亿年亿年(2).(2).轻元素的丰度轻元素的丰度视频：大爆炸使氢和氦质量的丰度比约为75：25（33）.微波背景辐射微波背景辐射视频:彭齐亚斯和威尔逊发现的3K的微波背景辐射霍霍伊伊尔尔提提出出：存存在在着着大大爆爆炸炸的的痕痕迹迹宇宙蛋：大爆炸结束时宇宙的图像宇宙蛋：大爆炸结束时宇宙的图像宇宙微波
15、背景辐射的皱纹宇宙微波背景辐射的皱纹微波背景各向同性，但有微小的差别微波背景各向同性，但有微小的差别10宇宙无限说引出的三个佯谬（11）光度佯谬）光度佯谬如果宇宙无限恒星大致均匀天空的光度无限白天黑夜相同而现实中的昼夜分明奥伯斯佯谬（22）引力佯谬）引力佯谬如果宇宙无限无数的恒星天体之间万有引力任何方向无限大撕得粉碎现实中并非如此（33）热寂佯谬）热寂佯谬奥地利物理学家克劳修斯无限宇宙的能量是守恒越来越无序一切变化将会停止“永恒的死寂”视频：临界密度与宇宙的未来视频：空间形状及宇宙未来视频：宇宙的组成视频：宇宙的组成作业：l简要叙述发现宇宙膨胀的原理及途径。l叙述“哈勃定律”的内容和公式，以及它的作用和意义。l试叙述从现代宇宙理论的创立到宇宙大爆炸模型的建立过程及重要人物。l通过上网浏览搜集关于各种“非标准宇宙模型”的有关资料，你从这些资料能够获得怎样的认识和判断？视频：宇宙空间的几何形状视频：宇宙空间的几何形状谢谢！谢谢！
