5.物质系统的演化

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1、第四节、物质系统的演化第四节、物质系统的演化自然界不仅存在着，而且生成着并消逝着。自然界不仅存在着，而且生成着并消逝着。生成与消逝的不断更替，便构成了自然界的生成与消逝的不断更替，便构成了自然界的 演化链条。演化链条。要揭示自然界的奥秘，展示自然界的图景，要揭示自然界的奥秘，展示自然界的图景， 除了把自然界作为一种存在来把握，还必除了把自然界作为一种存在来把握，还必 须把自然界当作一种须把自然界当作一种过程过程来理解。来理解。一、自然界的演化过程一、自然界的演化过程根据目前已确认的科学事实和根据目前已确认的科学事实和 比较公认的科学假说，我们可比较公认的科学假说，我们可 对自然界的演化过程作出

2、一个对自然界的演化过程作出一个 大致的描述。大致的描述。( (一一) )宇宙和天体的起源与演化宇宙和天体的起源与演化1 1、宇宙起源与大爆炸假说、宇宙起源与大爆炸假说关于宇宙起源的认识主要来自于伽关于宇宙起源的认识主要来自于伽 莫夫莫夫“ “大爆炸假说大爆炸假说” ”及其修正。及其修正。而形成后的宇宙的演化先后经历了而形成后的宇宙的演化先后经历了 基本粒子形成阶段、辐射阶段或核合基本粒子形成阶段、辐射阶段或核合 成阶段、实物阶段。成阶段、实物阶段。2 2、恒星演化与弥漫说、恒星演化与弥漫说恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般 要经历以下几个阶段：要经

3、历以下几个阶段：引力收缩阶段引力收缩阶段( (包括快收缩阶段和慢收缩阶段包括快收缩阶段和慢收缩阶段) ) ：主序星阶段；红巨星阶段；脉动阶段；爆发：主序星阶段；红巨星阶段；脉动阶段；爆发 阶段和高密阶段等。阶段和高密阶段等。在恒星演化的特殊阶段和特定条件下，在宇宙在恒星演化的特殊阶段和特定条件下，在宇宙 之一隅出现了太阳系以及作为太阳系一个成员之一隅出现了太阳系以及作为太阳系一个成员 的地球。的地球。恒星的起源和演化星际弥漫物质 星云原恒星引力收缩（红外星） 主序星 红巨星白矮星 超新星爆发黑矮星 星际物质 中子星 黑洞巨大的星云巨大的星云 星际空间普遍存在极稀薄的物质，由于分布不星际空间普遍

4、存在极稀薄的物质，由于分布不 均匀而往往分裂成团块，并向中心凝聚，成为弥均匀而往往分裂成团块，并向中心凝聚，成为弥 漫星云。漫星云。 弥漫星云在逐步凝聚收缩过程中进一步弥漫星云在逐步凝聚收缩过程中进一步 分裂，变成体积和质量更小而密度却更高的小球分裂，变成体积和质量更小而密度却更高的小球 状星云。状星云。 星云很庞大，半径起码有好几光年。它星云很庞大，半径起码有好几光年。它 的外原物质自由地向中心坠落，收缩进行得相当的外原物质自由地向中心坠落，收缩进行得相当 快，但也需几百万年的时间才能落到中心区。随快，但也需几百万年的时间才能落到中心区。随 着快收缩过程的进行，星云内部的密度迅速增大着快收缩

5、过程的进行，星云内部的密度迅速增大 ，温度快速升高，气压也相应增强，随之发生一，温度快速升高，气压也相应增强，随之发生一 系列的反应，使外原物质下落的速度和小球状体系列的反应，使外原物质下落的速度和小球状体 的收缩速度减缓，即进入慢收缩阶段。的收缩速度减缓，即进入慢收缩阶段。 星云的形星云的形 状各异，人们用肉眼只能看到一个猎户座大星云状各异，人们用肉眼只能看到一个猎户座大星云 。 EagleEagle星云星云 哈勃拍摄的行星状星云哈勃拍摄的行星状星云NGC7027 NGC7027 原恒星原恒星 一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星 。慢收缩开始后，中心区受

6、强烈压缩而升。慢收缩开始后，中心区受强烈压缩而升 温并发出热辐射，直到最后中心温度升到温并发出热辐射，直到最后中心温度升到 约约800800至至10001000万度以上，由氢原子核聚变为万度以上，由氢原子核聚变为 氦原子核的热核反应提供足够的能量，使氦原子核的热核反应提供足够的能量，使 内部压力与引力处于相对平衡状态，一颗内部压力与引力处于相对平衡状态，一颗 恒星就正式诞生了。恒星就正式诞生了。 原恒星进一步形成恒原恒星进一步形成恒 星的收缩过程要持续几百万到几千万年。星的收缩过程要持续几百万到几千万年。 恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段就是恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段就是 恒

7、星的主序阶段。处于主序阶段的恒星称为恒星的主序阶段。处于主序阶段的恒星称为主序主序 星。星。主序阶段是恒星的青壮年期，恒星在这一阶主序阶段是恒星的青壮年期，恒星在这一阶 段停留的时间占整个寿命的段停留的时间占整个寿命的90%90%以上。这是一个以上。这是一个 相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力 大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。恒星停大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。恒星停 留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多 。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停

8、留 在主序阶段的时间就越短。例如：质量等于太阳在主序阶段的时间就越短。例如：质量等于太阳 质量的质量的1515倍、倍、5 5倍、倍、1 1倍、倍、0.20.2倍的恒星，处于主倍的恒星，处于主 序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百 亿年和一万亿年。目前的太阳也是一颗主序星。亿年和一万亿年。目前的太阳也是一颗主序星。 太阳太阳现在的年龄为现在的年龄为4646亿多年，它的主序阶段已过亿多年，它的主序阶段已过 去了约一半的时间，还要去了约一半的时间，还要5050亿年才会转到另一个亿年才会转到另一个 演化阶段。演化阶段。 ( (二二) )地球的演化地球的演

9、化地球是在太阳系形成的过程中诞生的地球是在太阳系形成的过程中诞生的 ，迄今的历史约，迄今的历史约4646亿年。在这期间，亿年。在这期间， 地球发生了一系列的变化。地球发生了一系列的变化。1 1、地球内部圈层的演化、地球内部圈层的演化2 2、地球外部圈层的演化、地球外部圈层的演化(1)(1)大气圈大气圈(2)(2)水圈水圈（3 3）岩石土壤圈）岩石土壤圈 地球的演化史地球的演化史 地球已经是一个地球已经是一个4646亿的老寿星了，她起源于始太阳亿的老寿星了，她起源于始太阳 星云。地胎形成时温度比较低，也没有分结构。后来由星云。地胎形成时温度比较低，也没有分结构。后来由 于陨石轰击、放射性衰变发热

10、和地的内部重力收缩，才于陨石轰击、放射性衰变发热和地的内部重力收缩，才 使地球温度逐渐增加。使地球温度逐渐增加。 随着温度的升高，地内部物质随着温度的升高，地内部物质 也越来越具有塑性，而且局部熔融现。这时，在重力作也越来越具有塑性，而且局部熔融现。这时，在重力作 用下用下 ，地球外部较重的物质逐下沉，内部较轻的物质，地球外部较重的物质逐下沉，内部较轻的物质 升。液态的铁等重元素到了地球中心，形成地。而后，升。液态的铁等重元素到了地球中心，形成地。而后， 由于地球内部对流和化学离，就逐渐形成了地壳由于地球内部对流和化学离，就逐渐形成了地壳 、地、地 幅、地核等层次。幅、地核等层次。 地球形成初

11、期，原始气全部跑到了地球形成初期，原始气全部跑到了 宇宙空间宇宙空间 。后来，随着地球内部物的重新组合，加上。后来，随着地球内部物的重新组合，加上 温度高，使地球内部气体上到地面，形成第二代地大气温度高，使地球内部气体上到地面，形成第二代地大气 。生命出现以后，。生命出现以后， 由于绿色植物的光合作用由于绿色植物的光合作用 ，进一步，进一步 发展为现代的大。发展为现代的大。 随着温度的升高，地内部的结晶水随着温度的升高，地内部的结晶水 汽化，进大气层。后来温度降低汽化，进大气层。后来温度降低 ，气态的水便凝结、，气态的水便凝结、 降雨降雨 ，落到了地面，形成了海。约在，落到了地面，形成了海。约

12、在30-4030-40亿年前亿年前 ，地球开始出现单细胞生，后来逐渐进化，出现各种生，地球开始出现单细胞生，后来逐渐进化，出现各种生 物。物。地球的演化天文时期地球内部圈层的形成和演化地球外部圈层的形成和演化地质时期垂直运动水平运动大陆漂移说海底扩张说板块构造说早期的地球早期的地球地核地核地球演化的不可逆性地球演化的不可逆性 地球演化的不可逆性地球演化的不可逆性总之，宇宙中地球的各圈层总之，宇宙中地球的各圈层地核地核 、地幔、地壳、大气圈、水圈与生物、地幔、地壳、大气圈、水圈与生物 圈，都是在相互作用下，不断地由简圈，都是在相互作用下，不断地由简 单到复杂、由低级到高级的演化发展单到复杂、由低

13、级到高级的演化发展 ，并按照各自的规律，并按照各自的规律( (自组织性自组织性) )、不可、不可 逆地、前进式的演化。逆地、前进式的演化。耗散结构论和协同论指出，自然界耗散结构论和协同论指出，自然界 非平衡的约束与非线性动力学机制同非平衡的约束与非线性动力学机制同 时作用于开放的耗散系统，使系统自时作用于开放的耗散系统，使系统自 发地由简单趋于复杂，由无序走向有发地由简单趋于复杂，由无序走向有 序序板块漂移板块漂移( (三三) )生物圈生物圈: :生命起源和生物进化生命起源和生物进化生命是蛋白质和核酸多分子体系存在的生命是蛋白质和核酸多分子体系存在的 一种方式，它是由非生命物质在原始地球一种方

14、式，它是由非生命物质在原始地球 环境中经过长期的演化而形成的。环境中经过长期的演化而形成的。1 1、原始生命的诞生、原始生命的诞生在原始地球条件下，当具有催化功能的在原始地球条件下，当具有催化功能的 原始蛋白质和能起模板作用的原始核酸一原始蛋白质和能起模板作用的原始核酸一 旦产生并结合为多分子体系时，真正的原旦产生并结合为多分子体系时，真正的原 始生命就随之诞生了。始生命就随之诞生了。2 2、生物进化与人类起源、生物进化与人类起源原始生命出现以后，又经历了从非细胞原始生命出现以后，又经历了从非细胞 到细胞、从原核细胞到真核细胞，再到单到细胞、从原核细胞到真核细胞，再到单 细胞生物进化成多细胞生

15、物，进而分化成细胞生物进化成多细胞生物，进而分化成 动物和植物。动物和植物。在适宜的环境中，植物沿着菌藻植物在适宜的环境中，植物沿着菌藻植物 苔藓和蕨类植物苔藓和蕨类植物裸子植物裸子植物被子植物的被子植物的 方向进化；动物则沿着无脊椎动物方向进化；动物则沿着无脊椎动物脊椎脊椎 动物的方向发展，直到人类的出现。动物的方向发展，直到人类的出现。生命的起源和生物的进化起源 ：简单小分子有机小分子生物大分子原始生命演化：细胞的形成真核细胞的出现多细胞体的形成动物、植物、细菌的分别进化动物 植物 细菌光合作用宇宇 宙宙 时时 物物 质质 形形 态态 宇宇 宙宙 时时 物物 质质 形形 态态0 0 秒秒原始火球大爆炸原始火球大爆炸15.2 1015.2 109 9年年原始星际云形成原始星际云形成1010-43-43 秒秒时空量子化时空量子化15.4 1015.4 109 9年年行星行星( (地球地球) )形成形成1010-35-351010-30-30秒秒宇宙暴胀产生夸克宇宙暴胀产生夸克, ,轻轻 子子16.1 1016.1 109 9年年最老地球岩石形成最老地球岩石形成10 10-6-6秒秒质子质子- -反质子对湮灭反质子对湮灭18 1018 109 9年年富氧大气圈形成富氧大气圈形成1 1秒秒电子电子- -正电子对湮灭正电