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1、高中物理知识讲座李彬人类今天已经非常轻松地生活在地球上,但是从古老文明走到现代文明,人类付出了巨大的代价,而二者之间跨越的关键,恰恰要取决于人类认识宇宙的深度。尽管有许多史前文明都体现了人类认识宇宙的兴趣,但是在四处广汉三星堆发现的青铜器件,大概是表现得最执着的,这里的人以鸟为偶像,鸟的眼睛被他们深深的崇拜, 而他们自己的眼睛更被夸张的塑造,通过对眼睛的延长而求索宇宙的向往。400多年前望远镜的发明终于让这个愿望实现了。1宇宙的结构、形状和归宿人们对宇宙有两种理解，一种认为是包括地球及其它一切天体的无限空间；另一种认为是一切物质及其存在形式的总和。辞海对宇宙的解释是：宇，空间的总称；宙，时间的
2、总称。这源于淮南子齐俗训：往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。这就是说，宇宙既包括无限的空间，又包括无限时间的延续。关于宇宙诞生的理论很多，比较公认的是大爆炸论。在一二百亿年前，我们的宇宙刚刚诞生时，是一个温度极高、压力和物质密度极大的混沌火球（不妨叫它“宇宙蛋”）。所谓物质，只不过是一些光子而已。然后逐渐形成各种基本粒子，成为现在各种物质的构成材料。巨大的压力使宇宙急剧地膨胀（即大爆炸），宇宙温度则因膨胀而逐渐降低，物质凝聚成一团团星系云，星系云又一步步分裂，凝聚成一个个恒星，恒星周围的剩余物质又逐渐凝聚成行星和卫星。这些天体不是分散的，许多恒星聚集成星系，星系又聚集成星系群，进而是星系团、超星
3、系团，还有更大的群体。这些群体也不是均匀分布的，有些区域非常密集，形成“宇宙长城”，有些区域非常稀少，形成“宇宙空洞”。宇宙天体可能就是这样一种“泡沫结构”。有许多证据表明，宇宙还在继续膨胀。目前我们探测到的最远天体，已超过150亿光年，但那里仍然不是宇宙的尽头，宇宙似乎有无限的空间。不过，多数科学家趋向于认为，“宇宙有限，但无尽头”。因为如果宇宙确实是由大爆炸从“无”膨胀起来的，它不可能是无限的，只能是一个有限的三维空间，就像膨胀的气球总有一个一定的体积，威力巨大的氢弹爆炸总有一个可算出的影响范围一样。但是，宇宙确实没有尽头，我们找不到宇宙的边缘。科学家们从宇宙的形状上去解开“宇宙有限，但无
4、尽头”之谜。以球形的地球表面来说，从任何一点出发一直往前走，我们找不到地球的边缘，但可以回到原来的出发点。这说明二维空间的地球表面没有尽头，但却是有限的。如果宇宙是一个三维空间的球体，那么，在这个球体中的任何一点，不管从上下左右前后哪个方向前进，我们找不到边缘，但可以回到原来的出发点。不过，科学家们认为，宇宙不一定是一个球体，也可能是轮胎形、克莱因瓶形或其它什么形状。宇宙今后的发展有两种可能，即继续膨胀下去或到一定时转而收缩。不管哪种发展，都将走向死亡，回复到混饨宇宙蛋的状况。但科学家们不知道宇宙还有多少寿命，这会是一个很大的数字，或许是万万兆年吧2. 宇宙是什么组成的？宇宙是物质的，宇宙间到
5、处充满运动着的各种形态的物质。我们居住的地球是太阳系的一个大行星。太阳系一共有九个大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除了大行星以外，还有40个卫星（包括月亮），为数众多的小行星、彗星和流星体等。这些天体组成了我们的太阳系，它们都是离我们地球较近的，是人们了解得较多的天体。那么，除了这些以外，无限的宇宙空间还有一些什么呢？晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，绝大多数是恒星。恒星，就是像太阳一样本身能发光的星球。我们银河系就有1000多亿颗恒星。恒星与恒星之间有很大的差别,在宇宙空间，有着各种各样的恒星。有的星星很亮，亮度比太阳大上百倍到1万倍，这种星叫巨
6、星，有的星的亮度比太阳亮上万倍到几百万倍，叫做超巨星。亮度小的星叫矮星，有的矮星亮度小到只有太阳的几万分之一。恒星常常爱好“群居”，天上有很多一对对的星星“紧紧地”靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，科学上称它们为双星。大约有二分之一的星星都过着这种“成双成对”的生活。更有一些称作聚星的系统，那就是3颗、4颗或更多颗恒星聚集在一起。有时有10多颗，甚至成千上万颗星聚集在一起，形成一团星，这就是“星团”。银河系里就已发现1000多个这样的星团，还有很多没有发现的。在恒星世界里还有一些亮度会发生变化的星变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。有时候，天空中会突然出
7、现一颗很亮的星，它的亮度变化非常突然而且剧烈，在二、三天内，会突然变亮几万、几十万甚至几百万倍, 自古以来，人们称它为新星（中国古代也叫“客星”或“暂星”）, 其实新星并不是“新”的星，也不是天空中的“客人”，只不过在它们变得更亮以前，都是一些很暗的，也很平常的星，而没有引起人们的注意罢了。还有一种亮度增加得更厉害的恒星，会突然变亮几千万甚至几亿倍，这是“超新星”。早在公元前我国就有关于新星和超新星的记载，汉代以后记载更多了，据目前整理出来的就有90颗左右。此外，天上还有不少年轻的、很不稳定的星，甚至还发现不少似星非星的天体呢。除了恒星之外，还有一种形状像天空中的云雾似的天体，并由此得到了“星
8、云”的名称。不过，只有极少数星云在我们银河系内，这种星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，我们称它们为银河星云（也叫河内星云），如有名的猎户座星云。极大部分星云，实际上并不是“云”，它们和银河星云是截然不同的两种“星云”，它们是一些同我们银河系一样的星系，只因为离我们太远了，所以看上去像云雾般的形状，我们称它们为河外星系（也叫河外星云），这种河外星系，已发现了10亿个以上了，著名的仙女座星云就是河外星云，我们肉眼可以看得见。星系也爱好“群居”，常常几个、十几个聚集在一起，我们称它们为双重星系或多重星系有时几十个星系，甚至几千个星系聚集在一起，构成了星系团。60年代以来还找到一种像星星一
9、样的光点，但它的亮度和质量又和星系一样，我们叫它类星体，现在也已发现了1500多个这种天体。在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？当然不是。那里充满着一种叫做星际物质的弥漫介质。是由星际气体和星际尘埃组成的。星际物质的密度非常稀薄。此外，在广阔的星际空间里还存在着有宇宙线和极其微弱的星际磁场。所有这些天体并不是孤立地存在的，也不是死的、固定不变的东西，而是不断地运动、变化和互相转化的东西。恒星不断向宇宙空间喷射物质，转化为星际介质，星云、星际介质又在漫长的岁月中凝聚成恒星3. 太阳系天体环境在太阳系九大行星中，离太阳最近的水星，由于没有大气，白天在阳光的直接照射
10、下，表面温度高达427，夜晚则低至170。它的表面是一个没有水分的干燥世界，又深又长的裂隙，穿过平原、盆地，切断山脉，最长达200千米，深几百米。还有陨石撞击形成的环形山。金星虽然离太阳稍远，但由于它有以CO2。为主要成分的浓密大气层，温室效应使它的表面温度高达470，大气压力是地球的90倍。在低层大气中，有腐蚀性极强的氢氟酸；在中层大气的云层中，也有硫酸珠和盐酸、氢氟酸和氟硫酸；高层大气则是电子和正离子的电离层世界。离太阳最远的冥王星和海王星，是非常寒冷的世界。冥王星的背阴面，温度低至253，向阳面也只有223。海王星有浓密的大气，不仅温度很低，而且是个乱云穿渡，狂风呼啸的世界。木星、土星和
11、天王星是太阳系的巨大行星，但它们与地球不同，没有固体表面，在厚厚的大气层下，是深深的液体层，如木星表面的液态氢，深达24000千米！除巨大引力和气压外，它们的表面温度也很低。另外，如木星的巨大的磁场形成的辐射带，其辐射强度是地球辐射带的10000倍。火星在地球的外侧，与地球相比，直径为53，体积为15，质量为 10.8，重力为38，大气密度为1%。大气的主要成分，CO2占95，氮占3，氟占 1 2，氧占 0.1，还有少量的CO和水蒸气.火星上有云、雾、霜和大风，有四季交替的气候变化，平均温度60，昼夜温度差达100多度，再加磁场弱，不能阻隔太阳风、宇宙线和紫外线等的直接照射。在火星环境中，老鼠
12、、乌龟、青蛙、蜘蛛和甲虫，分别只能活几秒钟、6小时、25小时和几个星期。月球是地球的最近邻，始终以同一面对着地球，重力只相当于地球的16，月球表面没有空气和水，是一个死寂的不毛之地。但用其所长，却是一个大有作为的场所。由于没有大气，太阳能的利用效率是地球上的15倍，宇宙线、太阳辐射、太阳风、流星体等宇宙信息，可以不受阻碍地到达月面。再加没有磁场、没有振动，有非常高的真空度，可以成本低廉地实现地面上甚至航天器上不能实现的大规模物理化学实验研究。再分没有有机物，是进行生命科学实验的理想场所。再加自转速度小。黑夜长、温度低，背面没有人造光源和电波干扰，是天文观测的理想场所。再加重力小，可用小火箭发射
13、大飞船。如此等等。同时，月球上还有可供利用的丰富矿物资源。 4. 第一个行星探测器人们发射了人造卫星以后不久，就开始了行星探测器的研制工作。太阳系内有9颗大行星，它们是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。探测的第一个目标，就是离地球最近的金星。开始，事情进行得并不顺利，屡次失败。直到1962年8月27日，第一个金星探测器“水手2号”发射成功。12月14日，“水手2号”在距金星34838公里处飞过，完成了对金星的逼近考察，成为一颗人造行星，永远环绕太阳飞行，每3459天绕太阳一周。之后，人们发射了好几个金星探测器，其中有的进入了金星的大气层，有的在金星上软着陆。它们向地球
14、送回了大量的资料，揭开了蒙在金星表面的那层面纱，取得了丰硕成果。火星是太阳系中一颗迷人的天体。它上面是否有生命，一直是个谜，很自然地，在行星际旅行的最初阶段，人们立即想到要去拜访那些想象中的“火星人”。1965年，人们发射了火星探测器“水手4号”，第一次对火星进行逼近探测。之后，人们发射了好几个火星探测器，有的在绕火星的轨道上飞行，有的在火星表面上软着陆(目前的勇气和机遇号)。它们发回了大量资料。但是，没有一个火星探测器找到过火星人的踪迹。水星探测器“水手10号”于1973年11月3日发射成功。它飞行了506个日日夜夜。在飞行期间，它向地球传送了4000多幅很清晰的电视照片。根据照片，人们已给
15、水星绘制了地貌图。 水星给人们的印象是：它是多么地象月亮啊!为了考察木星这颗外行星，美国在1972年3月3日发射了第一个木星探测器“先锋10号”。“先锋10号”穿越火星轨道后，同年7月进入小行星带，1973年2月安全无恙地通过了这个危险区域，径直向木星飞去，开始了对木星这颗太阳系内最大的行星的观测。这位重270千克的“使者”飞行了21个月，行程10亿公里，于1973年12月5日风尘仆仆地来到木星上空。从它发回的资料来看，木星上奇异的大红斑是一个耸立在10公里高空的云团。这云团可能是一个强大的逆时针旋转的长寿命旋涡，也可能是一个团激烈上升的气流。“先锋10号”被木星的巨大引力加速，终于克服了太阳引力场，成为第一艘逃离太阳系的宇宙飞船。8年之后，它将穿过最远的行星冥王星的轨道，然后以每小时4万公里的速度向金牛座飞去。
