自然科学知识——宇宙

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1、、宇 宙（一）宇宙观与宇宙学1宇宙宇宙是指包括地球及其他一切天体的无穷空间。具体一点讲，宇宙是指广袤 空间和其中存在的各类天体和弥漫物质的总称。哲学上又叫世界，指一切物质及 其存在形式的整体。“宇”指无穷空间，“宙”指无穷时刻。在中国古籍中最先利用宇宙那个词的是庄子齐物论“宇”的含义包括 各个方向，如东西南北的一切地址。“宙”包括过去、此刻、白天、黑夜，即一 切不同的具体时刻。宇宙是物质世界，它处于不断的运动和进展中，在空间上无边无界，在时刻 上无始无终。宇宙是多样而又统一的，它的多样性在于物质的表现形态，它的统 一性在于其物质性。人类对宇宙的熟悉，是从太阳到银河系，再扩展到河外星系、星系团、

2、总星 系，是不断进展的。人们的视野已达到100 多亿光年的宇宙深处。有人把总星系 称为“观测到的宇宙”、“咱们的宇宙”，也有人把总星系称为宇宙。宇宙天体呈 现出多种多样的形态：有密集的星体状态，有松散的星云状态，还有辐射场的持 续状态。各类星体千差万别，它们的大小、质量、密度、光度、温度、颜色、年 龄、寿命也各不相同。宇宙天体处于永久的运动和进展当中。天体的运动形式多种多样，例如自转、 各自的空间运动、绕系统中心的公转和参与整个天体系统的运动等。如月球一方 面自转，一方面围绕地球运转，同时又跟从地球一路围绕太阳运转。太阳一方面 自转，一方面又向着武仙座方向以 20 千米秒的速度运动，同时又带着

3、整个太 阳系以 250；千米秒的速度绕银河系中心运转，运转1 周约需亿年。银河系也 在自转，同时也有相关于临近星系的运动。天体不是同时形成的，每一个天体都有它的发生、进展、衰亡的历史，但作 为整体的宇宙那么不生不死，无始无终。2宇宙观宇宙观通常又称为世界观，是关于宇宙的整个图景及其一样性质的观点。宇 宙观的内容要紧包括两个方面：一是宇宙的一样图景，即宇宙的本质或物质基础； 一是宇宙的进展及其一样规律，即宇宙的演化进程和贯穿于那个进程中的一样规 律。科学的宇宙观是以人类实践和相关科学为基础，又对人类实践和相关科学的 研究具有指导作用，这确实是咱们常常讲的科学的宇宙观是咱们熟悉世界和改造 世界的最

4、一样的思想、方式。人类的宇宙观有其进展的历史，归纳起来有两条主线，一是宇宙结构观念的 进展，一是宇宙演化观念的进展。(1)宇宙结构观念的进展。远古时期，人们对宇宙结构的熟悉处于十分幼稚 的状态，他们通常依照自己的生活环境和生活体会对宇宙的构造进行推测。中国古代的宇宙观要紧有：盖天说、浑天说、宣夜说、昕天说、穹天说、安 天说等。盖天说：这是创建于商朝的在中国居于统治地位的学说。生活在华夏大地上 的人们提出的初期盖天说以为，天是帽子，地是棋盘，天圆地址，固然天比腹地 大一些了。看看中国历史上的主流钱币的形状，就能够够轻易地明白得盖天说了。 后来此说进展为天穹像一口锅，倒扣在平坦的大地上的说法。浑天

5、说：创建于周朝，东汉张衡为集大成者，制成了浑天仪，著有浑天仪 图说。张衡把天地比喻为一个鸡蛋，视天体为浑圆如弹丸，因此称为“浑天”。 地是鸡蛋里面的蛋黄，天是外面的蛋壳，天包着地，就如蛋壳包着蛋黄一样。张 衡以为，天体像一个圆球一样不断地旋转着，而日月星辰那么随着天的旋转一路 运动。天绕着地天天旋转一周，因此老是半见于地平之上，半隐于地平之下。宣夜说：宣夜者，整夜不眠也，说明这是大量天文观看得出的结论。此说以 为，大地是一个球状实体，而日月星辰满是气体，飘浮于也是气体球的天空中。 此说创建于周朝，比较闻名的反映这一理论的是列子中的一篇寓言杞人忧 天。昕天说：昕者，太阳运动也。此说是盖天说的改良

6、型，以为天像一个车轮， 会转动，因此天体在运行。穹天说：穹者，房顶也。此说也是盖天说的改良型， 以为天是一个球状的壳，而且还会转动，带动了天体运行。安天说：安天者，天不动也。这是宣夜说的改良型，也是中国古代宇宙观中 最接近现代思想的一种，以为天是不动的，是无边的，是永久的，日月星辰各依 轨道在天中运行，而球状的大地在天的中间转动，使咱们感觉天是动的。公元前7世纪，巴比伦人以为，天和地都是拱形的，大地被海洋所围绕，而 其中央那么是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子， 大地的中央那么是尼罗河。公元前7世纪末，古希腊的泰勒斯以为，大地是浮在 水面上的庞大圆盘，上面笼罩着拱形的天

7、穹。最先熟悉到大地是球形的是古希腊人。公元前6世纪，毕达哥拉斯从美学观 念动身，以为一切立体图形中最美的是球形，主张天体和咱们所居住的大地都是 球形的。这一观念为后来许多古希腊学者所继承，但直到15191522年，葡萄 牙的麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后，地球是球形的观念才最终被证 明。公元2世纪，托勒密提出了一个完整的地心说。这一学说以为地球在宇宙的 中央安然不动，月亮、太阳和诸行星和最外层的恒星天体都在以不同的速度绕着 地球旋转。地心说曾在欧洲流传了1 000连年。1543年，哥白尼提出科学的日 心说，以为太阳位于宇宙中心，而地球那么是一颗沿圆轨道绕太阳公转的一般行 星。1609

8、年，开普勒揭露了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转，进展了 哥白尼的日心说。同年，伽利略那么率先用望远镜观测天空，用大量观测事实证 明了日心说的正确性。1687年，牛顿提出了万有引力定律，深刻揭露了行星绕 太阳运动的力学缘故，使日心说有了牢固的力学基础。在这以后，人们慢慢成立 起 了科学的太阳系概念。在哥白尼的宇宙图像中，恒星只是位于最外层恒星天上的光点。1584 年， 布鲁诺斗胆取消了这层恒星天，以为恒星都是遥远的太阳。18世纪上半叶，由 于哈雷对恒星自行的进展和布拉得雷对恒星遥远距离的科学估量，布鲁诺的推测 取得了愈来愈多人的赞同。18世纪中叶，赖特、康德和朗伯推测说，布满全天 的恒星和

9、银河组成了一个庞大的天体系统。赫歇尔初创用取样统计的方式，用望 远镜数出了天空中大量选定区域的星数和亮星与暗星的比例，1785 年第一取得 了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图，从而奠定了银河系概念的 基础。在尔后一个半世纪中，沙普利发觉了太阳不在银河系中心，奥尔特发觉了 银河系的自转和旋臂，和通过许多人对银河系直径、厚度的测定，科学的银河系 概念才最终确立。18 世纪中叶，康德等人还提出，在整个宇宙中，存在着无数像咱们的天体 系统(指银河系)那样的天体系统，而那时看去呈云雾状的“星云”极可能正是如 此的天体系统。1924 年，哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离，确认了 河外星系

10、的存在。近半个世纪，人们通过对河外星系的研究，不仅已发觉了星系团、超星系团 等更高层次的天体系统，而且已使咱们的视野扩展到远达 100 亿光年的宇宙深 处。(2)宇宙演化观念的进展。在中国，早在西汉时期，淮南子做真训指 出：“有始者，有未始有有始者，有未始有夫未始有有始者。”以为世界有它的开 辟之时，有它的开辟以前的时期，也有它的开辟以前的以前的时期。淮南子天 文训中还具体勾画了世界 从无形的物质状态到混沌状态再到天地万物生成演 变的进程。在古希腊，也存在着类似的观点。例如留基伯就提出，由于原子在空虚的空 间中做漩涡运动，结果轻的物质逃逸到外部的虚空，而其余的物质那么组成了球 形的天体，从而形

11、成了咱们的世界。太阳系概念确立以后，人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源。 1644 年，笛卡儿提出了太阳系起源的漩涡说；1745 年，布丰提出了一个因大彗星与 太阳掠碰致使形成行星系统的太阳系起源说；1755年和 1796 年，康德和拉普拉 斯那么各自提出了太阳系起源的星云说。现代探讨太阳系起源的新星云说正是在 康德拉普拉斯星云说的基础上进展起来的。现代天文学已能揭露天体的起源和演化的历程。今世关于太阳系起源学说以 为，太阳系极可能是 50 亿年前银河系中的一团尘埃气体云（原始太阳星云），由 于引力收缩而慢慢形成的。恒星是由星云产生的，它的一生经历了引力收缩时期、 主序时期、红巨星时期、晚

12、期时期和临终时期。星系的起源和宇宙起源紧密相关， 流行的观点是：在宇宙发生热大爆炸后40万年，温度降到4 000K，宇宙从辐射 为主时期转化为物质为主时期，这时或由于密度涨落形成的引力不稳固性，或由 于宇宙湍流的作用而慢慢形成原星系，然后再演化为星系团和星系。大爆炸宇宙 模型刻画了宇宙的起源和演化史：咱们的宇宙起源于200 亿年前的一次大爆炸， 那时温度极高、密度极大。随着宇宙的膨胀，它经历了从热到冷、从密到稀、从 辐射为主时期到物质为主时期的演变进程，直至10亿20亿年前，才进入大规 模形成星系的时期，尔后慢慢形成了咱们现今看到的宇宙。 1980 年提出的暴胀 宇宙模型那么是大爆炸宇宙模型的

13、补充。它以为在宇宙极初期，在咱们的宇宙诞 生后约 10-36秒的时候，它曾经历了一个暴胀时期。随着天文学的不断进展，人们已慢慢成立了科学的宇宙观，对人类所处的位 置及所起的作用有了更清楚的熟悉。3宇宙学宇宙学是天文学的一个分支学科，它从整体的角度来研究宇宙的结构和演 化，即从大尺度的范围来研究时刻、空间的性质，物质及运动的大体规律。由于 宇宙问题的特殊性，几千年来，人们对宇宙的探讨几乎没有质的冲破，以至于宇 宙学被很多人看做是不够成熟的学科。在中国古代，关于宇宙的结构要紧有三派学说，即盖天说、浑天说和宣夜说。 在古代希腊和罗马，从公元前 6世纪到公元1 世纪，关于宇宙的构造和本源有过 许多学说

14、。如毕达哥拉斯学派的中心火焰说（假想宇宙中心有一团大火焰）；阿里 斯塔克的日心说；柏拉图的正多面体宇宙结构模型等。进人中世纪后，宇宙学被 纳入经院哲学体系，地心说占据正统的地位。16 世纪，哥白尼提倡日心说。到 17世纪，牛顿开辟了以力学方式研究宇宙学的途径，成立了经典宇宙学。20 世 纪以来，由于先进的探测技术和大量观测资料的显现，加上现代物理学的日趋进 展，产生了现代宇宙学。现代宇宙学不仅十分活跃，而且在许多方面取得了令人 信服的成绩。从古代到中世纪，人们关于宇宙的熟悉充满了科学与宗教、唯心主义与唯物 主义的斗争。其重要的表现之一确实是日心说与地心说的斗争。进入 16 世纪， 随着观测技术

15、的进步，地心体系的错误日趋暴露。波兰天文学家哥白尼在对行星 位置的精准测定和对行星运动规律进行分析的基础上，于 1543 年发表了名著天 体运行论，提出了日心地动说的正确思想。由于日心说危及了教会的思想统治， 罗马教廷于 1616 年把天体运行论列为禁书，并对宣传日心说的科学家进行 公布的、残酷的迫害。但是通过开普勒、伽利略、牛顿等人的工作和后来的天文 观测结果证明，日心体系终于为人们所同意。日心说的成功被以为是人类熟悉史 上的一次飞跃，它使自然科学从神学中解放出来。从历史上看，随着时期的进展，作为宇宙学研究对象的天体系统，在深度和 广度上不断扩展。古代自然哲学家所讨论的宇宙，不外乎大地和天空

16、。哥白尼在 天体运行论一书中说“太阳是宇宙的中心”，意味着宇宙实质上确实是太阳 系。18 世纪，天文学家引进“星系”一词，那时那个词在必然意义上说只只是 是宇宙的同义语。20 世纪以来，天文观测的尺度大大扩展，达到上百亿年和上 百亿光年的时空区域。现代宇宙学所研究的课题，确实是现今直接和间接观测所 涉及的整个天区的大尺度特点，即大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律。事实上，太阳只是太阳系的中心，不是宇宙的中心。1783 年，英国天文学 家赫歇尔第一次通过对恒星运动的分析，发觉太阳以约 175 千米秒的速度朝 织女星座周围方向运动，这比哥白尼的日心体系又大大前进了一步。 1918 年， 沙普利成立了银河系的正确模型，太阳仅是银河系中的一般一员，太阳到银河系 中心的距离约 3万光年。美国天文学家哈勃的工作那么证明咱们所处的银河系也 只是广袤宇宙空间中无数个星系中的一般一员，星系