第五章现代宇宙学地球科学与空间技术辅导内容线索 本章内容从结构上看分为宇宙学、地球科学和空间技术三大部分，前两部分又各分为结构分析(宇宙结构、地球结构)和理论学说(大爆炸理论、板块构造理论)两个内容。 重点与难点1.恒星、太阳系的特征；2.地球外部圈层结构，空间技术的应用。难点宇宙大爆炸理论。 第一节 宇宙的起源与未来一、宇宙与人类的宇宙观 1.宇宙 宇宙是天地万物，是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。 我国古代就有人将宇宙看作是空间和时间的统一，(淮南子原道训)注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。” 。 天文学上通常将天文观测所及的整个时空范围称为“可观测宇宙”。现代科学的基本观念之一，就是可观测宇宙也像其他事物一样，有它诞生发展的历史。据现代宇宙学说估算，宇宙年龄是极其漫长的，约为150亿岁；可观测的全部宇宙空间是极为庞大的，已观测到的最远的星系距离我们大约150亿光年。 2.宇宙的组成 宇宙是由各类天体和弥漫物质组成的，恒星、星云、行星、卫星、彗星、流星等形形色色的天体都是宇宙物质的存在形式。宇宙中最主要的天体是恒星和星云。恒星是像太阳一样本身能发光的星球，晴夜用肉眼看到的许多闪闪发光的星星中，绝大多数是恒星。星云是由极其稀薄的气体和尘埃组成的，形状很不规则，似云雾状的天体。3.人类宇宙观的演变 最早人们认为大地是平坦的，天像一把伞覆盖着大地；浑天说认为天地具有蛋状结构，地在中心，天在周围 。 亚里士多德-托勒密的地心说，认为地球是宇宙的中心，这一学说占统治地位的时间长达1 400年之久。 16世纪，哥白尼提出了日心说，他在天体运行论一书中提出“太阳是宇宙的中心”。 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，宇宙膨胀的动态宇宙演化观念进入了人类的意识。20世纪20年代，首先由前苏联的弗里德曼提出了均匀各向同性膨胀的动态宇宙模型。特别是在哈勃发现了红移定律后，20世纪40年代形成了伽莫夫的宇宙大爆炸理论，促成了现代宇宙学的诞生。20世纪70年代，霍金用广义相对论推演宇宙演变，进一步提出了有关宇宙起源和终结的论断。 二、宇宙的起源1.宇宙大爆炸理论 大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙是有开端的，是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，然后突然发生大爆炸，使物质密度和整体温度发生极大的变化，宇宙从密到稀、从热到冷、不断膨胀，形成了我们的宇宙。 宇宙大爆炸的设想最早是由比利时天文学家勒梅特在1932年提出的。 到20世纪40年代，美籍俄国天体物理学家伽莫夫提出了热大爆炸宇宙学模型，并计算出爆炸之初的温度、温度下降酌快慢等，论述了演化过程。 大爆炸理论在诞生之初由于缺少证据并不使人信服，但到20世纪60年代以后，越来越多的证据表明大爆炸模型在科学上有强大的说服力，特别是英国著名理论物理学家斯蒂芬霍金对于宇宙起源后最初的宇宙演化图景作了清晰的阐释。 根据大爆炸宇宙学模型的观点，宇宙150亿年的演化过程分为三个阶段。大爆炸的整个过程大致是： 大约150亿年前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大。突然，这个体积无限小的点在“无”中爆炸了，时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。 大爆炸的瞬间被定作宇宙年龄“零”时。 第一个阶段是宇宙的极早期。宇宙处在这个阶段的时间特别短，短到以秒来计，称为“太初第一秒”。刚刚诞生的宇宙是极其炽热、致密的，随着宇宙迅速膨胀，温度急速下降。当宇宙年龄为百分之一秒时，温度降到1 000亿摄氏度；当宇宙年龄为1秒时，温度继续下降，但仍高达100亿摄氏度以上，宇宙处于一种极高温、高密的状态，当时除氢核质子外，没有任何别的化学元素，仅由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成，成为热平衡状态下的“宇宙汤”。 第二个阶段是化学元素形成阶段，此阶段大约经历了数千年。在“宇宙汤”中，原先只有中子和质子等基本粒子，在3分钟时中子和质子之比为1：6。随着整个宇宙体系不断膨胀，温度很快下降。当温度降到10亿摄氏度左右时，中子开始失去自由存在的条件，化学元素从这时开始形成。中子和质子开始核聚变过程，所有的中子迅速合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中，余下的质子就成了氢原子核。当温度进一步下降到100万摄氏度时，早期形成化学元素的过程就结束了。此时宇宙间的物质主要是这些比较轻的原子核和质子、电子、光子等，光辐射很强，但没有星体存在。 第三个阶段是宇宙形成的主体阶段。这个阶段的时间最长，至今我们仍生活在这一阶段中。这一阶段起始于温度降到几千摄氏度时，此时上述各种原子核开始与电子结合为中性原子，这一过程称为复合。由于温度的降低，辐射也逐步减弱，宇宙间主要是气态物质，这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块。又过了几十亿年，中性原子在引力作用下逐渐聚集，先后形成了各级天体。气体逐渐凝聚成星云，并逐渐演化成星系、恒星和行星，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天所看到的五彩缤纷的星空世界。在个别天体上还出现了生命现象，人类也终于在地球上诞生了。 2.大爆炸理论的依据 宇宙大爆炸理论之所以能从刚提出的时候不受关注到异军突起，是因为大爆炸理论得到了逐渐增多的天文观测事实的支持。目前，支持宇宙大爆炸理论的主要天文观测事实有：(1) 星系红移现象的发现天文学家观测到河外天体有系统性的谱线红移，用多普勒效应解释，红移说明各星系正以很高的速度彼此飞离。河外星系普遍远离我们而去，表明宇宙正处在整体膨胀之中，这完全符合大爆炸后膨胀的理论。 (2) 3k微波背景辐射的发现根据大爆炸理论，通过宇宙膨胀速度等可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。伽莫夫等人在1948年就断言，我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在已经很冷了，目前宇宙中应到处存在着一定温度的背景辐射，相应的温度大约是5K左右。由于它的辐射峰值在微波波段，故称为宇宙微波背景辐射。 1964年，美国贝尔电话公司工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试巨大的喇叭形天线时，出乎意料地收到一种无线电干扰噪声，这种噪声在天空中的任何方向上都能接收到，在各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无变化。这种噪声的波长在微波波段，这一发现正是大爆炸宇宙论预言的宇宙微波背景辐射，经过进一步测量和计算，得出辐射温度是27K，一般称之为3K宇宙微波背景辐射。 宇宙微波背景辐射的发现，是继1929年哈勃发现星系谱线红移之后的又一重大的天文成就，因此它被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。微波背景辐射的发现有力地支持了宇宙大爆炸理论。 （3）宇宙元素的丰度的测量大爆炸模型预言宇宙应当由大约25的氦和75的氢组成，这与天文测量结果极为符合。在宇宙中，氢和氦是最丰富的元素，二者丰度之和约占99。而且氢和氦的丰度比在许多不同的天体上均约为3：1左右。 宇宙中99以上的物质是由最初形成的氢与氦构成的；而造成行星和生命的丰富多彩的重元素还不到宇宙总质量的1，它们大部分是在形成恒星后产生的。 (4)宇宙的年龄 按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度，就可估计出大爆炸那一时刻距今约150亿年。 利用放射性同位素含量测定年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石，测量了宇航员从月球上带回的土壤、岩石样品，测量了来自行星际空间的陨石，发现它们的年龄均不超过47亿年。恒星的年龄可从它们的发光速率与能源储备来估算，根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估计出银河系中最老恒星的年龄为100亿150亿年。用这两种完全不同的方法得到的天体年龄与“宇宙龄”是协调一致的，这对大爆炸宇宙模型是十分有力的支持。 三、宇宙的未来 按照大爆炸模型，宇宙在诞生后不断膨胀，与此同时，物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。这里有两种可能： 一种可能是宇宙膨胀将永远继续下去。如果宇宙总质量小于某一特定数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将一直膨胀下去。在这个系统里，引力虽不足以使膨胀停止，但会不断地消耗着系统的能量，使宇宙缓慢地走向衰亡。宇宙越来越稀薄和寒冷，直至物质本身最后衰亡，只剩下宇宙背景辐射。到非常遥远的将来，所有的恒星燃尽熄灭，茫茫黑暗中潜伏着一些黑洞、中子星等天体。 黑洞释放出微弱的辐射，最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后，连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了，宇宙最终变成一锅稀得难以置信的“汤”，其中只有光子、中微子，越来越少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此越来越远，不会再有任何基本物理过程出现，出现寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙，此时它已经走完了自己的历程。 另一种可能是膨胀停止而代之以收缩。如果宇宙的总质量大于某一特定数值，那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩，造成与大爆炸相反的“大坍塌”。收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的，像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢，随后越来越快。宇宙的体积开始缩小，背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉，行星、恒星也毁灭了，分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内，任何天体都在劫难逃。 最后三分钟来临了，温度变得如此之高，连原子核也被撕毁，宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后，质子和中子也无法区分，挤成一堆等离子体。在最后的时刻实现“大紧缩”，宇宙逆转回到出发点。引力成为占绝对优势的作用力，所有的物质都因挤压不复存在，一切有形的东西，包括空间和时间本身，都被消灭，成为一切事物的末日。宇宙在大爆炸中诞生于无，此刻也归于无。 宇宙是膨胀还是收缩这两种可能主要取决于宇宙物质的总量。根据目前的估算，宇宙物质的总量只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右，因此如果仅仅是依据观测证据，则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。但是可能还有其他种类的暗物质未被我们探测到，可能最普通的基本粒子中微子也存在静止质量，只要其中任何一个问题的答案是肯定的，那么总引力便足以阻止膨胀，宇宙最终可能会坍缩。 宇宙大爆炸学说在两个关键问题上无法解释： 其一，大爆炸以前宇宙的图景如何?大爆炸宇宙的理论不能外推到大爆炸之前，尚不能确切地解释在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西，是什么引起了大爆炸。 其二，如果宇宙最终重新坍缩回到原点，又会发生什么? 宇宙无始无终论 宇宙一直在反复地收缩然后又膨胀着。宇宙曾经处于体积非常大、物质密度非常小的状态，它在万有引力作用下渐渐收缩、聚拢起来，直到所有的物质统统撞到一起为止，这样的宇宙被称为收缩宇宙。然后，它突然爆炸了，结果形成我们今天观测到的这个膨胀宇宙。今天的宇宙膨胀将被不断起作用的引力所抵消，最终引力迫使宇宙的膨胀完全停顿下来，进而又转为收缩。因此有可能宇宙并没有什么开端，它一直在反复地聚拢然后又分开，分开而后又聚拢，聚拢分开永无止境。这样的一幅图景被称为振荡宇宙。 第二节 宇宙的结构一、星 系 1.星系 星系或称恒星系，是宇宙系统中的重要一环。星系是由千百亿颗恒星以及分布在它们之间的星际气体、宇宙尘埃等物质构成的、占据了成千上万光年空间距离的天体系统。 2.银河系 银河系是一个中型恒星系，直径约为10万光年，大约包含1 0002 000亿颗恒星。银河系的形态如同铁饼状的圆盘体，中部较厚而四周较薄。它有三个主要组成部分：银盘、银核和晕轮。它是一个典型漩涡状恒星系。 二、恒 星 1.恒星的特征 恒星是由炽热气态物质组成，能自行发热发光的球形或接近球形的天体。一般来说，恒