第二章 行星地球简史一 混沌初开 - 宇宙始于大爆炸？混沌初开，乾坤始奠。混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊轻清者上浮为天，重浊者下凝为地者下凝为地”。 中国古代的贤哲 作为自然科学研究的具体对作为自然科学研究的具体对象，宇宙是一个有限的客观存在象，宇宙是一个有限的客观存在。这样一个宇宙，应该有它的开。这样一个宇宙，应该有它的开端。端。n宇宙是怎样开端的呢？宇宙是怎样开端的呢？2020世纪初，天文学家斯里弗尔世纪初，天文学家斯里弗尔（V.M. V.M. SlipherSlipher, 1875-1969), 1875-1969)n在观测银河系外的仙女座大星云时，取得15个星系的光谱资料，经过研究，发现其中13个正在以每秒数十万米的高速退行，即离开我们愈来愈远。19291929年，哈勃年，哈勃(E.P. Hubble,1889-1953)(E.P. Hubble,1889-1953)n根据观测到的河外星系正在退行的资料，提出：一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们已知的宇宙正在膨胀。爱因斯坦爱因斯坦(Albert (Albert EinstienEinstien, , 1879-1955)1879-1955)在在19161916年提出的广义相对论年提出的广义相对论n演绎出宇宙在膨胀的理论。n哈勃的发现被认为是对这些理论的验证。以后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在膨胀，曾测到有的河外星系之间，正以每小时2,500,000km的速度在拉开距离。比利时天文学家勒梅特比利时天文学家勒梅特(G.E.Lematre,1894-1966)(G.E.Lematre,1894-1966)19271927年就提出：年就提出：n宇宙为什么会膨胀呢？n 膨胀的宇宙会不会是爆炸的产物呢？BIG BANG大爆炸n宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密n温度约1032K，绝对温度1亿亿亿亿度n显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙BIG BANG大爆炸现在认识：现在认识：n大爆炸后1秒钟，温度降到1010K，粒子间的强相互作用、弱相互作用、电磁力和引力开始分开。n 在高温下处于基本粒子状态的物质，随着温度的降低，聚合成各类原子约在大爆炸后约在大爆炸后50 - 10050 - 100万年万年n首先由电子和质子合成氢原子n接着是氦原子也大量生成了n随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成爆炸后爆炸后100100万年到万年到2020亿年亿年n逐步形成各类天体星系点击播放视频点击播放视频怎麽能证明怎麽能证明150150亿年前发生过这亿年前发生过这样的大爆炸呢？样的大爆炸呢？n爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到40000K以下时才开始形成n现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合这个理论的推断。n特别是盖莫夫(G.Gamow，1904-1968)预言：在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温度几度。彭兹亚斯彭兹亚斯(A.A.Penzias,1933- (A.A.Penzias,1933- ) )和威尔逊和威尔逊(R.W.Wilson,1936- (R.W.Wilson,1936- ) )发现：发现：n1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜，在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。n为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金。其它证据：其它证据：n现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的含量，一般都达到30%左右，仅仅太阳上那种氢合成氦的作用，是不能造出这么多氦的，而大爆炸能做到n因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实n天文观测中已多次记录到超新星爆炸n另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以作为佐证。二、二、太阳系的起源太阳系的起源大爆炸发生约100亿年之后太阳系出现哲学家康德哲学家康德(Immanuel Kant, (Immanuel Kant, 1724-11724-1804) 804) 星云说n在献给普鲁士国王的自然通史和天体理论中假定：最初“整个宇宙的物质都处于分散的状态，并由此造成一种完全的混沌”，“ 构成我们太阳系的星球的物质，在太初时都分解为基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用，使这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体。拉普拉斯拉普拉斯(P.S.(P.S.LaplaceLaplace, 1749-, 1749-1827)1827)n在一本科普读物宇宙体系论述的附录中，对太阳系的形成，作出了自己的解释并广为流传n拉普拉斯虽没看到过康德的书，但他自己独立提出的见解却与康德大同小异，而且充实了星云说n旋转星云析出圆环，圆环一次又一次地被分出来，并分别凝聚结成行星，行星周围的卫星也有着类似的形成过程n星云中心部分则收缩成为太阳（不知热核反应）星云说不能解决太阳系中星云说不能解决太阳系中许多问题许多问题n太阳和行星的单位质量的角动量，应该是一样的，但实际上相差近100倍2020世纪初期中期世纪初期中期n灾变说n潮汐说n俘获说（苏联 斯密特：原始太阳随银河系公转，在经过有大量星际物质弥漫的空间时，将它们吸引在周围，成为行星的物质来源的，用外来物质形成的行星，角动量可以和太阳不同19421942年瑞典物理学家阿尔文年瑞典物理学家阿尔文(H.O.G.(H.O.G.AlfvenAlfven, 1908- ), 1908- )n太阳可以通过磁场的作用，把自己的一部分角动量转移给形成行星和卫星的云团n电磁场的作用能说明在太阳系形成的过程中，从中心抛出物质的质量虽不多，但带走的角动量可以很多三、地球的诞生三、地球的诞生n天，积气也；无处无气。地，积块（土）也；充塞四虚，无处无块” 列子 天瑞n天是气的集合，地是土的集合 古代贤哲的卓识20世纪30年代末天文观测证实n在银河系中，有许多气体和尘埃存在n这些气体主要是氢和氦。气体在这些星际物质中，按质量计要占到98%左右n尘埃里主要是水、甲烷和氨等液体、气体冻结而成的固体微粒；还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料。固体物质不及2%，颗粒细微，半径只有0.0001(万分之一)厘米左右，微粒弥漫在整个太空中地球的成分地球的成分n氢和氦的含量都很少n而是铁占了第一位，其次是氧和硅，还有很多镁、镍和铝等金属n地球的化学组成为何如此不同？形成地球的这团冷星云，在万有引力的作用下，物形成地球的这团冷星云，在万有引力的作用下，物质的微粒互相吸引，形成小的团块，也叫做星子质的微粒互相吸引，形成小的团块，也叫做星子n星子再互相吸引，大的吃掉小的，不断碰撞、不断吸积，直至成为地球和其他行星的前身。这个原始的地球是一个比今日的地球大得多的尘埃的集合体，大致沿着今天的地球轨道自转地球的形成地球的形成n在太阳系内，由于接受的太阳辐射多，温度高，轻的气体被辐射到远处，散失到太阳系的外部 远处构成类木行星远处构成类木行星n近太阳的地区，以尘埃中的固体物质为主，化学组成当然和原来的星云有显著的不同（铁、硅、镁、氧为主） 近处构成类地行星近处构成类地行星原始地球内的原始地球内的“ 星子星子”n受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩小，物质的密度越来越大n收缩不是无限的，因为物质还要受到自转所产生的惯性离心力的作用，而离心力是要随着体积缩小，导致自转速度加快而增大，当离心力增大到能抵消引力时，就达到平衡冷 热 冷n尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能n尽管原始的星云物质是冷冷的，后来地球曾经历过一个高温时期，至少是局部物质处於热热的熔融状态，以后收缩停止，才又逐渐冷冷却凝结地球圈层的形成地球圈层的形成n重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融，使重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构n铁和镍比较重，含量也多，分离出来成为液态的金属向中心聚集 地核地核n较轻的硅酸盐物质形成地幔地幔和地幔之上的地壳地壳n气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围