第三章宇宙的起源与演化

第三章宇宙的起源与演化

教学目的要求：了解宇宙基本构成和人类宇宙观的历史演变；了解天文领域的重大成就，理解宇宙大爆炸理论的基本观点；掌握恒星诞生、演化、结局的规律。

教学重点：宇宙大爆炸理论、恒星的演化。

教学难点：宇宙大爆炸理论。

教学具体内容：宇宙的起源和演化、宇宙概观；人类对宇宙的认识和探索；宇宙的起源和演化；星系；恒星；太阳和太阳系；

第一节人类探索宇宙的历程

一、古人对宇宙的认识

古代自然哲学家们对宇宙问题的探讨，大多是在大地和天空的相互关系问题上。随着科学的发展，后来又进入到地球和太阳之间的关系上。

古代各民族都有自己对宇宙的认识和想象。它们带有深刻的民族特点。比如，中国古代就逐渐形成“天圆如张盖，地方如棋局”；古代埃及人认为大地是漂浮在水上的；古希腊人则认为大地下有支柱支撑着；古印度想象大地是驮在大象背上的；……。

地心说：公元2世纪，古希腊天文学家托勒密在总结前人对宇宙认识的基础上，提出“地球中心说”的宇宙模式。

日心说：1543年，波兰天文学家哥白尼又建立了“太阳中心说”的宇宙模式。

二、人类的探索

当人类还处于原始社会时期，就注意到天象与周围环境的变化关系，日升日落，月缺月圆，寒来暑往，斗转星移，形成了人们最初的日、月、季节、年的时间概念，并由此开始了对天的观测，专门观测天空的场所——天文台和各种观测仪器也随之建立和发明。从古老的观天遗址到现代的天文台，从最初的目视观测到现在巨大的光学天文望远镜和射电天线阵，这期间经历了几千年的漫长历程。伴随着天文观测工具的发明和不断改进，以天文观测为基础的古老天文学，得到了飞速的发展。用现代科学技术装备起来的现代天文台和太空探测器，为人类打开了一个个崭新的宇宙窗口，借助于这些现代化的观测工具，人类正在探索茫茫宇宙的奥秘。

三、人类宇宙观的历史演变

早期：宇宙图景、地心说

哥白尼：日心说

康德-拉普拉斯：星云假说

牛顿：无限宇宙理论模型

爱因斯坦：静态有限无界宇宙模型

弗里德曼：膨胀与缩小交替进行

哈勃：发现河外星系、星系退行

勒梅特：膨胀宇宙模型

第二节宇宙概观

一、宇宙概观

宇宙，是我们所在的空间，又是我们所在的时间。“宇”字的本义就是指“上下四方”，“宙”的本意就是指“古往今来”。

宇宙多样性在于物质表现形态的各异；统一性就在于其物质性。

天体（恒星、星云、行星、卫星、彗星、星际物质、各类射线等等）──→宇宙

1、天球和天球坐标

天球

我们站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都离我们一样远。星星就好像镶嵌在一个圆形天幕上的宝石。实际星星和我们的距离有远有近，我们看到的是它们在这个巨大的圆球球面上的投影，这个假想的圆球就称为天球，它的半径是无限大。而地球就悬挂在这个天球中央。目的：为了研究天体在天空中的位置和运动。

天球坐标

北天极、南天极、天赤道、赤纬线、赤经线等

2、人类已知的天体系统

小→大：

地月系────→太阳系────→银河系/河外星系────→总星系

（有一、二千亿颗恒星）（约有10亿个星系）第三节、宇宙的起源和演化

1、现代宇宙学的诞生

二十世纪以来，在大量的天文观测资料和现代物理学的基础上，产生了现代宇宙学。现代宇宙学包括密切联系的两个方面，即观测宇宙学和理论宇宙学。前者侧重于发现大尺度的观测特征，后者侧重于研究宇宙的运动学和动力学以及建立宇宙模型。

1915年爱因斯坦提出他的革命性的广义相对论。在该理论中，空间和时间不再是绝对的，不再是事件的固定背景。1917年，爱因斯坦将他的广义相对论应用于宇宙学研究，得到了一个无限界的静态宇宙模型。→现代宇宙学。

2、宇宙膨胀的证据

1924年费里德曼（I.Fredman）：在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止状态。

1929年哈勃（E.P.Hubble）：观测到大多数星系光谱具有红移现象，其红移量大致与星系的距离成正比。

3、宇宙起源的“大爆炸模型”

宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。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。

刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的，随着宇宙的迅速膨胀，其温度迅速下降。最初的1

秒钟过后，宇宙的温度降到约100亿度，这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷，核反应开始发生，生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合，形成越来越大的团块，并逐渐演化成星系、恒星和行星，在个别天体上还出现了生命现象。然后，能够认识宇宙的人类终于诞生了。

这幅大爆炸图景，是目前关于宇宙起源最可能的一种解释，被称为“大爆炸模型”。大爆炸理论诞生于20年代，在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展，但一直寂寂无闻。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论，不过也只是觉得它很好玩，并不信服。人们更愿意认为，宇宙是稳定的、永恒的。

但是，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。我们不得不相信，宇宙有一个开始，也将有一个终结。它产生于“无”，也终将回归于“无”。

4、宇宙的演化

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。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”。如果宇宙总质量小于这一数值，则引力不足以阻止膨胀，宇宙就将永远膨胀下去。

四、星系

1、银河和银河系

2、太阳在银河系的位置和运动

3、星系

4、总星系

5、星系的形成和演化

五、恒星

恒星是由热气体组成的，能自行发光的球体或接近球形的天体。

恒星的成分，按组成成分而言约为70%的氢、20%的氦、1.5%的碳、氮、氧等和0.5%

的铁元素等。

多数恒星质量在0.1至10个太阳质量之间大的恒星质量是太阳的120多倍，而小的恒星质量只有太阳的百分之几。

恒星的数量庞大，我们用肉眼可看到的大约有6500多颗，在望远镜中能看到的恒星在几百万颗以上。在地球上遥望夜空，宇宙是恒星的世界。

太阳是最接近的地球的一颗恒星。