第01章 宇宙的起源和演化

太 古 宙 Archean 3.8-2.5 Ba,38－25亿年前
38亿年前，陆壳开始形成, 海洋中开始有了生命的活 动。从出现最原始的原核细胞生物--蓝绿藻 32-29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖，后者能消 耗二氧化碳，产生出氧气 大约到27亿年前，游离氧在海洋中出现。绿色植物的 大量繁殖，更加快了大气和海洋环境的变化，使其 有利于高等喜氧生物的发展
大爆炸发生约80亿年之后
太阳系出现
哲学家康德(Immanuel Kant, 17241804) － 星云说


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。

冷 － 热 － 冷
地球圈层的形成
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

地核-地幔-地壳的分异
四、现代地球环境的逐渐形成

46亿年前，整个地球的温度都很高，表面 也接近于熔融的状态

现在认识：
大爆炸后1秒钟，温度降到1010°K，粒子 间的强相互作用、弱相互作用、电磁力 和引力开始分开。 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50 - 100万年
热核爆炸 首先由电子和质子合成氢原子 接着是氦原子也大量生成
随后其他所有元素的原子从轻到重

1942年瑞典物理学家阿尔文 (H.O.G.Alfven, 1908- )
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 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

太阳系内 太阳质量最大, 角动量最小,约1%
三、地球的诞生

遗憾的是，仅将它用来说明人事，并不用它去观 察山野间的岩石，他们甚至也未想到过需要对自 然作些什么观察。因为“ 天下之物本无可格者 ，其格物之功，只在身心上做”；因为“ 岂但 禽兽草木，虽天地也与我同体，鬼神也与我同体 。” －明，王守仁,
英国 郝顿 (James Hutton,1726-1797)
宙(宇)
代(界) 新生代(界)
同位素年龄(百万年) 0 65
248
543
1000
2500
五、怎样知道地球的过去？
那些发生在亿万年以前的往事，你
们是怎样知道的？

地球的历史就记录在岩石身上
沈括(1031-1095) 《梦溪笔谈》
对于地球表面的许多自然现象进行了科学的解释 谈到了流水的侵蚀与沉积作用，推断华北平原表 面的泥砂是由西部山区经过河流搬运而堆积下来 的 根据太行山山崖间所见海生螺蚌化石推断现在距 大海约千里的该地在古代曾经是海滨 他是我国首先认识并命名“石油”的人
地球的形成
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 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

原始地球内的“ 星子”
受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩
地球的成分
氢和氦的含量都很少 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 地球的化学组成为何如此不同？

形成地球的星云，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

星子再互相吸引，大的吸积小的，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
爱因斯坦
(Albert Einstien, 1879-1955) 在1916年提出的广义相对论
演绎出宇宙在膨胀的理论。 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 (G.E.Lematre,1894-1966) 1927年就提出：
拉普拉斯(place, 1749-1827)


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 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 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 星云中心部分则收缩成为太阳（不知热核反应）
元 古 宙 Proterozoic
1.8-0.6 Ba,距今18亿年前到6亿年



大陆不断扩大 大气变成以二氧化碳为最多 海洋里的生物最多的是菌藻植物，它们的活动 促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合， 碳酸钙镁等物质沉淀在海底，使大气中的二氧 化碳减少，氧和氮的含量逐步增加
显生宙, Phanerozoic
－－ 古生代，中生代，新生代 最近5亿多年来,543-0 Ma


大气圈的成分渐渐接近目前的状况 大气和海洋中，原为酸性的水在与岩石相互作用时， 将硅酸盐物质中的钠，钾，钙，镁，铝，铁等金属元 素夺取出来，形成多种盐类（以氯化物为主），海水 的成分也慢慢变成与今天相近的了 在这种环境中，生命加速发展，海洋中的生物迅速繁 荣起来（化石证据较多）
依次聚合而成(达到1%以上的元素铁 钴镍为极限)
爆炸后100万年到20亿年
逐步形成各类天体星系
怎麽能证明150亿年前发生过这样的大 爆炸呢？

爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到 40000°K 以下时才开始形成 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。 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。
地质年代表





纪(系) 第四纪(系) 第三纪(系) 白垩纪(系) 侏罗纪(系) 三迭纪(系) 显生宙(宇) 二叠纪(系) 石炭纪(系) 古生代(界) 泥盆纪(系) 志留纪(系) 奥陶纪(系) 寒武纪(系) 新元古代 震旦纪(系) 中元古代(界) 古元古代(界) 太古宙(宇) 冥古宙(.W.Wilson,1936- )发现：


1964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3°K的微波背 景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。 为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金。
其它证据：


小，物质的密度越来越大 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
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 尽管原始的星云物质是冷的，后来地球曾经历过 一个高温时期，至少是局部物质处於热的熔融状 态，以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结
宇宙为什么会膨胀呢？ 膨胀的宇宙会不会是爆炸的产物呢
？
《BIG BANG》－大爆炸
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 温度约1032°K，绝对温度1亿亿亿亿度 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
第一章
宇宙的起源和演化
第一节 宇宙、太阳与地球的一般特点 第二节 宇宙的起源
一、宇宙的起源
混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天 ，重浊者下凝为地”。
——中国古代的贤哲
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。这样一个宇 宙，应该有它的开端。
宇宙是怎样开端的呢？
20世纪初，天文学家斯里弗尔 （V.M. Slipher, 1875-1969)
当时的星云说不能解决 太阳系中许多问题
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 (不知道电磁能量的辐射)
20世纪初期－中期
灾变说 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
最初的大气成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、 甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等 (温度在400-500℃左右)

直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸 性的

随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低（低于 100°C），大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成了 广阔的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有许多酸 性物质
各类岩石的块体（以星子为基础）各不相 属地分布在地球的表面 后来构成大陆的地壳


冥古宙（46－38亿年前）

大约在40亿年前后，越来越多的较轻的硅
酸盐成分迁移到上部冷凝 地球终于有了一个虽然还比较薄的、但 已是连续完整的地壳
原始地球表层


一些处于熔融状态的物质向上挤入地壳中凝结，或 涌出地面，表现为广泛分布的火山活动 另一方面物质又在向下流动，把上面已固结的地壳 撕裂，并将其部分碎块拽向深处，使它再次熔入地 幔物质之中 与此同时，薄弱的地壳还在陨石的撞击下，形成大 量陨击坑