第1篇第1章宇宙的起源与演化..

第一章 宇宙的起源和演化
作者 王世军
引言
• 极目长空，日月经天，星回斗转，河汉纵横。 自古以来人们观天象，辨星斗成果辉煌。哥 白尼的“太阳中心说”使自然科学从神学中 解放出来，牛顿创立了天体力学，而量子力 学、相对论、高能物理学奠定了现代宇宙学 的基础。大口径天文望远镜的落成，光子计 数照相机和电荷耦合探测器的使用，天文光 谱测量技术的发展，空间飞行器的天文探测 等等，使人类对宇宙的认识逐渐深化和日臻 完善。这一节我们来介绍一下现代天文学所 认识的宇宙概观。
• 太阳系 • 最外面的冥王星距太阳 平均5.9×109km，光 约走5.5 h。在火星和木 星之间运行着几十万颗 小行星。太阳系中质量 较小的天体还有流星和 彗星，哈雷彗星、波普 ——海尔彗星、白武彗 星就是其中的几个。太 阳只是一颗极普通的恒 星，它属于一个庞大的 恒星系统——银河系中 的一颗恒星。太阳系是 银河系中的一个星系。
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火 箭 发 射 全 过 程
火 箭 进 入 轨 道
启 动 太 空 舱
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航天员的太空活动
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第一节 宇宙概观
• 哥白尼的“太阳中心说”使自然科学从神学 中解放出来，牛顿创立了天体力学，而量子 力学、相对论、高能物理学奠定了现代宇宙 学的基础。 • 大口径天文望远镜的落成，光子计数照相机 和电荷耦合探测器的使用，天文光谱测量技 术的发展，空间飞行器的天文探测等等，使 人类对宇宙的认识逐渐深化和日臻完善。
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– 1927年比利时人梅特勒在费里德曼解的基础上把已观测到 的河外星系光谱红移解释为宇宙膨胀的结果，提出了膨胀宇 宙的模型。 – 1948年英国剑桥的拜迪、霍伊尔和戈尔德又提出稳恒态宇 宙模型。它基于完全宇宙学原理，认为宇宙物质密度始终不 变。 – 20世纪40年代末50年代初伽莫夫等人对极高温度极高密 度的早期宇宙研究提出被普遍看好的主流模型——热宇宙模 型，俗称“大爆炸宇宙”模型，亦称标准模型。 – 20世纪80年代，古斯等人将理论物理大统一理论引入宇宙 学，解决了“大爆炸宇宙”模型不能解释的“视界”问题、 “平坦性”等宇宙难题。
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• 是先有鸡呢，还是先有蛋? • 何物创生宇宙，又是何物创生该物呢？ • 宇宙演化的问题是问宇宙是恒定不变的，还 是永恒变化的呢？
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宇宙
泛指天地万物，亦即在浩瀚的空间中运 动和变化着的全部物质世界的总称。 迄今人们对宇宙的认识，已经从地球到 太阳系，再由太阳系扩展到银河系、河外星 系、星系团、乃至观测所及的宇宙深处。
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一、宇宙概观
• 我们居住的地球是太阳系家族的一员，距太阳平 均距离为1.496×108km。 • 而太阳系又仅仅定居于银河系巨大旋臂的一侧； • 而银河系，在宇宙所有星系。
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• 世界上其它文明古国，也各有关于宇宙起源 和结构的种种传说。例如，古印度人认为大 地由四头大象驮着，大象站在一只巨龟的背 上，巨龟则浮在水中，等等。 • 古代各民族都把自己生活的地方当作天地的 中央，并各自独立地产生了关于宇宙结构的 地心学说。
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二、宇宙大爆炸起源模型
• 20世纪70年代以来，粒子物理学家与宇宙 学学家提出了“宇宙大爆炸起源模型” ： • 宇宙“始”于约100亿年前的大爆炸。 • 大爆炸后10-44s，温度为1032K • 大爆炸后的一秒种，温度降至1010K，进入 辐射为主的阶段。 • 3min，温度为109K，宇宙膨胀为约一光年 的实体，是原子核合成的时期，有近1／3的 物质合成４He，就是说此时构造各种物质元 素的材料已制备完毕。
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第二节 宇宙的起源和演化
• 宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演 化的？ • 这是宇宙学所要回答的一个根本问题。各种 文明都有自己的看法。
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一、中国古代的盘古开天地的神话故事
• 这个神话故事说的是天地 本来像个鸡蛋，盘古生于 其中。后来天地开辟了， 天每日高一丈，地每日厚 一丈，盘古每日长一丈。 18000年以后，天变得 极高，地变得极厚，盘古 也变得极长了。盘古怕天 地合拢，就顶天立地拼命 撑着，最后精疲力竭地死 了。死后，他的全身化成 了万物：气为风云，声为 雷霆，左眼为太阳，右眼 为月亮，血液为江河，肌 肉为田土。
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• 银河系是由群星和弥漫 物质集成的一个庞大天 体系统。 • 银河系中有2 000亿颗 以上的恒星。 • 扁盘的最大厚度约1× 104 l.y. ，银河系发 光部分距离约7×104l .y.，银晕，直径约1× 105l.y. • 除恒星外银河系中星云。
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• 《齐物论》中说：四维上下曰宇，古往今来 曰宙。然而它们又不绝对，含有包容和流转 的意义，故宇宙可指时空中所含变化的万有。 又“宇之表无极，宙之端无穷”(张衡《灵宪 》) • 西方的“宇宙”基本上是个空间概念，有两 个重要词表达，一是Cosmos来自希腊文， 本意是秩序，意指作为秩序体系的整个宇宙； 二是Universe，来自拉丁文，本意是万有， 意指包罗万象的宇宙。
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二、几种典型的现代宇宙模型
• 在现代，有什么样的物理理论就产生什么样的宇宙 学。
– 以牛顿力学为基础的宇宙学认为宇宙是一架机器。这是唯 物机械论的宇宙学。 – 1916年爱因斯坦提出广义相对论。1917年他把广义相 对论用于宇宙学研究，得到了一个静态的有限无界的宇宙 模型。 – 1922年苏联数学家费里德曼得到爱因斯坦场方程一组动 态解，包括两类膨胀解和一类振荡解，从而建立了新的宇 宙模型。对于膨胀解，宇宙将一直膨胀下去；对于振荡解， 宇宙呈现膨胀——收缩的振荡。