2第二讲 宇宙、地球、生命的起源与演化
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这些严肃的事实让人不禁会问，是不是天上所有的星星都有一 天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又灭 有更多的产生出来？如果所有的星都已逝去了，宇宙中将会发 生什么事情？生命会在以个无星的环境中存在吗？生命是否还 有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题： 宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没 有？
最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密 度，一个被宇宙学家称之为Ω 的值。平直宇宙，处于准确的平衡 状态，其Ω 值被定义为1。如果Ω 大于1，哪怕仅超过一点点，宇 宙就会拥有足够的质量也可以说是能量，从而靠其自身引力阻止 膨胀的趋势，把所有的物质拣回到一个难以想象的奇点，如果Ω 小于1，宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀，且会继续膨 胀下去。
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子．中性原子大约是在大爆炸发生后30万年才开始形成的，这 时的温度已降到3 000摄氏度，化学结合作用已足以将绝大部分 自由电子束缚在中性原子中．到这一阶段，宇宙的主要成份是 气态物质，随着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度较 高的气体云，到109年后，进一步形成各种星系，1010年形成恒 星系统．这些恒星系统又经历了漫长的演化，才形成了我们今 天所看到的宇宙． 大爆炸宇宙学模型发展至今，特别是关于轻元素丰度的解释和 微波背景辐射的测量，说明大爆炸宇宙学模型正在走向成 熟．但这并不能说明该理论无可挑剔．相反，大爆炸理论存在 诸多包括视界问题、平坦性问题(现已被暴涨理论所解释)、奇 性问题、磁单极子问题、重子不对称问题、暗物质问题和宇宙 常数等困难，这些有待于进一步研究．相信对这些问题的不断 解决，必将进一步完善大爆炸宇宙学模型． 理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开 始。一般认为存在许多次大爆炸，而非一次，不断地从以前形 成的时空中产生出来，每次大爆炸，宇宙都迅速涨大，并从产
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根据这一学说，在宇宙的最早期，即距今大约150亿年前，今天 所观测到的全部物质世界统统都集中在一个很小的范围内，温 度 极 高 ， 密 度 极 大 ． 大 爆 炸 开 始 后 0.01 秒 ， 宇 宙 的 温 度 约 为 1000亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子(如光子、电子或中 微子)，而质子和中子只占十亿分之一．所有这些粒子都处于热 平衡状态．由于整个体系在快速膨胀，因此温度很快下降．大 爆炸后0.1秒，温度下降到300亿摄氏度，中子与质子之比从原 来的1下降到0．61．1秒钟后，温度已下降到100亿摄氏度．随 着密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃 逸．电子棗正电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一 步下降到0.3．但这时温度还太高，核子仍不足以把中子和质子 束 缚 在 一 起 ． 大 爆 炸 后 13.8 秒 ， 宇 宙 温 度 下 降 到 30 亿 摄 氏 度．这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核．化 学元素从这时候开始形成． 35 分 钟 后 ， 宇 宙 温 度 进 一 步 下 降 到 3 亿 摄 氏 度 ， 核 形 成 停 止 了．氦和自由质子的质量之比大致保持在0.22～0.28这一范围 内．由于温度还很高，质子仍不能和电子结合起来形成中性原
公共选修课
现代物理概论
第二讲
宇宙、地球、生命的起源与演化
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2wenku.baidu.com
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第一节 宇宙概观，宇宙的起源与演化
宇宙:泛指天地万物.中文宇指空间,宙指时间. 在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约 为100亿至150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相 比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生 历程才刚刚开始，宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢！
在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也 不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约11亿年以 后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命 的存在而变得一片荒凉。70亿年以后，它将成为一个庞大的红巨 星。接着在随后的几亿年的时间里，它将耗尽自己的核能，外壳 变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。
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一个开放的宇宙 大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性，特
别是在 有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度 等方面，而几乎所有的通常意义上的 物质都是由这些轻元素组 成的。
始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运：一个封闭的宇宙 将由于自身引力作用而最终走向塌缩，开放的宇宙将永远膨胀下 去，平直宇宙则介于二者之间，它也会永远膨胀下去，膨胀速度 不断减慢，但永远不会达到静止。
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我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终 判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明Ω 在0.2至0.3 之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于Ω 等于1。 但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。 如果Ω 小于或等于1，那么宇宙将回存活足够长的时间以允许许 多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全 部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以 持续到无穷的时间。 暴胀时代 对于宇宙的极早期，我们知之甚少，虽然如此，现代物理还是把 答案归咎于大爆炸。 大爆炸宇宙学模型： 1948年，伽莫夫等在美国《物理评论》杂志上发表了关于大爆炸 宇宙学模型的文章：提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大， 体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷、由密到稀， 不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸．
以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致 而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇 宙猛烈的攻击始于1969年Martin Rees（现在是英国皇家天文 学家）的一篇开创性的文章。而后，Iamal Islam 和Freeman Dyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。
在此，根据Rees, Islam, Dyson 的理论以及现在人类对 物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图 象。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样， 随着天文学和物理学的发展，这些描述同样也会被重写。
这些严肃的事实让人不禁会问，是不是天上所有的星星都有一 天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又灭 有更多的产生出来？如果所有的星都已逝去了，宇宙中将会发 生什么事情？生命会在以个无星的环境中存在吗？生命是否还 有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题： 宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没 有？
最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密 度，一个被宇宙学家称之为Ω 的值。平直宇宙，处于准确的平衡 状态，其Ω 值被定义为1。如果Ω 大于1，哪怕仅超过一点点，宇 宙就会拥有足够的质量也可以说是能量，从而靠其自身引力阻止 膨胀的趋势，把所有的物质拣回到一个难以想象的奇点，如果Ω 小于1，宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀，且会继续膨 胀下去。
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子．中性原子大约是在大爆炸发生后30万年才开始形成的，这 时的温度已降到3 000摄氏度，化学结合作用已足以将绝大部分 自由电子束缚在中性原子中．到这一阶段，宇宙的主要成份是 气态物质，随着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度较 高的气体云，到109年后，进一步形成各种星系，1010年形成恒 星系统．这些恒星系统又经历了漫长的演化，才形成了我们今 天所看到的宇宙． 大爆炸宇宙学模型发展至今，特别是关于轻元素丰度的解释和 微波背景辐射的测量，说明大爆炸宇宙学模型正在走向成 熟．但这并不能说明该理论无可挑剔．相反，大爆炸理论存在 诸多包括视界问题、平坦性问题(现已被暴涨理论所解释)、奇 性问题、磁单极子问题、重子不对称问题、暗物质问题和宇宙 常数等困难，这些有待于进一步研究．相信对这些问题的不断 解决，必将进一步完善大爆炸宇宙学模型． 理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开 始。一般认为存在许多次大爆炸，而非一次，不断地从以前形 成的时空中产生出来，每次大爆炸，宇宙都迅速涨大，并从产
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根据这一学说，在宇宙的最早期，即距今大约150亿年前，今天 所观测到的全部物质世界统统都集中在一个很小的范围内，温 度 极 高 ， 密 度 极 大 ． 大 爆 炸 开 始 后 0.01 秒 ， 宇 宙 的 温 度 约 为 1000亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子(如光子、电子或中 微子)，而质子和中子只占十亿分之一．所有这些粒子都处于热 平衡状态．由于整个体系在快速膨胀，因此温度很快下降．大 爆炸后0.1秒，温度下降到300亿摄氏度，中子与质子之比从原 来的1下降到0．61．1秒钟后，温度已下降到100亿摄氏度．随 着密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃 逸．电子棗正电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一 步下降到0.3．但这时温度还太高，核子仍不足以把中子和质子 束 缚 在 一 起 ． 大 爆 炸 后 13.8 秒 ， 宇 宙 温 度 下 降 到 30 亿 摄 氏 度．这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核．化 学元素从这时候开始形成． 35 分 钟 后 ， 宇 宙 温 度 进 一 步 下 降 到 3 亿 摄 氏 度 ， 核 形 成 停 止 了．氦和自由质子的质量之比大致保持在0.22～0.28这一范围 内．由于温度还很高，质子仍不能和电子结合起来形成中性原
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现代物理概论
第二讲
宇宙、地球、生命的起源与演化
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第一节 宇宙概观，宇宙的起源与演化
宇宙:泛指天地万物.中文宇指空间,宙指时间. 在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约 为100亿至150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相 比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生 历程才刚刚开始，宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢！
在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也 不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约11亿年以 后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命 的存在而变得一片荒凉。70亿年以后，它将成为一个庞大的红巨 星。接着在随后的几亿年的时间里，它将耗尽自己的核能，外壳 变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。
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一个开放的宇宙 大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性，特
别是在 有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度 等方面，而几乎所有的通常意义上的 物质都是由这些轻元素组 成的。
始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运：一个封闭的宇宙 将由于自身引力作用而最终走向塌缩，开放的宇宙将永远膨胀下 去，平直宇宙则介于二者之间，它也会永远膨胀下去，膨胀速度 不断减慢，但永远不会达到静止。
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我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终 判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明Ω 在0.2至0.3 之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于Ω 等于1。 但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。 如果Ω 小于或等于1，那么宇宙将回存活足够长的时间以允许许 多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全 部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以 持续到无穷的时间。 暴胀时代 对于宇宙的极早期，我们知之甚少，虽然如此，现代物理还是把 答案归咎于大爆炸。 大爆炸宇宙学模型： 1948年，伽莫夫等在美国《物理评论》杂志上发表了关于大爆炸 宇宙学模型的文章：提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大， 体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷、由密到稀， 不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸．
以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致 而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇 宙猛烈的攻击始于1969年Martin Rees（现在是英国皇家天文 学家）的一篇开创性的文章。而后，Iamal Islam 和Freeman Dyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。
在此，根据Rees, Islam, Dyson 的理论以及现在人类对 物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图 象。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样， 随着天文学和物理学的发展，这些描述同样也会被重写。