高老師的通識課.2014宇宙篇1

科技進步與人類文明課程介紹 圍繞宇宙科學(xué)、地球科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)四大體系的發(fā)展、基本內(nèi)容及對技術(shù)進步、人類文明的重大影響進行討論。宇宙科學(xué)篇 第一章 人類對宇宙的認識過程 第二章 宇宙的起源的大爆炸模型 第三章 恒星的演化 第四章 恒星的演化 第五章 時空旅行的科學(xué)幻想第一章 人類對宇宙的認識過程1.1 古代天文歷法1.2 何處是中心？2.1.2 古今中外描述宇宙的模型 2.1.2 從太陽系到廣闊的恒星世界 2.1.3 銀河系的發(fā)現(xiàn) 2.1.4 發(fā)現(xiàn)河外星系中國古代天文歷法 我國是世界上最早進入農(nóng)耕社會的國家之一（最早種植粟、水稻的國家），而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求有準確的農(nóng)事季節(jié)，歷法非常重要，所以古人觀測天象非常精勤。 尚書堯典：乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授人時。說明在傳說中的帝堯（約公元前二十四世紀）的時候已經(jīng)有了專職的天文官，從事觀象授時。中國古代天文歷法 夏、商、周三代以上是堯舜治世，是我國古史中的黃金時代。但那時沒有鐘表和月歷，要知道時間、季節(jié)、方位，都得仰看日月星辰。日出而作，日入而息，作息時間表畫在天上。所以人人皆知天文。 堯典中日中星鳥，以殷仲春日永星火，以正仲夏宵中星虛，以殷仲秋日短星昴，以正仲冬四句話，說的就是根據(jù)黃昏時南方天空所看到的不同恒星，來劃分季節(jié)。 七月流火見詩經(jīng)豳風(fēng)七月，三星在戶見詩經(jīng)唐風(fēng)綢繆。七月流火的真實意思，是說在農(nóng)歷七月天氣轉(zhuǎn)涼的時節(jié)，天剛擦黑的時候，可以看見大火星從西方落下去。在室內(nèi)從開著的門戶可以看見掛在天邊的三星，三星：一說參宿三星（獵戶座腰帶三星）；二說心宿三星（天蝎座三亮星）；三說河鼓三星（天鷹座三亮星）。 中國古代天文歷法1、天文世界上最早的日食、月食、太陽黑子和哈雷彗星的記錄石氏星經(jīng)是世界上現(xiàn)存最古老的星表；創(chuàng)制渾儀、簡儀等天文觀測儀器。2、歷法夏朝有了歷法夏小正，商朝改進為殷歷。元朝郭守敬編訂授時歷，是我國古代最優(yōu)秀的歷法，比現(xiàn)行公歷早300年。中國古代天文歷法 夏小正由經(jīng)和傳兩部分組成，全文共四百多字。按夏代十二個月的順序，分別記述每個月的星象、氣象、物象以及所應(yīng)從事的農(nóng)事和政事。中國古代天文歷法 授時歷，為公元1281年（元至元十八年）實施的歷法名，因元世祖忽必烈封賜而得名，原著及史書均稱其為授時歷經(jīng)。其法以365.2425日為一歲，距近代觀測值365.2422僅差26秒，精度與公歷（指1582年格里高利歷）相當，但比西方早采用了300多年。中國古代天文歷法 四時：指春夏秋冬四季。農(nóng)歷以正月、二、三月為春季，分別稱作孟春、仲春、季春；以四月、五月、六月為夏季，分別稱作孟夏、仲夏、季夏；秋季、冬季以此類推。 一年分為二十四個節(jié)氣，古代叫做節(jié)，或叫做氣。每月有兩個節(jié)氣，在前者叫做節(jié)氣，在后者叫做中氣。最初的時候，大約只規(guī)定了四個節(jié)氣，即春分、夏至、秋分、冬至。簡稱分至。最后規(guī)定為二十四個節(jié)氣，在淮南子中，二十四個節(jié)氣已經(jīng)具備。中國古代天文歷法中國古代天文歷法第一章 人類對宇宙的認識過程2.2 何處是中心？2.1.2 古今中外描述宇宙的模型 2.1.2 從太陽系到廣闊的恒星世界 2.1.3 銀河系的發(fā)現(xiàn) 2.1.4 發(fā)現(xiàn)河外星系哥白尼革命-日心說 1543年在科學(xué)史上是極為重要的一年，哥白尼出版了天體運行論了。提出了日心說，比較合理地解釋了行星的不規(guī)則運動及其他天體的運動現(xiàn)象，地球不再是宇宙的中心，從而使圣經(jīng)賦予它的特殊身份完全喪失了-宇宙不因地球而存在，也就不再有什么天堂與地獄之分，摧毀了地球居于宇宙中心是上帝安排的神學(xué)宇宙觀，給宗教神學(xué)以沉重的打擊。因此引起教會的驚恐和不安，天體運行論也被教廷列為禁書。 布魯諾(15481600年) 是意大利著名思想家、學(xué)者，出生于那不勒斯附近的小鎮(zhèn)。他沖破反動教會的重重阻力，熱情地宣傳哥白尼的太陽中心說，通過論原因、本原和同一、論無限宇宙和世界等著作，從多方面補充了哥白尼的學(xué)說，并且比哥白尼還前進了一大步。他認為宇宙是無限的，太陽不過是無數(shù)恒星之一，宇宙中可以居住的星球也是無限多的。 布魯諾因堅持日心說并宣揚宇宙無限的思想，在1600年被教會判火刑焚死在羅馬?！皻W洲星學(xué)之王”第谷布拉赫 1572年11月11日第谷發(fā)現(xiàn)仙后座中的一顆新星（銀河系的一顆超新星），第二年發(fā)表論文新星，后來受丹麥國王腓特烈二世的邀請，在汶島建造天堡觀象臺，建造了許多大型精密的天文儀器，經(jīng)過20年的天文觀測，第谷發(fā)現(xiàn)了許多新的天文現(xiàn)象。 第谷布拉赫曾提出一種介于地心說和日心說之間的宇宙結(jié)構(gòu)體系：地球靜居中心，行星繞太陽運行，而太陽則帶領(lǐng)行星繞地球運轉(zhuǎn)。這一體系十七世紀初傳入我國后曾一度被接受。第谷對天文學(xué)的貢獻是不可磨滅的，他用肉眼觀測行星運動，比以前的觀測幾乎準確了20倍，是他同時代的人望塵莫及的。第谷編制的一部恒星表相當準確，至今仍然有使用價值。“天空立法者”開普勒（15711630年） 牛頓（1642-1727年）萬有引力學(xué)說 伽利略、開普勒等人研究工作的基礎(chǔ)上，英國物理學(xué)家牛頓把物體的運動規(guī)律歸結(jié)為三條基本運動定律和萬有引力定律，由此建立起一個完整的力學(xué)理論體系。這樣，他就把過去一向認為是截然無關(guān)的地球上所謂“世俗”的運動和日月星辰那些屬于神圣的“天堂”的運動統(tǒng)一在同一理論框架之中。這可以說是人類認識自然的歷史中第一次理論的大綜合。 萬有引力定律，為哥白尼的學(xué)說奠定了理論基礎(chǔ)，為地心說劃上了句號。更廣闊的恒星世界-銀河系的發(fā)現(xiàn) 18，19世紀是太陽系天文學(xué)發(fā)展的鼎盛時期。 17l8年，哈雷將自己的觀測同1000多年前托勒密時代的觀測結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)有幾顆恒星的位置已有明顯變化，首次指出所謂恒星不動的觀念是錯誤的。 1837年，斯特魯維測定了織女星與太陽的距離為日地距離（1.5億公里）的165萬倍，遠遠超出了太陽系的邊界（日地距離的40倍）。更廣闊的恒星世界-銀河系的發(fā)現(xiàn) 18世紀中，瑞典的斯維登堡、英國的賴特推測，“銀河”是一個大量恒星組成的“磨盤”狀體系，太陽系雖在其內(nèi)，可能并不在中央 。 赫歇爾兄妹用大量的系統(tǒng)觀測事實發(fā)現(xiàn)，“銀河是一個盤狀旋臂結(jié)構(gòu)的星系”，與今天的結(jié)論十分接近。是天文學(xué)上的第二個里程碑。 1918年，沙普利得出銀河系是一個直徑達10萬光年的龐大的透鏡形天體系統(tǒng)，確認太陽并不處于其中心的正確結(jié)論。觀天巨眼-望遠鏡 望遠鏡的的性能不斷提高。1845年，威廉帕森斯建造了口徑1.8米，重達10噸的望遠鏡。而羅斯伯爵的這架望遠鏡，鏡片的直徑足有1.8288米寬，它是當時世界上最大和倍率最高的望遠鏡。使用這架望遠鏡，帕森斯看到了一個呈旋渦狀的美麗星云。觀天巨眼-望遠鏡第一節(jié) 宇宙起源的傳說第二節(jié) 現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生第三節(jié) 宇宙大爆炸理論模型 第一節(jié) 宇宙起源的傳說盤古開天地的神話故事最早見于三國時吳人徐整著的三五歷紀。記曰天地混沌如雞子，盤古生其中。萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地。盤古在其中，一日九變，神于天，圣于地。徐整的宇宙觀是中國古代渾天說的發(fā)展， 宇宙的秘密1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)表了一篇討論雙星顏色的論文。他認為，如果有兩顆恒星在萬有引力作用下，圍繞同一軌道運行。其中一顆朝向我們運動，而另一顆則遠離我們運動。若讓來自這兩顆星的光通過三棱鏡，仔細觀察它們的光譜，就會發(fā)現(xiàn)不僅光的波長有變化，光的顏色也完全不同。宇宙的秘密，就隱藏在這光線里。多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)當波源與接收器相對運動時，接收器接收到的信號頻率與波源的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。結(jié)論：波源運動遠離觀測者， 接收到的波長變長，頻率變小， 反之觀測到的波長變短，頻率變大。哈勃定律 多普勒發(fā)表雙星顏色的論文78年以后，美國天文學(xué)家哈勃，運用光譜位移的原理，在宇宙觀察上作出了重大發(fā)現(xiàn)。 哈勃發(fā)現(xiàn)，大部分星系的光譜都發(fā)生了紅位移，距離越遠的星系紅移量越大。根據(jù)多普勒效應(yīng)，這意味著所有的星系都在遠離我們，而且離我們越遠的星系，退行的速度也越快。 哈勃定律的重要意義在于，它顯示出宇宙中的星系，就像一個膨脹氣球上的斑點，彼此分散那樣運動。 哈勃定律給人錯覺： 宇宙以我們?yōu)橹行南蛲馀蛎?，但如果遵循哥白尼的思想，認為我們在宇宙中并不處于特殊的中心位置，也就是說哈勃定律對任何星系說來都是成立的，直接的推論就是：字宙中所有的星系都在彼此遠離，即宇宙處于普遍的膨脹之中！ 劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)家弗里德霍伊爾對宇宙有一個起點的說法，提出了一系列質(zhì)疑，認為大爆炸理論很荒謬。他問道：如果說宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸之前難道就沒有宇宙嗎？這從哲學(xué)上讓人感到困惑。 霍伊爾又提出一個尖銳的問題：“如果宇宙起始于一次大爆炸，在那種高溫高熱狀態(tài)下所產(chǎn)生的輻射，一定會在太空中留下某種痕跡，即使是在大爆炸已經(jīng)過去了140億年的今天，也應(yīng)該能找到哪怕一丁點兒輻射痕跡的殘留。可問題是，這個痕跡能找到嗎？ 霍伊爾以命名了“大爆炸”（BIG BANG）一詞而出名，同時他又強烈地反對這一理論 1946年，一位移居美國的前蘇聯(lián)科學(xué)家伽莫夫，和他的學(xué)生就在研究這個問題。他們堅信，高熱爆炸產(chǎn)生的輻射，即使是100多億年后的今天，也不會完全消失。 宇宙大爆炸是在整個宇宙中發(fā)生的過程，無論我們向哪個方向看，都能看到這些光。隨著宇宙的膨脹，這些光的波長也隨之增加，現(xiàn)在處于毫米波的微波波段，溫度也已經(jīng)低到絕對零度（零下273度）以上幾度，所以肉眼看不見了，但還是應(yīng)該能用儀器探測到。 哈勃的觀測證實了膨脹的宇宙，時間回頭看，所有的星系將越來越靠近。越早期宇宙就越小，就會有某個時刻，宇宙處在非常致密的狀態(tài)。 這便是 奇異點。宇宙的創(chuàng)生點，宇宙創(chuàng)世紀。 大約在140多億年，宇宙中的所有物質(zhì)都有集中在一個比原子還小的點，這就是奇點。大爆炸宇宙論要點 在創(chuàng)世前，宇宙只有基本粒子形態(tài)的物質(zhì)，全部物質(zhì)和能量集中在一點-奇點，在這點，所有的物理宣告都有失效。 這樣一個極小的空間聚焦了極大的能量，物質(zhì)密度極大，溫度極高，在100億度以上。 這樣極高的溫度極大的質(zhì)量，終于在某個時刻，發(fā)生了巨大的爆炸，大爆炸使物質(zhì)四散飛出，整個體系在不斷膨脹，溫度很快下降，后來相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的。讓我們勾畫這樣一部宇宙歷史： 宇宙最早創(chuàng)生期年齡僅有10-44 s，它是一個溫度極高的灼熱奇點。 宇宙的極早期，年齡為10-3510-33s秒瞬間，宇宙發(fā)生“暴漲”，在一切方向空間膨脹約1040倍。 宇宙早期，宇宙年齡約為100s，宇宙膨脹的結(jié)果，溫度下降，高速運動的基本粒子形成原子核，進而與電子結(jié)合形成各種輕元素的原子。 當宇宙到達10萬年之后，宇宙進入近期，引力使宇宙由均勻進入有結(jié)構(gòu)狀態(tài)，形成各種尺度的星體及星體體系。 在宇宙的極早期-大爆炸后10-35到10-33秒瞬間，宇宙發(fā)生“暴漲”，在一切方向迅猛空間膨脹約1040倍。 時間是隨著宇宙爆炸而產(chǎn)生的。宇宙從這個起點開始，一瞬間就發(fā)生了急劇的暴漲。就是這個暴漲產(chǎn)生了時間、空間和物質(zhì)。 到大爆炸后約30萬年，遺留遍布的熱氣體，發(fā)出的輻射才可以到處穿透，成為“宇宙背景輻射”。 1989年，美國航空航天局將COBE衛(wèi)星送上太空。COBE 的觀測結(jié)果就表明，宇宙微波背景輻射確實具有完美的黑體輻射譜，大爆炸理論得到進一步的證實。 美國的皮伯斯和前蘇聯(lián)的澤爾多維奇等人認為，早期宇宙中，物質(zhì)密度可能存在一些非常微小的不均勻性，它們在引力的作用下逐漸成長為星系、星系團、以及更大尺度的結(jié)構(gòu)。 2003年2月12日,美國宇航局公布了探測器拍到的宇宙“嬰兒期照片”,為宇宙大爆炸理論提供了新的依據(jù)。根據(jù)這張照片,科學(xué)家還精確地測量出了宇宙的實際年齡是137億年，誤差為5億年。 2008年，科學(xué)家們在對“威爾金森微波各向異性探測器”(WMAP)傳回的觀測數(shù)據(jù)進行分析和計算后宣布，宇宙的準確年齡約為137.3億年(正負誤差不超過1.2億年)。 威爾金森微波背景輻射各向異性探測器（WMAP）拍攝的整個天空宇宙微波背景輻射的照片-大爆炸后38萬年時發(fā)射出來的宇宙背景輻射，如果把已經(jīng)具有137億年壽命的宇宙比作80歲的人，那么38萬年的宇宙就相當于出生不到20小時的新生