宇宙的起源和演化.ppt

现代科学技术导论 宇宙的起源和演化 宇宙泛指世间万物，即在浩瀚的空间中运动和变化着的全部物质世界。 “四方上下谓之宇，往古来今谓之宙。” “宇”字指空间，“宙”字指时间。 “宇之表无极 ，宙之端无穷。” 深邃奥妙， 无穷无尽。 目 录 1 宇宙概观 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，牛顿的天体力学为天体物理学奠定了基础 而量子力学、相对论、高能物理学创建了现代宇宙学的新开端。大口径望远镜的落成，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,?使人类对宇宙的认识逐渐深化和日臻完善。 距离和质量单位 由于宇宙之大事得天文学里使用的距离单位不能再用米，除公里（千米）常用光年作为距离的单位。一光年为光在真空中行走一年的距离，1光年=9.4605×1012公里(94605亿公里) 。质量单位常用太阳质量为一个单位，用M⊙表示太阳的质量，M⊙= 2×1030千克。 星座 为了便于认识星空，古人将天球划分为许多区域。我国周代前将星空分为星宿， 现在国际通用星座共有88座，如大熊星座、狮子座等，其中29个在天球以北，46个在天球以南，13个跨在天球赤道之上。这是1928年国际天文学联合会重新划分的。 星等 规定亮度每差2.512倍时星等相差一级。一等星的亮度是六等星亮度的一百倍。肉眼所见的星星，一等星20颗、二等星46颗、三等星134 颗、四等星458颗、五等星1476颗、六等星484 0颗，总共不过6974颗。因一个人只能看到半个天球，故可见到约3000颗星。比一等星还亮的星为零等甚至负几等。比如太阳是-26.7等，月亮(满月)是-12.7等。 二、宇 宙 概 观 三、几种典型的现代宇宙模型 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。 一、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家提出了“宇宙大爆炸起源模型”，联手勾画出了宇宙起源与演化的图景。 宇宙“始”于约100亿年前的大爆炸。起初不仅没有任何天体，也没有粒子和辐射，只有一种单纯的真空状态以指数函数形式急剧膨胀着。自然界中已知的四种相互作用，即引力相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用，那时是不可分的。随着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列变化。 二、宇宙是均匀的和各向同性的介质 研究宇宙的总体结构时，通常采用这样一个假设：在宇宙学尺度上，任何时候宇宙空间都是均匀的、各向同性的。应用这个假设就可以从已观测到的“我们的宇宙”这部分去推测整个宇宙的特性。 在宇宙学中，星系被看成是宇宙物质的基本单元。星系是由数以万亿计的恒星构成。星系在宇宙空间的分布并不完全均匀。 三、哈勃定律与宇宙膨胀 为了理解宇宙的膨胀，有必要介绍一下多普勒效应和哈勃定律。 一个振动的物体离开振动的接收者而去，离去的速度v越快则接收到的频率比物体振动的频率越低，这现象称为多普勒效应。 哈勃定律：星系离得越远接收到它的光的频率比它发出光的频率就降得越多，写成公式为Z＝(Ｈ/c)d，其中Z为红移量，c为光速，H为哈勃常数，d为星系距离。 将两者结合用于发光的星体，有Ｚ＝v/c,此式与哈勃定律的第一种表达式结合，就得到哈勃定律的第二种表示式：v＝Hd。该式物理意义特别直观，星系退行速度与星系距离成正比。若离地球一倍距离的星系以一倍的速度退行，则离地球二倍距离的星系则以二倍的速度退行。由此推之，就得到各星系彼此远离、且远离得越来越快这一宇宙膨胀的结论。 哈勃定律是宇宙膨胀的当然证据，将哈勃定律列为本世纪最重要的天文发现之一也是自然的了。 经验规律证实了宇宙以保持均匀性的方式在膨胀。 把宇宙中的星系想象成面包中的葡萄干，有助于理解它们随宇宙膨胀而彼此远离的图景。这很像一只嵌有许多葡萄干的巨大面包，当面包膨胀时，其中的葡萄干都会看见其它所有的葡萄干都在离开自己，相距越远的葡萄干，彼此分离的相对速度也越大。 四、宇 宙 的 年 龄 如果宇宙有开端，那么它就有年龄。逆时间顺序追溯宇宙演化的历史，第一个推论是越早宇宙密度越高，直至无穷。让我们把密度为无穷的时刻作为时间的零点，即定义为t=0,那么今天的宇宙必有一个有