天体物理复习省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

天文学是自然界中天文学是自然界中最古老、最基本最古老、最基本学科。但永远学科。但永远是是最前沿最前沿科学，伴随空间探测技术发展，人们对宇宙认科学，伴随空间探测技术发展，人们对宇宙认识越来越深入。到现在为止，天文学给出更多是识越来越深入。到现在为止，天文学给出更多是问题问题，而非而非答案答案。众众所所周周知知，自自然然界界有有四四大大基基本本起起源源问问题题:宇宇宙宙起起源源,太阳系起源太阳系起源,生命起源生命起源,人类起源。人类起源。要要回回答答这这些些问问题题，离离不不开开天天文文学学知知识识，离离不不开开掌掌握自然科学多领域复合型人才。握自然科学多领域复合型人才。俗话说好：俗话说好：上知天文、下晓地理上知天文、下晓地理。这是对个人知识。这是对个人知识渊博一个赞美。渊博一个赞美。天文学天文学第1页宇宙含义宇宙含义英文：英文：Universe Universe 天地万物，强调天地万物，强调物物质现象总和质现象总和。Cosmos Cosmos 来自希腊文，来自希腊文，还有井然有序之义，强调是还有井然有序之义，强调是整体宇宙结构整体宇宙结构或结构或结构。汉字汉字:“四方上下曰四方上下曰宇宇,往古来今曰往古来今曰宙宙，以喻万物。以喻万物。”淮南子淮南子原道训原道训 即即空间空间和和时间时间总和，最为完备和科学，表总和，最为完备和科学，表达了中国古代劳感人民所含有伟大智慧。达了中国古代劳感人民所含有伟大智慧。第2页宇宙当代概念宇宙当代概念-无限无限宇宙是指宇宙是指广漠空间和其中存在各种天体以及广漠空间和其中存在各种天体以及弥漫物质总称弥漫物质总称，而且宇宙是处于，而且宇宙是处于不停运动和不停运动和发展发展之中。之中。人类目所能及地方以及人类还没有看到不过人类目所能及地方以及人类还没有看到不过依然存在物质都是宇宙。依然存在物质都是宇宙。天文学上总星系即所谓天文学上总星系即所谓“可观察宇宙可观察宇宙”。第3页何谓天体物理学？何谓天体物理学？天体物理天体物理=天天 体体|物物 理理 （天文学）（天文学）|（物理学）（物理学）天体物理学天体物理学是应用物理学技术、方法和理是应用物理学技术、方法和理论，研究天体形态、结构、化学组成、物论，研究天体形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律天文学分支学科，理状态和演化规律天文学分支学科，属于属于边缘学科之一。边缘学科之一。第4页天体天体宇宙基本特征宇宙基本特征物质性：天体物质性：天体多样性多样性 运动性：天体系统运动性：天体系统层次性层次性什么是天体？什么是天体？天体指天体指宇宙中全部物质宇宙中全部物质。第5页天体类型天体类型自然天体自然天体：恒星、行星、卫星、星云、流：恒星、行星、卫星、星云、流星、彗星、星际物质（气体和尘埃）；星、彗星、星际物质（气体和尘埃）；人造天体人造天体：在空间飞行人造地球卫星、国：在空间飞行人造地球卫星、国际空间站等际空间站等第6页天体系统是怎样形成？天体系统是怎样形成？天体之间天体之间相互吸引和相互绕转相互吸引和相互绕转，形整天体系统。，形整天体系统。太阳大太阳大,地球小地球小,地球绕着太阳跑。地球绕着太阳跑。地球大地球大,月亮小月亮小,月亮绕着地球跑。月亮绕着地球跑。运动性：天体系统运动性：天体系统层次性层次性第7页总星总星系系银河银河系系河外河外星系星系太阳太阳系系恒星世界恒星世界地月地月系系其它行星系其它行星系总星总星系系“可观察宇宙可观察宇宙”：第8页天体物理学研究方法天体物理学研究方法物质客体三个层次物质客体三个层次微观客体微观客体宏观客体宏观客体宇观客体宇观客体u天体三个层次天体三个层次太阳与太阳系太阳与太阳系恒星与银河系恒星与银河系星系与宇宙星系与宇宙第9页天体物理研究方法天体物理研究方法观察方法观察方法主要借助光学望远镜和射电望远镜来主要借助光学望远镜和射电望远镜来获取宇宙信息；获取宇宙信息；试验方法试验方法它是观察伎俩发展到高级阶段产物，它是观察伎俩发展到高级阶段产物，如人造卫星、登月飞船、航天飞机、空间探测器、如人造卫星、登月飞船、航天飞机、空间探测器、太空望远镜、太空站等人类用于探测宇宙试验伎俩。太空望远镜、太空站等人类用于探测宇宙试验伎俩。还有还有”粒子物理试验模拟宇宙形成粒子物理试验模拟宇宙形成”等；等；理论方法理论方法利用数学、力学、物理学和其它学科利用数学、力学、物理学和其它学科结果，经过理论推理得到相关天体科学结论。结果，经过理论推理得到相关天体科学结论。第10页天体物理学研究意义天体物理学研究意义准确时间和历法准确时间和历法依然是按照太阳和恒星运动确定。依然是按照太阳和恒星运动确定。（比如测时、守时、授时）（比如测时、守时、授时）可用于可用于人造卫星运动轨道控制，以及地面导航、人造卫星运动轨道控制，以及地面导航、通信通信等。（轨道计算、太阳黑子）等。（轨道计算、太阳黑子）可启发人们去思索、探索与人类现在和未来息息可启发人们去思索、探索与人类现在和未来息息相关各种应用技术。（相关各种应用技术。（核聚变、新更有效能量转核聚变、新更有效能量转换方式换方式）可提升学生科学文化素质、可提升学生科学文化素质、树立正确宇宙观树立正确宇宙观，提提升区分是非能力升区分是非能力、反对迷信和邪教反对迷信和邪教危害。危害。第11页人与宇宙人与宇宙农业与航行需要天象知识；农业与航行需要天象知识；得天独厚地球养育人类；得天独厚地球养育人类；生命起源来自宇宙空间；生命起源来自宇宙空间；生命元素来自恒星（血红细胞中生命元素来自恒星（血红细胞中Fe、骨骼、骨骼里里Ca、呼吸、呼吸O2）；）；热核聚变热核聚变 太阳能源启示；太阳能源启示；牛顿万有引力定律来自天体运动观察；牛顿万有引力定律来自天体运动观察；天象预报天象预报,保卫地球。保卫地球。第12页宇宙起源学说宇宙起源学说神话说神话说盖天说盖天说浑天说浑天说宣夜说宣夜说地心说地心说日心说日心说大爆炸说大爆炸说星云说星云说第13页浑天说两大法宝浑天说两大法宝浑仪，当初最先进观天仪。浑仪，当初最先进观天仪。浑天家能够用准确观察事实浑天家能够用准确观察事实来论证浑天说。在中国古代，来论证浑天说。在中国古代，依据这些观察事实制订历法依据这些观察事实制订历法含有相当精度。含有相当精度。浑象，利用它能够形象地演浑象，利用它能够形象地演示天体运行。浑天说能简练示天体运行。浑天说能简练解释日月星辰运行出没。解释日月星辰运行出没。第14页宣夜说宣夜说 宣夜说是我国历史上宣夜说是我国历史上最有卓见宇宙无限论最有卓见宇宙无限论思想。它最早思想。它最早出现于战国时期，到汉代则已明确提出。出现于战国时期，到汉代则已明确提出。不论是中国古代盖天说、浑天说，还是西方古代地心说，不论是中国古代盖天说、浑天说，还是西方古代地心说，乃至哥白尼日心说，无不把天看作一个坚硬球竞，星星乃至哥白尼日心说，无不把天看作一个坚硬球竞，星星都固定在这个球壳上。宣夜说都固定在这个球壳上。宣夜说打破了固体天球观念打破了固体天球观念，认认为宇宙是无限，宇宙中充满着气体，全部天体都在气体为宇宙是无限，宇宙中充满着气体，全部天体都在气体中漂浮运动。星辰日月运动规律是由它们各自特征所决中漂浮运动。星辰日月运动规律是由它们各自特征所决定定，决没有坚硬天球或什么本轮、均轮束缚。，决没有坚硬天球或什么本轮、均轮束缚。宣夜说创造了宣夜说创造了天体漂浮于气体中天体漂浮于气体中理论，而且在它深入发理论，而且在它深入发展中认为连天体本身、包含遥远展中认为连天体本身、包含遥远恒星和银河都是由气体恒星和银河都是由气体组成组成。这和当代天文学许多结论一致。这和当代天文学许多结论一致。宣夜说不但认为宣夜说不但认为宇宙在空间上是无边无际宇宙在空间上是无边无际，而且还深入，而且还深入提出提出宇宙在时间上也是无始无终、无限思想宇宙在时间上也是无始无终、无限思想。它在人类。它在人类认只史上写下了光芒一页。可惜，宣夜说卓越思想，在认只史上写下了光芒一页。可惜，宣夜说卓越思想，在中国古代没有受到重视，几至失传。中国古代没有受到重视，几至失传。第15页地心说地心说 地心说是长久盛行于古代欧洲宇宙学说，是世界地心说是长久盛行于古代欧洲宇宙学说，是世界上第一个行星体系模型。代表人物：欧多克斯、上第一个行星体系模型。代表人物：欧多克斯、亚里士多德、托勒密亚里士多德、托勒密托勒密认为，托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动地球处于宇宙中心静止不动。从地。从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自圆轨道上绕地球运转。其中，木星和土星，在各自圆轨道上绕地球运转。其中，行星运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上行星运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球行星之外，是镶嵌着全部恒星天球行星之外，是镶嵌着全部恒星天球恒星天。恒星天。再外面，是推进天体运动原动天。再外面，是推进天体运动原动天。第16页支持和发展支持和发展“日心说日心说”代表人物代表人物伽利略伽利略用自制用自制天文望远镜天文望远镜观察星空，观察星空，看到月球表面很多特征，金星像月看到月球表面很多特征，金星像月球一样有圆缺改变，发觉木星四颗球一样有圆缺改变，发觉木星四颗卫星，提供太阳系新证据，又从太卫星，提供太阳系新证据，又从太阳黑子运动推断太阳在自转，分辨阳黑子运动推断太阳在自转，分辨出银河是有密集恒星组成，写了出银河是有密集恒星组成，写了星空使者和关于托勒密和哥星空使者和关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话白尼两大世界体系对话，开创了，开创了近代天文学。近代天文学。用观察事实证实用观察事实证实宇宙是无限宇宙是无限，影响，影响更大，遭教廷残酷迫害，被命令焚更大，遭教廷残酷迫害，被命令焚毁著作，终生禁闭！天理何在？毁著作，终生禁闭！天理何在？第17页支持和发展支持和发展“日心说日心说”代表人物代表人物开普勒开普勒：行星运行三大定律：行星运行三大定律 “椭圆轨道椭圆轨道”牛顿牛顿：万有引力定律，奠立天体力学基础，：万有引力定律，奠立天体力学基础，哈雷彗星回归和海王星发觉显示牛顿理论哈雷彗星回归和海王星发觉显示牛顿理论威力！威力！第18页大爆炸说大爆炸说 最有影响、最有希望一个宇宙最有影响、最有希望一个宇宙学说。学说。1929年，天文学家年，天文学家哈勃哈勃公布了公布了一个震惊科学界发觉：全部河一个震惊科学界发觉：全部河外星系都在离我们远去。即外星系都在离我们远去。即宇宇宙在高速地膨胀宙在高速地膨胀着。宇宙在膨着。宇宙在膨胀，那么就可能有一个膨胀起胀，那么就可能有一个膨胀起点。天文学家点。天文学家勒梅特勒梅特认为，现认为，现在宇宙是由一个在宇宙是由一个“原始原子原始原子”爆炸爆炸而成。这是大爆炸说前身。而成。这是大爆炸说前身。美国天文学家美国天文学家伽莫夫伽莫夫接收并发接收并发展了勒梅特思想，于展了勒梅特思想，于1948年正年正式提出宇宙起源大爆炸学说。式提出宇宙起源大爆炸学说。第19页大爆炸说大爆炸说伽莫夫认为，宇宙最初是一伽莫夫认为，宇宙最初是一个个温度极高、密度极大由最温度极高、密度极大由最基本粒子组成基本粒子组成“原始火球原始火球”。依据当代物理学，这个火球依据当代物理学，这个火球必定快速膨胀，它演化过程必定快速膨胀，它演化过程好像一次巨大暴发。因为快好像一次巨大暴发。因为快速膨胀，速膨胀，宇宙密度和温度不宇宙密度和温度不停降低停降低，在这个过程中形成，在这个过程中形成了一些了一些化学元素（原子核），化学元素（原子核），然后形成由原子、分子组成然后形成由原子、分子组成气体物质气体物质.气体物质又逐步气体物质又逐步凝聚起星云凝聚起星云，最终从星云中，最终从星云中逐步逐步产生各种天体产生各种天体，成为现，成为现在宇宙。在宇宙。第20页原始星云说原始星云说主要用来解释太阳系形成主要用来解释太阳系形成18世纪下半叶由德国哲学家世纪下半叶由德国哲学家康德康德和法国天文学家和法国天文学家拉普拉拉普拉斯斯提出。他们认为：提出。他们认为：太阳系太阳系是由一块星云收缩形成，先是由一块星云收缩形成，先形成是太阳，然后剩下星云形成是太阳，然后剩下星云物质深入收缩演化形成行星。物质深入收缩演化形成行星。第21页当代星云说当代星云说 现代星云说认为：形成太阳系是银河系里一团密度较大星云，这块星云绕银河系中心旋转着，当它经过旋臂时受到压缩，密度增大，达到一定密度时，星云就在自身引力作用下，逐渐收缩。收缩过程中，一方面使星云中央部分内部增温，最后形成原始太阳，当原始太阳中心温度达到700万摄氏度时，氢聚变为氦热核反应点火，于是，现代太阳便真正诞生了。其次，由于星云体积缩小，因而自转加快，离心力增大，逐渐在赤道面附近形成一个星云盘。星云盘上物质在疑聚和吞并过程中，最后演化为行星和其他小天体。第22页天上星星确实最多，比地球上人口多得多。但不是最暗、天上星星确实最多，比地球上人口多得多。但不是最暗、最小。最小。数不清星星，是与太阳一样能发光恒星，许多比太阳大数不清星星，是与太阳一样能发光恒星，许多比太阳大得多、亮得多。月亮是地球一颗卫星，是最小。得多、亮得多。月亮是地球一颗卫星，是最小。地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等行星和一些小行星及彗星围绕太阳运行。行星和一些小行星及彗星围绕太阳运行。除水星、金星外，其它行星都有卫星，有多达几十颗。除水星、金星外，其它行星都有卫星，有多达几十颗。这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起组成太阳系。这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起组成太阳系。太阳系中全部天体都跟随太阳围绕银河中心运行。太阳系中全部天体都跟随太阳围绕银河中心运行。太阳只是银河系中千多亿颗恒星中一颗。而宇宙中还太阳只是银河系中千多亿颗恒星中一颗。而宇宙中还有亿万个像银河系这么星系。有亿万个像银河系这么星系。宇宙到底有多大？宇宙到底有多大？第23页宇宙航行宇宙航行 宇宙航行，就是在这么广袤宇宙空间进行，宇宙航行，就是在这么广袤宇宙空间进行，而我们现在太空活动范围，远远不及而我们现在太空活动范围，远远不及海滨海滨游泳池与大洋百分比游泳池与大洋百分比。著名科学家钱学森指出，宇宙航行应包含著名科学家钱学森指出，宇宙航行应包含两个阶段，第一阶段为两个阶段，第一阶段为航天航天，就是人类在，就是人类在太阳系内航行活动；第二阶段为太阳系内航行活动；第二阶段为航宇航宇，就，就是冲出太阳系到银河系，乃至河外星系去是冲出太阳系到银河系，乃至河外星系去航行。航行。科学技术必须再有几次科学技术必须再有几次飞跃飞跃，人类才能实，人类才能实现航宇理想。现航宇理想。第24页时间问题：时间问题：大多数人恐怕还没有到过千米以外太空，而大多数人恐怕还没有到过千米以外太空，而地球与月球距离大约是千米万倍，地球与地球与月球距离大约是千米万倍，地球与海王星距离又是月球距离万倍，约亿千米。海王星距离又是月球距离万倍，约亿千米。美国著名美国著名“旅行者旅行者”号探测器整整走了年才号探测器整整走了年才抵达海王星。离我们最近恒星半人马座抵达海王星。离我们最近恒星半人马座a星距离，星距离，是到海王星距离万倍，约万亿千米，是到海王星距离万倍，约万亿千米，“旅旅行者行者”号要飞行年才能抵达。假如号要飞行年才能抵达。假如按一代人工作年计算，则需要代人按一代人工作年计算，则需要代人连续工作才能实现。假如要返回话，则时间还得连续工作才能实现。假如要返回话，则时间还得加倍。加倍。第25页能源动力问题能源动力问题 飞船要到达每秒钟飞行飞船要到达每秒钟飞行.千米速度才能克服地球千米速度才能克服地球引力，围绕地球飞行；要到达每秒钟飞行引力，围绕地球飞行；要到达每秒钟飞行.千千米速度，才能脱离地球引力，到行星际空间去旅行。米速度，才能脱离地球引力，到行星际空间去旅行。为了送阿波罗马飞船到月球上去，美国人制造了巨为了送阿波罗马飞船到月球上去，美国人制造了巨大火箭大火箭“土星土星”。它由三级组成，加上装在顶端。它由三级组成，加上装在顶端阿波罗飞船，有米高，重多吨，最阿波罗飞船，有米高，重多吨，最大直径达米。它第一级发动机只工作分半钟，大直径达米。它第一级发动机只工作分半钟，消耗燃料就有多吨。按一辆汽车天天用油消耗燃料就有多吨。按一辆汽车天天用油千克计算，这些燃料可供辆汽车使用千克计算，这些燃料可供辆汽车使用年！年！要飞出太阳系，飞船必须要到达每秒钟飞行要飞出太阳系，飞船必须要到达每秒钟飞行.千米速度，这该要多大火箭？需要多少燃料？实际千米速度，这该要多大火箭？需要多少燃料？实际上是不能用现在火箭作航宇飞行动力，即使携带着上是不能用现在火箭作航宇飞行动力，即使携带着巨燃料火箭能够起飞，带来问题也很多，而且速度巨燃料火箭能够起飞，带来问题也很多，而且速度也太慢。显然需要另想方法。也太慢。显然需要另想方法。第26页通信问题通信问题 从半人马座从半人马座a星向地球发电报，无线电波要走星向地球发电报，无线电波要走年多才能到达，那里要收到回电，则需等年多才能到达，那里要收到回电，则需等年。假如是万光年距离，则往返要万年。年。假如是万光年距离，则往返要万年。要能走这么远无线电波，需要一颗中等恒星发射要能走这么远无线电波，需要一颗中等恒星发射功率、发报机球形天线半径达万千米。功率、发报机球形天线半径达万千米。这么强大通信电台是无法建在地球上，它发射强这么强大通信电台是无法建在地球上，它发射强大能量会即刻把地球毁灭掉。即使是在离地球大能量会即刻把地球毁灭掉。即使是在离地球个天文单位地方建座球形天线半径为个天文单位地方建座球形天线半径为千米、作用距离为万光年无线电发射台，千米、作用距离为万光年无线电发射台，所以材料质量就是相当地球质量五分之一，建造所以材料质量就是相当地球质量五分之一，建造时间需要万万年！时间需要万万年！第27页生命延续问题生命延续问题 一代人是不行，飞船上必须要能容纳一个一代人是不行，飞船上必须要能容纳一个“部落部落”，靠子孙相传，一代接一代地去，靠子孙相传，一代接一代地去完成。这么，飞船上不但要处理衣食住行完成。这么，飞船上不但要处理衣食住行问题，而且要处理社会发展全部问题，也问题，而且要处理社会发展全部问题，也就是说飞船要携带一整个社会。就是说飞船要携带一整个社会。第28页已发射宇宙飞船能抵达恒星吗？已发射宇宙飞船能抵达恒星吗？1972年发射了先锋年发射了先锋10号飞船，也就是一个行星探号飞船，也就是一个行星探测器，它在第测器，它在第2年就飞过木星附近，然后飞向远方，年就飞过木星附近，然后飞向远方，而且已经飞出太阳系，朝着恒星而且已经飞出太阳系，朝着恒星ROSS248星方星方向飞去，这是离太阳较近恒星，距离有向飞去，这是离太阳较近恒星，距离有10个光年，个光年，先锋先锋1O号飞到那里需要号飞到那里需要33万年。万年。旅行者飞船和它情况差不多。就是向着最近我们旅行者飞船和它情况差不多。就是向着最近我们一颗恒星半人马星座比邻星（距离一颗恒星半人马星座比邻星（距离43光年）飞光年）飞去也要去也要15万年以上，可见这个旅途是太远太远万年以上，可见这个旅途是太远太远了！这些飞船上带有地球人给外星人信息，谁知了！这些飞船上带有地球人给外星人信息，谁知道未来会落在何处？按理说这些飞船是可能抵达道未来会落在何处？按理说这些飞船是可能抵达恒星世界，即使要上万年时间。恒星世界，即使要上万年时间。第29页透镜里宇宙透镜里宇宙 罗马不是一天造成，宇宙也不是！我们看到早期罗马不是一天造成，宇宙也不是！我们看到早期宇宙，可能很大程度上是引力透镜夸大和扭曲后宇宙，可能很大程度上是引力透镜夸大和扭曲后样子。样子。爱因斯坦爱因斯坦“引力透镜引力透镜”：光线经过大质量天体附：光线经过大质量天体附近时，会发生弯曲。近时，会发生弯曲。第30页 引力透镜：一个遥远类星体发出光芒，经中间星系引力透镜：一个遥远类星体发出光芒，经中间星系（或星团、黑洞或随便什么质量巨大东西（或星团、黑洞或随便什么质量巨大东西）弯折抵达地）弯折抵达地球，因而显得更明亮，并产生多个虚像。球，因而显得更明亮，并产生多个虚像。第31页 哈勃望远镜拍到照片。图中几个哈勃望远镜拍到照片。图中几个蓝色椭圆圈，是同一个幼年星系在橙蓝色椭圆圈，是同一个幼年星系在橙色星系团引力透镜作用下形成多个虚色星系团引力透镜作用下形成多个虚像。像。地球、引力透镜、观察对象恰好三点一线概率实在太小地球、引力透镜、观察对象恰好三点一线概率实在太小 第32页引力透镜设于夏威夷日本富士设于夏威夷日本富士(Subaru)望远镜拍得望远镜拍得照片。图中央暗红色照片。图中央暗红色是一个椭圆星系，它是一个椭圆星系，它引力透镜作用对同一引力透镜作用对同一个类星体（蓝色天体）个类星体（蓝色天体）形成了形成了4个像。个像。第33页类星体类星体离地球非常远离地球非常远几十乃至上百亿光年，体积很几十乃至上百亿光年，体积很小、异常明亮。一个体积不超出太阳系家伙，亮小、异常明亮。一个体积不超出太阳系家伙，亮度超出包含几千亿颗恒星星系。（银河系总共约度超出包含几千亿颗恒星星系。（银河系总共约有有2千亿颗恒星）。千亿颗恒星）。俄罗斯科学家俄罗斯科学家Y.Zeldovich黑洞说认为黑洞说认为：类星体：类星体是猛烈活动星系核，那里有一个巨型超级黑洞，是猛烈活动星系核，那里有一个巨型超级黑洞，正在贪婪地吞食气体尘云。物质跌入黑洞时释放正在贪婪地吞食气体尘云。物质跌入黑洞时释放引力能，发出强烈光芒。经过类星体亮度，能够引力能，发出强烈光芒。经过类星体亮度，能够判断中央黑洞质量。判断中央黑洞质量。光传输速度是有限，一个天体离我们多少光年远，光传输速度是有限，一个天体离我们多少光年远，我们看到就是它多少年前形象，观察遥远天体就我们看到就是它多少年前形象，观察遥远天体就是在观察宇宙过去。是在观察宇宙过去。第34页银河系并不是宇宙空间尽头。在银河系之外，还银河系并不是宇宙空间尽头。在银河系之外，还有许许多多星系，人有许许多多星系，人 们管它们叫们管它们叫“河外星系河外星系”。天文学家已发觉天文学家已发觉10亿多个亿多个河外星系，每个河外河外星系，每个河外星系都包含有星系都包含有几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星和几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星和大量星云和星际物质大量星云和星际物质。全部河外星系又。全部河外星系又 组成更组成更庞大庞大总星系总星系。当前，经过射电望远镜和空间探测，。当前，经过射电望远镜和空间探测，已观察到距离我们地球约已观察到距离我们地球约200亿光年一个似星非亿光年一个似星非星天体，取名星天体，取名“类星体类星体”。这种天体发觉，把今。这种天体发觉，把今 天人类视线拓展到天人类视线拓展到200亿光年亿光年宇宙深空。宇宙深空。宇宙当代概念宇宙当代概念-无限无限第35页宇宙起源宇宙起源伽莫夫伽莫夫大爆炸大爆炸理论理论 宇宙是什么时候、怎样形成宇宙是什么时候、怎样形成?宇宙是宇宙是约约150亿年前亿年前发生一次大爆炸形成。发生一次大爆炸形成。在爆炸之前，宇宙内在爆炸之前，宇宙内所存物质和能量所存物质和能量都聚集到了一都聚集到了一起，并起，并浓缩成很小体积，温度极高，密度极大浓缩成很小体积，温度极高，密度极大，之，之后发生了大爆炸。后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散出击，宇宙大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不停膨胀，温度空间不停膨胀，温度也对应下降也对应下降，以后相继出现在宇宙中全部星系、恒，以后相继出现在宇宙中全部星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不停星、行星乃至生命，都是在这种不停膨胀冷却膨胀冷却过程过程中逐步形成。中逐步形成。“在所存物质和能量聚集在一点在所存物质和能量聚集在一点”前存在着什么东西前存在着什么东西？第36页宇宙结构宇宙结构 宇宙由星系宇宙由星系巨大超星系团巨大超星系团组成，星系周围是大团组成，星系周围是大团看不见看不见空荡荡太空空荡荡太空。每个星系又包含了数以。每个星系又包含了数以十亿十亿计恒星计恒星，组成这些恒星物质是一些小得看不见，组成这些恒星物质是一些小得看不见粒粒子子。质子、中子和电子质子、中子和电子是最普通粒子，它们通常是最普通粒子，它们通常以原子形式结合在一起。质子和中子由更小粒子以原子形式结合在一起。质子和中子由更小粒子组成，它叫做组成，它叫做夸克夸克。宇宙由四种力或它们之间相互作用支配：宇宙由四种力或它们之间相互作用支配：引力、引力、电磁力、强核力和弱相互作用力电磁力、强核力和弱相互作用力 。普适规则普适规则 ：物理学家们试图用单一科学定理来解：物理学家们试图用单一科学定理来解释宇宙运动，释宇宙运动，“普适规则普适规则”认为全部力中引力、认为全部力中引力、电磁力、强核力、弱相互作用力都是相互关联，电磁力、强核力、弱相互作用力都是相互关联，而且指出全部亚原子微粒可能都是由一个基本粒而且指出全部亚原子微粒可能都是由一个基本粒子产生。子产生。第37页宇宙形状宇宙形状 宇宙是什么形状呢，是象地球一样圆形，还是象宇宙是什么形状呢，是象地球一样圆形，还是象银河系一样扁平？银河系一样扁平？经过再现宇宙形成早期景象，天文学家证实了这经过再现宇宙形成早期景象，天文学家证实了这么一个观点：么一个观点：宇宙形状是扁平，而且自形成以来宇宙形状是扁平，而且自形成以来一直在不停扩展一直在不停扩展。science上关于宇宙形状近期报道：上关于宇宙形状近期报道：时空结构将时空结构将宇宙微波背景（宇宙微波背景（CMB）和宇宙主要结构连在了一）和宇宙主要结构连在了一起。起。CMB是从各个方向攻击地球连续电磁声波。这些是从各个方向攻击地球连续电磁声波。这些遥远声音是大爆炸之后遗留辐射。遥远声音是大爆炸之后遗留辐射。CMB也叫做宇也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景。宙背景辐射和微波宇宙背景。第38页宇宙运动宇宙运动 宇宙从运动上来说是宇宙从运动上来说是不停膨胀不停膨胀，而从时间上来说则是，而从时间上来说则是循环循环，只不过这个循环周期很长而已，只不过这个循环周期很长而已 宇宙宇宙运动是绝正确，静止是相对运动是绝正确，静止是相对。（证据：自转，公。（证据：自转，公转，地球运转速度，轨道，形状改变，北斗七星改变转，地球运转速度，轨道，形状改变，北斗七星改变等）宇宙中几乎没有不运动星体等）宇宙中几乎没有不运动星体：（宇宙旅行；行：（宇宙旅行；行星相撞；宇宙炮弹星相撞；宇宙炮弹陨石、小行星轰击；彗星穿行；陨石、小行星轰击；彗星穿行；光子流、粒子流、宇宙尘埃等）光子流、粒子流、宇宙尘埃等）“大爆炸宇宙论大爆炸宇宙论”认为，宇宙总是周而复始地从诞生认为，宇宙总是周而复始地从诞生到消亡，再诞生，再消亡，我们现在这个宇宙只是从到消亡，再诞生，再消亡，我们现在这个宇宙只是从过去到未来无限多宇宙中一个而已。过去到未来无限多宇宙中一个而已。第39页宇宙太空也有天气改变吗？宇宙太空也有天气改变吗？宇宙太空并不单纯，就像地球大气层会发生风云宇宙太空并不单纯，就像地球大气层会发生风云突变气象改变普通，太空中也时常会出现灾害性突变气象改变普通，太空中也时常会出现灾害性天气。天气。太空天气指太阳系内行星际空间天气。对地球或太空天气指太阳系内行星际空间天气。对地球或航天器影响最大是航天器影响最大是太阳改变：太阳改变：“太阳黑子太阳黑子”、日、日珥、耀斑、太阳风珥、耀斑、太阳风等。等。太阳风暴对地球磁层、电离层和大气层都会造成太阳风暴对地球磁层、电离层和大气层都会造成严重干扰，带来灾变严重干扰，带来灾变。会影响航天器动作，使其。会影响航天器动作，使其与地面电信联络中止。导航定位不准，甚至使卫与地面电信联络中止。导航定位不准，甚至使卫星失效、坠落。已知星失效、坠落。已知卫星故障卫星故障中，竟有与中，竟有与这种太空风暴有着直接或间接关系。多年之这种太空风暴有着直接或间接关系。多年之前，我国前，我国“风云一号风云一号”气象卫星，就是因受到太气象卫星，就是因受到太阳风暴带来大量高能粒子撞击而提早失效。阳风暴带来大量高能粒子撞击而提早失效。第40页太空除了强劲太阳风暴外，太空除了强劲太阳风暴外，太阳射电、太太阳射电、太阳射线、太阳阳射线、太阳r射线射线 等暴发，也含有很高等暴发，也含有很高能量，这些射线物质粒子会以光速向空间能量，这些射线物质粒子会以光速向空间辐射。它们危害程度要高于太阳风暴可能辐射。它们危害程度要高于太阳风暴可能造成破坏，有还会造成破坏，有还会危害宇航员健康及生命危害宇航员健康及生命。因因 此，普通对航天器都装上此，普通对航天器都装上屏蔽装置屏蔽装置，还，还将航天器将航天器发射和回收日期发射和回收日期选在选在太阳活动相太阳活动相对宁静对宁静时间内。所以，预报这些太阳射线时间内。所以，预报这些太阳射线暴发日期，就成为太空天气学研究暴发日期，就成为太空天气学研究 主要内主要内容。容。第41页影响太空天气来自影响太空天气来自太阳系外其它天体太阳系外其它天体。年代。年代以来，人们已发觉以来，人们已发觉宇宙射线暴发和宇宙射线暴发和r射线暴发射线暴发，还有较高能量宇宙线猛烈变动，即使还有较高能量宇宙线猛烈变动，即使这些射线大这些射线大多起源非常遥远多起源非常遥远，对地球和近地空间不会造成什，对地球和近地空间不会造成什么严重危害，但当我们把么严重危害，但当我们把 太空探测太空探测触角伸向更遥触角伸向更遥远空间时，就不能不亲密注意它们动静。远空间时，就不能不亲密注意它们动静。太空中，时而还会发生太空中，时而还会发生新星和超新星暴发新星和超新星暴发。暴发。暴发释放出物质中很多是释放出物质中很多是放射性元素和大量高能粒子放射性元素和大量高能粒子辐射辐射。科学家已经发觉，地球上有些古生物灭绝，。科学家已经发觉，地球上有些古生物灭绝，地震地震 发生以及一些其它灾变，似乎都有超新星这发生以及一些其它灾变，似乎都有超新星这双双“魔手魔手”，在背后操纵。显然，它们对人类太，在背后操纵。显然，它们对人类太空活动威胁，是不容忽略。所以，这也是太空天空活动威胁，是不容忽略。所以，这也是太空天气学研究内容。气学研究内容。第42页宇宙诞生宇宙诞生最初三分钟最初三分钟第43页量子引力时代量子引力时代(0(0t t1010-44-44秒）秒）量子引力时代量子引力时代(0(0t t1010-44-44秒）宇宙整体由一个秒）宇宙整体由一个不存在时间和空间量子状态（不存在时间和空间量子状态（“无无”状态），状态），自自发跃迁发跃迁（即所谓（即所谓“大爆炸大爆炸”)”)到含有空间、时间到含有空间、时间量子状态。在这个时期，物质场量子涨落造成时量子状态。在这个时期，物质场量子涨落造成时空本身发生量子涨落并不停地膨胀，空间和时间空本身发生量子涨落并不停地膨胀，空间和时间以以混沌混沌方式交织在一起，时空没有连续性和序列方式交织在一起，时空没有连续性和序列性，因而早晚不分、上下莫辨、因果难明、不可性，因而早晚不分、上下莫辨、因果难明、不可测量。此时测量。此时四种基本力不可区分四种基本力不可区分，是一个统一力，是一个统一力，此时时空为此时时空为虚时空虚时空。第44页普朗克时代（普朗克时代（t tp pt t1010-36-36秒）秒）普朗克时代普朗克时代(t(tp pt t1010-36-36秒秒).).当初间等于当初间等于普朗克时间普朗克时间(t(tp p=5.410=5.410-44-44秒秒)时时,虚时空虚时空发生超统一相变发生超统一相变,实时空形成实时空形成,粒子产生粒子产生,时间和空间能够测量时间和空间能够测量,引力作用首先分化引力作用首先分化出来出来,强弱电三种力仍不可区分强弱电三种力仍不可区分,夸克和轻夸克和轻子能够相互转化。相变点能量是子能够相互转化。相变点能量是10101919GeV(1GeV=10GeV(1GeV=109 9eV),eV),温度是温度是10103232K K。第45页大统一时代大统一时代（1010-36-36秒秒t t1010-33-33秒）秒）大统一时代（大统一时代（1010-36-36秒秒t t1010-33-33秒）。宇宙温度秒）。宇宙温度继续下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力是继续下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力是一个统一力。当一个统一力。当t=10t=10-36-36秒时，温度降至秒时，温度降至10102828K K，发生大统一真空相变。相变过程中释放巨大能量发生大统一真空相变。相变过程中释放巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到使时空以指数规律急剧地暴胀，直到1010-33-33秒最终秒最终完成大统一相变。相变后，宇宙空间尺度增加了完成大统一相变。相变后，宇宙空间尺度增加了10104343倍，强力从统一强、弱、电力中分化出来，倍，强力从统一强、弱、电力中分化出来，夸克与轻子相互独立，大统一时代结束。在这一夸克与轻子相互独立，大统一时代结束。在这一时期产生重子数略多于反重子数，因而今天物质时期产生重子数略多于反重子数，因而今天物质世界是以正物质为主世界。世界是以正物质为主世界。第46页夸克夸克-轻子时代轻子时代(10(10-33-33秒秒t t1010-6-6秒秒)这段时期弱、电两种力不可区分。直到这段时期弱、电两种力不可区分。直到t=10t=10-33-33秒，温度降至秒，温度降至10101616K K时，发生电弱统时，发生电弱统一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。弱力成为两种力。第47页强子强子-轻子时代轻子时代(10(10-6-6秒秒t t1 1秒秒)t=10t=10-6-6秒，温度降至秒，温度降至10101212K K，夸克被禁闭，凝，夸克被禁闭，凝聚成重子和介子；聚成重子和介子；t=10t=10-4-4秒，温度降至秒，温度降至10101111K K时，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位时，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位时代，重子中主要只剩下质子和中子。这时代，重子中主要只剩下质子和中子。这时，宇宙中物质成份有电子、正电子、时，宇宙中物质成份有电子、正电子、子、中微子、子、中微子、子、中子、质子。这时主子、中子、质子。这时主要特征是粒子间反应产生了大量光子和中要特征是粒子间反应产生了大量光子和中微子。微子。第48页辐射时代和核合成时代（1秒t21）当t=1秒时，温度降为1010K，中子开始衰变为质子，正负电子不停湮灭转化为光子。这时，光子数大大超出含有静质量粒子，宇宙以光子辐射为主，进入辐射时代。t=4秒时，中子不再衰变为质子，中子数与质子数之比为1：7。t=3分钟后，温度降到109K以下，氦等轻核形成（t=30分），依据质子、中子比可估算出氦核质量约为宇宙总质量1/4（氦丰度），这与今天观察结果十分靠近。t=21时,温度降至4000K,物质密度与辐射密度基本相等,自由电子开始被原子核俘获,形成稳定原子(主要是轻元素).光子能量不足以与原子体系作用,辐射脱耦,宇宙变得透明,进入以物质为主原子时代.这个4000K黑体辐射不停冷却,至今就是观察到3K宇宙背景辐射。第49页星系时代（21t1)在这个阶段，宇宙内实物粒子从等离子气在这个阶段，宇宙内实物粒子从等离子气体演化为气状物质。伴随宇宙深入膨胀和体演化为气状物质。伴随宇宙深入膨胀和温度下降，气状物质被分开，形成原始星温度下降，气状物质被分开，形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。出星系。第50页恒星时代(t51）T=51时，星系深入凝聚成亿万颗恒星。恒星演化动力主要源于引力作用和轻核骤变所产生巨大能量。恒星一生普通经历引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段、脉冲星阶段（暴发阶段）和高密阶段（白矮星、中子星、黑洞等）。在恒星演化过程中，又形成了行星和行星系统。我们银河系大约起源于宇宙时间为10亿年时，太阳系大约起源于距今约50亿年。地球在约47亿年前诞生，它是由原始太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成。在星系、恒星和行星形成过程中，在星体中温度适当条件下，重元素和各种分子相继形成。第51页宇宙大爆炸理论观察依据主要有宇宙大爆炸理论观察依据主要有5项项 星系退行星系退行：经过光谱观察发觉，遥远星