第一篇當(dāng)代自然科學(xué)中的重大基本問(wèn)題第一章宇宙的起源和演化（P11-30）地球距太陽(yáng)平均距離為1.486*108km，太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體。太陽(yáng)系是由太陽(yáng)、行星及其衛(wèi)星、彗星、流星體和行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體系統(tǒng)。離太陽(yáng)由近及遠(yuǎn)依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星等八大行星。八大行星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)。在火星和木星之間運(yùn)行著幾十萬(wàn)顆小行星。太陽(yáng)系中質(zhì)量較小的天體還有流星和彗星，哈雷彗星、波普——海爾彗星、白武彗星就是其中的幾個(gè)。太陽(yáng)只是一顆極普通的恒星，它屬于一個(gè)龐大的恒星系統(tǒng)一一銀河系。銀河系是由群星和彌漫物質(zhì)集成的一個(gè)龐大天體系統(tǒng)。銀河系中有2000億顆以上的恒星。形狀呈扁盤(pán)形，盤(pán)所在的平面成為銀道面。變盤(pán)的最大厚度約1*104l.Y.（l.Y.是光年的符號(hào)，1l.Y.=9.460730*1015m，即光在真空里1年內(nèi)所傳播的距離），銀河系發(fā)光部分距離約7*104l.Y.，銀盤(pán)外圍還有一個(gè)由恒星組成的球星暈稱為銀暈，直徑約1*105l.Y.，（p13）星系的形狀可分為橢圓形狀、透鏡形狀、漩渦形狀、棒旋形狀和不規(guī)則形狀五個(gè)類型。1916年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論。1917年得到靜態(tài)的有限無(wú)界的宇宙模型，稱為愛(ài)因斯坦宇宙。1922年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼得到愛(ài)因斯坦方程一組動(dòng)態(tài)解，包括兩類膨脹解和一類振蕩解，從而建立了新的宇宙模型。1927年比利時(shí)人勒梅特在弗里德曼解的基礎(chǔ)上把已觀測(cè)到的河外星系光譜紅移解釋為宇宙膨脹的結(jié)果，提出了膨脹宇宙的模型。1948年英國(guó)劍橋的拜迪、霍伊爾和戈?duì)柕绿岢龇€(wěn)恒態(tài)宇宙模型。伽莫夫提出“熱宇宙模型”俗稱“大爆炸宇宙”模型，亦稱標(biāo)準(zhǔn)模型。第二節(jié)宇宙的起源和演化宇宙大爆炸起源模型20世紀(jì)70年代以來(lái)，粒子物理學(xué)家與宇宙學(xué)家提出了宇宙大爆炸起源模型。宇宙始于約100億年前的大爆炸。四種相互作用，即萬(wàn)有引力相互作用、強(qiáng)相互作用、電磁相互作用和弱相互作用。隨著宇宙的膨脹和降溫，真空發(fā)生一系列相變（可由水變?yōu)楸優(yōu)樗魵膺@種相變的類比去理解的真空相變）大爆炸后時(shí)間溫度10-44S1032K發(fā)生超統(tǒng)一相變，引力相互作用首先分化出來(lái)，但弱、電磁、強(qiáng)三種相互作用仍不可分。此時(shí)粒子產(chǎn)生，但夸克和輕子可以相互轉(zhuǎn)變。10-36S1028K大統(tǒng)一相變發(fā)生，強(qiáng)相互作用與弱、電磁相互作用分離，物質(zhì)與反物質(zhì)間的不對(duì)稱（即質(zhì)子電子等類物質(zhì)多于反質(zhì)子正電子之類反物質(zhì)）的現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)。10-10S1015K弱電相變發(fā)生，弱相互作用與電磁

相互作用分離。經(jīng)過(guò)這幾種相變完成了四種相互作用逐一分化的歷史。1s1010K進(jìn)入輻射為主的階段。10s5*109K幾乎所有能量均以輻射（光子）形式出現(xiàn)，輻射密度大于物質(zhì)密度。3min109K宇宙膨脹為約一光年的實(shí)體，是原子核合成的時(shí)期，有近1/3的物質(zhì)合成He4,就是說(shuō)此時(shí)構(gòu)造各種物質(zhì)元素的材料已制備完畢。7*105a宇宙溫度降為3000K物質(zhì)復(fù)合成原子，物質(zhì)密度大于輻射密度，物質(zhì)變得透明，物質(zhì)復(fù)合的結(jié)果使重子數(shù)與光子數(shù)保持恒定。108a輻射溫度為100K,星際物質(zhì)溫度1K星系形成。109a輻射溫度12K出現(xiàn)類星體101oa輻射溫度降為宇宙已大到100多億光年，現(xiàn)在宇宙仍在繼續(xù)膨脹著。2.7K,星際物質(zhì)溫度10-5K三、宇宙是均勻的和各向同性的介質(zhì)任何時(shí)候宇宙空間都均勻的、各向同性的。星系被看成是宇宙物質(zhì)的基本單位。通常把幾十個(gè)星系結(jié)成的集團(tuán)叫星系群，把幾百個(gè)星系組成的集團(tuán)叫星系團(tuán)。星系群和星系團(tuán)又進(jìn)一步結(jié)成超星系團(tuán)。四、哈勃定律與宇宙膨脹1929年，著名美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)，星系離得越遠(yuǎn)接收到它的光的頻率比它發(fā)出光的頻率比它發(fā)出光的頻率就降得越多，寫(xiě)成公式為z=（H/c）d,其中z為紅移量，c為光速，H為哈勃常量，d為星系距離，這是哈勃定律的第一種表示形式。一個(gè)振動(dòng)的物體離開(kāi)振動(dòng)的接收者而去，離去的速度v越快則接收到的頻率比物體振動(dòng)的頻率越低，這現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。將它用于發(fā)光的星體，有z=v/c，此式與哈勃定律的第一種表達(dá)式結(jié)合，就得到哈勃定律的第二種表示式：V=Hd。該式物理意義特別直觀，星系退行速度與星系距離成正比。若離地球一倍距離的星系以一倍的速度退行，則離地球二倍距離的星系則以二倍的速度退行。由此推之，就得到各星系彼此遠(yuǎn)離、且遠(yuǎn)離得越來(lái)越快這一宇宙膨脹的結(jié)論。由此不難理解哈勃定律是宇宙膨脹的當(dāng)然證據(jù)，將哈勃定律列為本世紀(jì)最重要的天文發(fā)現(xiàn)之一也是自然的了。需要指出的是，哈勃關(guān)系只對(duì)遙遠(yuǎn)星系成立，對(duì)近的星系和更遙遠(yuǎn)星系都出現(xiàn)偏離。對(duì)于哈勃常量H，當(dāng)時(shí)定出的大小為500KM-s-i-Mpc-i。20世紀(jì)50年代以后的天文學(xué)家改進(jìn)后的測(cè)定值：H=50——100KM-s-i-Mpc-iMpc是天文距離單位，稱兆秒差距，1秒差距（ipc）約等于3?26l?y?。此公式的物理意義是指距離為1Mpc的星系的退行速度為50-100km/s。這一經(jīng)驗(yàn)規(guī)律證實(shí)了宇宙以保持均勻性的方式在膨脹。五、微波背景輻射20世紀(jì)天文學(xué)的另一重大發(fā)現(xiàn)是微波背景輻射。彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第三節(jié)星系的起源和演化星系是構(gòu)成宇宙的基本單元。星系的外形和結(jié)構(gòu)是多種多樣的。1926年，哈勃按星系的形態(tài)把星系分為三大類：橢圓星系、漩渦星系和不規(guī)則星系。后來(lái)又細(xì)分為：橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系五個(gè)類型。星系在永恒地運(yùn)動(dòng)。在星系團(tuán)中，星系間有隨機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。河外星系的視向退行速度與距離成正比。星系的質(zhì)量是可測(cè)的。第四節(jié)恒星的起源和演化恒星是構(gòu)成星系的基本單位，是將宇宙原始物質(zhì)合成各種重元素的落爐。恒星是從星際分子云中形成的；恒星有形成、發(fā)展和死亡的過(guò)程。星系中恒星間的區(qū)域不是真空而是充有星際物質(zhì)，主要是氣體云、塵埃云組成的巨大分子云。恒星的演化過(guò)程可分為四個(gè)階段:初始階段、亞穩(wěn)階段、周期性收縮膨脹階段、引力坍縮階段。一、恒星的形成20世紀(jì)60年代確立了恒星從星際分子云中形成這一重大的現(xiàn)代學(xué)說(shuō)，成為恒星形成研究的主要成就。盡管星際物質(zhì)的密度很低，約為10-i9kg/m3,但它們的分布很不均勻。巨大分子云密度較高部分在自身引力作用下會(huì)變得更密。密度越大氣體間的引力也越大，從而進(jìn)一步增加了其密度。引力做功轉(zhuǎn)化成熱，使分子云密度增加的同時(shí)溫度也不斷增高。當(dāng)氣體密度與溫度達(dá)到一定值時(shí)（一些偶然情況也可使氣體云變得十分稠密），向內(nèi)的引力足以克服向外的壓力，大分子云將急劇收縮，聚向中心形成一個(gè)密度大的核心天體，稱為云核。引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能而使中心天體熾熱發(fā)光。這就是原恒星階段。當(dāng)盤(pán)中物質(zhì)在引力作用下不斷落向原恒星，原恒星在不斷收縮過(guò)程中，引力能轉(zhuǎn)化的熱能使中心溫度達(dá)到107K時(shí)，就足以觸發(fā)恒星中心氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，而放出巨大的核能，此時(shí)恒星不斷向外輻射出大量能量，恒星誕生了。（初始階段）恒星的質(zhì)量一般在0.1-100m◎之間。更小的質(zhì)量不足以觸發(fā)熱核反應(yīng)，而更大的質(zhì)量則會(huì)由于產(chǎn)生的輻射壓力太大而瓦解。恒星質(zhì)量的大小取決于它誕生時(shí)的條件。二、恒星的演化恒星的演化過(guò)程可分為四個(gè)階段：初始階段、亞穩(wěn)階段、周期性收縮膨脹階段、引力坍縮階段。恒星主要是依靠?jī)?nèi)部氣體粒子熱運(yùn)動(dòng)的壓力與自身物質(zhì)之間的巨大引力相抗衡的。維持恒星不斷發(fā)光發(fā)熱的能量，是恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)提供的。質(zhì)量輕的原子核經(jīng)核聚變生成質(zhì)量較大的核，生成核的質(zhì)量一般都小于反應(yīng)前元素質(zhì)量的和，這稱為質(zhì)量虧損。按愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系，與一定質(zhì)量m相聯(lián)系的能量是質(zhì)量乘以光速的平方，即mc2。核燃料使恒星內(nèi)部物質(zhì)產(chǎn)生向外的輻射壓力，當(dāng)輻射