1、通識課 宇宙新概念簡介 教師：趙江南,宇宙是如何起源的，又是如何演化、發(fā)展、滅亡的?自古以來一直是人類最感興趣和不斷探索的問題。關(guān)于宇宙的問題，歷史上曾出現(xiàn)過各種神話故事，但作為一門科學(xué)，應(yīng)該建立在嚴(yán)格的理論和實驗基礎(chǔ)上。宇宙學(xué)無論在科學(xué)上還是在哲學(xué)上都是一個探索中的問題，并沒有現(xiàn)成的確切答案，所以科學(xué)的態(tài)度對認識宇宙尤為重要。,天文學(xué)的研究需要人們認識自然的最新知識，需要最先進的技術(shù)，而且天文學(xué)永遠是人類認識自然的最前沿的科學(xué)。但是天文學(xué)又是最古老的科學(xué)，它幾乎是伴隨人類同時產(chǎn)生的，現(xiàn)代天體和宇宙所有的新概念都經(jīng)歷了漫長的發(fā)展，所以現(xiàn)代天文學(xué)是建立在人類不斷追求和摸索的基礎(chǔ)之上的。,在所有的

2、學(xué)科中，天文學(xué)與哲學(xué)的關(guān)系最為密切，兩者互相依存、互相促進：一方面，哲學(xué)是一門研究世界觀的學(xué)問，世界觀就是宇宙觀，它在闡明關(guān)于宇宙的最根本觀點宇宙是精神的還是物質(zhì)的，宇宙是靜止的還是運動的時，離不開天文學(xué)為之提供的科學(xué)證據(jù)；另一方面，天文學(xué)在研究它的一些重大理論問題時，離不開哲學(xué)的指導(dǎo)，要精確地描繪宇宙、宇宙的發(fā)展、人類的發(fā)展，以及這種發(fā)展在人們頭腦中的反映，就必須用辯證唯物主義的方法，使我們的理論不偏離科學(xué)的軌道。,宇宙新概念作為一門通識課，總的授課時間為36學(xué)時，因此它不可能涉及深奧的數(shù)學(xué)運算，但對每個概念及其物理意義，需用最簡潔易懂的語言加以概括和總結(jié)，這樣才能做到形象生動。作為一門全校

3、性公共選修課，面對文、理、工、醫(yī)各年級學(xué)生，對其內(nèi)容的選取必須考慮到授課對象的特點。天文學(xué)的范圍太廣了，我們當(dāng)然不可能深入地講解天文學(xué)的各個細節(jié)，而且這也不符合通識課的目的。我們希望以天體物理為主要內(nèi)容，系統(tǒng)地介紹天文學(xué)的主要概念。,第一章 緒論 1.1 天文學(xué)研究的對象、方法和意義 一、天文學(xué)研究的對象 二、天文學(xué)研究的方法 三、天文學(xué)三大分支 四、天文學(xué)研究的意義,1.2 現(xiàn)代天文學(xué)的起源及發(fā)展簡述 一、地日說 二、日心說 三、近代天文學(xué) 四、現(xiàn)代天文學(xué),1.3 時間和歷法 一、地平坐標(biāo)系 二、節(jié)氣 三、時間 四、歷法 五、干支紀(jì)時和屬相 六、周,1.4 天文學(xué)和哲學(xué)關(guān)系略論 一、天文學(xué)在

4、哲學(xué)進步中的作用 二、哲學(xué)對天文學(xué)的指導(dǎo)作用,1.5 天文望遠鏡 一、天體的輻射 二、光學(xué)望遠鏡 三、光學(xué)望遠鏡發(fā)展簡史 四、哈勃望遠鏡 五、射電望遠鏡 六、射電望遠鏡發(fā)展簡史,1.6 我國天文研究現(xiàn)狀簡介 一、研究機構(gòu) 二、高等教育 三、我國天文研究的發(fā)展方向,第二章 太陽系 2.1 太陽 一、太陽的基本參數(shù) 二、太陽大氣 三、日球 四、太陽的能量來源 五、太陽中微子之謎,2.2 地球和月球 一、地球的基本參數(shù) 二、地球大氣 三、地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和地軸進動 四、月球的基本參數(shù) 五、盈虧現(xiàn)象 六、月球的表面狀況 七、月球探測 八、日、月、地天文現(xiàn)象 九、日地空間,2.3 太陽系的其他天體 一、

5、九大行星 二、太陽系的小天體 三、冥王星是九大行星之一嗎 四、太陽系有第十大行星嗎,2.4 深度撞擊和登陸火星,一、深度撞擊 二、登陸火星,2.5 太陽系的起源和演化 一、太陽系起源的研究簡史 二、太陽系起源的現(xiàn)代觀點 三、太陽系的演化 四、太陽系起源和演化的哲學(xué)思想 ,第三章 恒星 3.1 恒星參數(shù)的測定 一、恒星的距離 二、恒星的亮度和視星等 三、恒星的光度和絕對星等 四、恒星的大小、質(zhì)量和密度,3.2 恒星光譜及其相關(guān)性質(zhì) 一、光譜概念的物理基礎(chǔ) 二、恒星光譜與氫原子譜線 三、光譜在恒星研究中的應(yīng)用 四、恒星的光譜、顏色和表面溫度之間的關(guān)系 五、恒星的赫羅圖,3.3 變星和新星 一、造父

6、變星 二、新星和超新星 3.4 恒星集團 一、雙星 二、聚星 三、星團 四、星協(xié),3.5 星云和星際物質(zhì) 一、星云 二、星際物質(zhì),3.6 恒星的起源和演化 一、恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 二、恒星的年齡 三、引力收縮階段 四、主星序階段 五、紅巨星階段 六、爆發(fā)階段 七、臨終階段 八、小結(jié),3.7恒星起源與演化中的哲學(xué)思想 一、新陳代謝是恒星演化的基本規(guī)律 二、吸引與排斥的對立統(tǒng)一是恒星演化的動力 三、質(zhì)量互變是恒星演化的主要規(guī)律,第四章 星系 4.1銀河系 一、銀河系的結(jié)構(gòu) 二、銀河系的運動 三、星族 四、銀河系經(jīng)典理論與起源學(xué)說簡介,4.2河外星系 一、河外星系的分類 二、星系團 三、銀河系附近的三個

7、著名星系 四、多普勒效應(yīng)和譜線紅移 五、河外星系的起源演化簡介,4.3正常星系和特殊星系 一、正常星系 二、特殊星系 三、類星體 四、哈勃常數(shù) 五、類星體紅移的可能機制和能量來源 六、類星休研究的最新成果 ,第五章 特殊天體5.1白矮星和黑矮星一、白矮星 二、黑矮星 5.2中子星和脈沖星一、脈沖星 二、中子星 三、脈沖雙星和引力波探測,5.3黑洞和白洞 一、引力坍縮與黑洞 二、黑洞的性質(zhì) 三、尋找黑洞 四、天鵝座X-1的特征 五、黑洞研究的最新成果 六、白洞和蟲眼 七、白洞的性質(zhì) ,第六章 宇宙論 6.1兩種不同的時空觀 一、牛頓時空觀 二、相對論時空觀,6.2大爆炸宇宙模型 一、消除不掉的噪

8、聲 二、宇宙起源的大爆炸理論 三、背景輻射的確認 四、背景輻射的均勻性 6.3宇宙的形狀和年齡 一、宇宙的形狀 二、宇宙的年齡,6.4宇宙學(xué)的其他模型 一、穩(wěn)恒態(tài)模型 二、疲勞光宇宙論 三、阿普天體 四、星系和反星系 五、收縮的宇宙 六、小結(jié),6.5宇宙的暴脹模型 一、大爆炸理論的缺陷 二、大統(tǒng)一理論 三、暴脹宇宙模型,6.6宇宙中的其他問題一、下落不明的質(zhì)量 二、宇宙中的暗能量 三、宇宙線及其起源 四、化學(xué)元素的產(chǎn)生 五、宇宙中的常數(shù) 六、引力波 七、人類面臨的挑戰(zhàn),6.7 宇宙中的哲學(xué)問題 一、宇宙起源中的辯證法 二、宇宙演化中的辯證法 ,第七章 地外生命 7.1 關(guān)于生命 一、生命的定義

9、 二、生命存在的條件 三、生命的起源,太空拍攝的地球部分表面,7.2 地外生命 一、地外存在的依據(jù) 二、地外生命的探測 7.3 地外文明 一、地外文明存在的可能性 二、地外文明的分類 三、地外文明的探索 四、UFO現(xiàn)象,火星上的液態(tài)水跡象,第八章 霍金的宇宙 8.1一個好漢三個幫 一、費因曼 二、瑞斯 三、哈特爾 四、彭羅斯 五、索恩,8.2 時空奇點 一、奇性定理 二、奇點的消失 8.3 黑洞不是那么黑了 一、不確定原理 二、黑洞的輻射 三、黑洞不是那么黑了 四、黑洞的空間彎曲,8.4 時空再認識 一、時間的形態(tài) 二、虛時間 三、p- 膜理論 四、全息術(shù)在高維空間中的應(yīng)用 五、從膜到泡泡 六

10、、回到從前,8.5 量子引力論 一、什么是量子引力論 二、量子引力論的特征 三、量子引力論的困難所在 8.6 量子宇宙學(xué) 一、宇宙的波函數(shù) 二、M理論,附錄一常用天文常數(shù) 附錄二88個星座名稱 附錄三有關(guān)天文學(xué)的諾貝爾物理學(xué) 附錄四關(guān)于本書數(shù)據(jù)的一點說明 附錄五天文學(xué)與宇宙探測大事記 參考文獻,據(jù)美國宇航局太空網(wǎng)報道，美國宇航局“鳳凰”號火星登陸器掌握的最新數(shù)據(jù)顯示，與最初得出的結(jié)論不同，火星北極區(qū)表層可能不利于生命存在。 今年7月，“鳳凰”號的顯微、電子化學(xué)及傳導(dǎo)分析儀對兩份土壤樣本的分析發(fā)現(xiàn)，火星土壤可能含有一種有毒物質(zhì)高氯酸鹽，這是一種強氧化物，可創(chuàng)造一種不利于任何潛在生命的惡劣環(huán)境。這

11、一新發(fā)現(xiàn)與顯微、電子化學(xué)及傳導(dǎo)分析儀的第一次分析結(jié)果不同，第一次分析結(jié)果顯示火星土壤在幾個方面與地球土壤相同，包括它的pH和所含的礦物質(zhì)，都與地球類似。,SQ372的運行軌道（藍色）比海王星、冥王星和“塞德娜”的軌道還大,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)來自奧特云(Oort Cloud)內(nèi)部的首顆天體游客，為太陽系日益增多的星體又增添了新丁。它是一塊冰冷的巖石，目前與地球之間的距離大約32億公里。,斯隆數(shù)字巡天計劃測量了所選區(qū)域內(nèi)近25萬顆恒星的運動，尋找以相同速度飛行的星團。這次搜索發(fā)現(xiàn)了14條獨特的恒星流，其中11條前所未見。美國加州大學(xué)圣克魯茲分校研究生凱文施勞夫曼(Kevin Schlaufman)說，因

12、為這次調(diào)查僅僅針對于銀河系的極少區(qū)域，發(fā)現(xiàn)14條恒星流預(yù)示著“我們可能會在銀河系剩余區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)大批恒星流。”,科學(xué)家繪制出類似于銀河系的星系理論模型,這是一張由美國斯皮策太空望遠鏡和日本位于夏威夷的一具望遠鏡所拍攝的圖像的合成照片。照片中紅綠斑點是這個恒星制造工廠最活躍的部分,這一遙遠星系的恒星生成速度每年最多可達4000顆，相比之下，我們的銀河系生成恒星的速度平均每年只有10顆。加州理工學(xué)院美國宇航局斯皮策(Spitzer)科學(xué)中心的彼得卡帕克說：“這個星系正經(jīng)歷著一次大規(guī)模的生育高峰，一次性生成了它的大部分恒星。如果我們?nèi)祟愐灶愃频母叻迳a(chǎn)的話，那今天幾乎所有人活著的人都是同歲。,這是5億

13、光年外的一個星系Zw II 96， 新發(fā)現(xiàn)的恒星工廠與Zw II 96看起來有些相似。,3顆“超級地球”圍繞左方恒星公轉(zhuǎn)的想象圖，最大一顆“超級地球”的質(zhì)量是地球的9.4倍。,日內(nèi)瓦天文臺學(xué)者2008年7月16日在研討會提出最新發(fā)現(xiàn)，他們在距離劍魚座與繪架座大約42光年（1光年距離約為9.5兆公里）的天空中，發(fā)現(xiàn)1顆恒星與3顆行星，這顆恒星比太陽略小，但環(huán)繞它運行的3顆行星質(zhì)量都比地球大，其中1顆大約是地球的4.2倍，另2顆分別為6.7倍與9.4倍。3顆行星公轉(zhuǎn)速度分別是4、10天與20天，比起地球公轉(zhuǎn)一周要365天，速度快了許多。,J1903+0327號中子星可能還受到其他恒星的影響,天文學(xué)

14、家們?nèi)涨鞍l(fā)現(xiàn)了一顆極為罕見的中子星不知是何原因，其繞另外一顆恒星旋轉(zhuǎn)的軌道表現(xiàn)出了非常奇怪的特點。這顆中子星的編號為J1903+0327，距離地球約2.1萬光年（約9.5萬億公里）。,通常情況下，脈沖射電源所圍繞旋轉(zhuǎn)的都是一顆已經(jīng)死亡的恒星白矮星，而前者的運行軌道幾乎都是標(biāo)準(zhǔn)的圓形。但新發(fā)現(xiàn)的J1903+0327卻并非如此。 不過，有澳大利亞學(xué)者宣稱已經(jīng)成功揭開了圍繞在該天體周圍的謎團。他們指出，J1903+0327的軌道之所以會出現(xiàn)“偏差”，主要是因為其所圍繞旋轉(zhuǎn)的恒星出現(xiàn)了“偏差”。,此電腦模擬圖顯示一顆中子星從伴星大氣中吸收氣體,銀河系中央潛伏著一個巨大的黑洞，身處黑洞附近的天體都會逐漸

15、地被黑洞吞噬，并最終消失地?zé)o影無蹤，也就是說在理論上黑洞附近是不可能存在任何天體的。但科學(xué)家近日通過研究發(fā)現(xiàn)，一大群巨大的恒星漂浮在我們銀河系的中央，它們就神秘地盤旋在黑洞附近。 這些體積巨大的恒星是如何在黑洞附近形成，這一問題一直讓天文學(xué)家感到困惑，它們本不應(yīng)該在黑洞附近形成，就像其他被黑洞吞噬的天體一樣，當(dāng)天體還是巨大的氣體云的時候，氣體云就會被黑洞附近巨大的引力撕裂，然后逐漸被黑洞吞噬。,雙星系統(tǒng)4U 1636-53的中子星每天爆發(fā)好幾次,科學(xué)家4月30日表示，他們首次發(fā)現(xiàn)在巨大的宇宙合并發(fā)生之后，待在母星系中的一個巨大黑洞被彈射出來了。 當(dāng)二個碰撞的星系最終合并時，按理說它們中心的黑洞

16、也應(yīng)該一同融入其中。但天文學(xué)理論認為，由此釋放的巨大能量能將新近形成的黑洞彈射出其母星系，進入太空中。不過，一直以來都還沒有人看到此事件的發(fā)生。,為了紀(jì)念哈勃飛行10萬次，科學(xué)家們將哈勃望遠鏡對準(zhǔn)NGC 2074星團附近的一個星云的一部分,西班牙天文學(xué)家日前宣布，他們發(fā)現(xiàn)了迄今為止最小的太陽系外行星。該行星擁有固體表面和較為濃密的大氣層，體積僅為地球的1.5倍。 這顆新發(fā)現(xiàn)的行星已被命名為GJ 436c，位于獅子座以顆編號為GJ 436的紅矮星旋轉(zhuǎn)，距離地球約30光年。,據(jù)悉，GJ 436c號行星的發(fā)現(xiàn)主要得益于一項并不算很新的技術(shù)：通過觀測那些遙遠恒星附件的大型氣態(tài)行星的運行情況，便有可能找

17、到那些距離恒星相對較遠且體積較小的行星，其中也包括那些擁有固體表面的行星。借助類似的技術(shù)，科學(xué)家們在過去的一個世紀(jì)中還發(fā)現(xiàn)了海王星。,天文學(xué)家24日宣布他們發(fā)現(xiàn)了一顆和木星差不多大的新行星，名叫CoRot-Exo-4b，CoRot-Exo-4b屬于麒麟星座，距離我們太陽系大約3000光年。天文學(xué)家認為它主要是由氣體組成，和木星的組成差不多。目前從地球上還看不到此行星，但到今年秋天就可以一睹其真面目了。 此行星圍繞其恒星運轉(zhuǎn)一周需要9.2天，是目前所發(fā)現(xiàn)的全部凌日的太陽系外行星中公轉(zhuǎn)周期最長的一顆行星。科學(xué)家表示去拜訪此行星是不可能的，這不僅僅因為它距離我們太遙遠，還因為它的溫度太熱且氣體太多。

18、即使科學(xué)家能建造出以光速行駛的飛船，此旅行也得花3000年才能到達。,目前有一種非常流行的理論認為，宇宙中其實充滿了各種微生物，地球生命最初可能也起源于太空。太空中生命力極強的微生物跟隨彗星或隕星一起墜落到地球表面，最終形成地球生命。這一全新理論一度引起廣泛的爭論。據(jù)英國開放大學(xué)微生物學(xué)家查爾斯-科克爾介紹，實驗表明，一些微生物被送入太空后，仍然可以在太空中的惡劣環(huán)境下繼續(xù)生存。而且隨著越來越多的微生物在極端環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)，生命在太空極端環(huán)境中生存可能成為現(xiàn)實。在不久前，科克爾的理論甚至引起了外界的嘲笑。但是隨著人們對地球和太空的了解更加深入，該理論將不再僅僅被認為是牽強附會，甚至有可能被冠以“銀河有生源”之類的學(xué)說名稱。,身為天文愛好者的一名荷蘭小學(xué)教師發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的氣態(tài)天體，一些人將它稱作“宇宙幽靈”。這個天體中間有一個洞，可能是一種新型天體。這個綠色天體由極其炙熱的氣體構(gòu)成，附近的IC 2497星系的余光將它照亮。沙溫斯基說：“我們認為在不久的過去，IC 2497星系可能是一個非常明亮的類星體的棲息地。”他表示，該星系在過去發(fā)出的光，目前仍照耀著這個天體，不