宇宙的起源与演化ppt课件.ppt
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1、宇宙的起源与演化,宇宙有没有起源和终结,它是永恒的还是演化的?这是除宇宙的结构以外又一个根本问题。各种文明都有自己关于宇宙起源的看法。,盘古开天地,女娲补天,创世纪,17世纪以后,各门自然科学的飞速发展,特别是康德关于太阳系起源的星云学说、达尔文关于物种起源的进化论学说等的提出,不断冲击着“天不变,道亦不变”这一僵化自然观的地位。直到20世纪,以众多观测事实为依据的科学的宇宙起源和演化理论才正式宣告诞生。,康德(德),达尔文(英),现代宇宙学的诞生,现代宇宙模型的研究开始于爱因斯坦。爱因斯但的广义相对论认为,时间和空间并不像人们(牛顿经典理论)一贯认为的那样:空间只是一个让物体在其中运动而本身
2、却不受任何影响的容器;时间则如江河入海,自然流淌。,爱因斯坦(德)(1879-1955),空间更像是一个形状依赖于其上所载小球的弹性薄膜,自由粒子和光沿着这一形变薄膜上弯曲的短程线运动,就像它们在小球引力的作用下偏离直线运动一样;时间则与运动状态相关,又通过运动状态与空间发生了联系。,广义相对论预言,一定质量的天体,将对周围的空间产生影响而使它们“弯曲”。弯曲的空间会迫使其中穿过的光线发生偏转。,现代宇宙学的诞生,现代宇宙模型的研究开始于爱因斯坦。爱因斯坦的广义相对论预言,一定质量的天体,将对周围的空间产生影响而使它们“弯曲”。弯曲的空间会迫使其中穿过的光线发生偏转,例如太阳就会使经过其边缘的
3、遥远星体光线发生1.75弧秒的偏转。通常,由于太阳的光太强而使人们无法观测到这一事实。1919年发生了日全蚀,一个英国考察队终于观测到太阳附近的光线偏转,得到的偏转数据正是爱因斯坦所预言的“1.75弧秒”。,1917年,爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究,得到一个“有限无界的静态宇宙”模型。所谓“有限无界”是说整个宇宙是一个弯曲的封闭体,它的体积有限而物质均匀分布;而“静态”则是就宇宙的整体空间而言,并非说宇宙的各个部分都全然静止不动。模型克服了牛顿理论和无限宇宙的矛盾,是第一个自洽统一的动力学宇宙模型,揭开了现代宇宙学研究的序幕。,爱因斯坦宇宙模型,膨胀的宇宙,1922年,苏联数学
4、家弗里德曼在广义相对论的框架下,得到了爱因斯坦宇宙方程的一组动态解,从理论上论证了宇宙要么膨胀,要么收缩,决不会保持静止状态。,利用多普勒效应来测算恒星远离我们的速度。由“多普勒效应”,星系的光谱线红移量v对应于星体的退行速度,退行速度又称为“红移速度”。哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现,绝大多数星系的光谱都表现出红移。,哈勃(美) (1889-1953),1927年,比利时天文学家勒梅特(1894-1966)在弗里德曼“解”的基础上,把已观测到的河外星系红移解释为大尺度宇宙空间随时间而膨胀的结果,建立了“膨胀宇宙模型”。,勒梅特(1894-1966),1929年,哈勃进一步发现,“星系
5、的光谱线红移量v与它们离我们的距离r存在着简单的正比关系” (哈勃定律)。如果将红移解释为多谱勒效应,那就意味着所有星系都在离开我们而去。但是,这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言,宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。那么,直接的推论就是:字宙中所有的星系都在彼此远离,即我们的宇宙正处于普遍的膨胀之中!,其他宇宙模型,按照大尺度特征变化与否来区分,有稳恒态宇宙模型和演化态模型。按照与温度有关的演化方式来区分,则有热模型和冷模型。按照物质组成来区分,有“正”物质模型和“正反”物质模型。在已有的各种宇宙模型中,以热大爆炸宇宙模型最有影响,因为与其他模型相比,它能说明的观测事实最多。,宇宙的起源,
6、千百年来,科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天,科学家们才确信,宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。 “大爆炸理论”是伽莫夫于1948年提出的。又称大爆炸宇宙学,现代宇宙系中最有影响的一种学说。与其他宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实。,伽莫夫(美),大爆炸宇宙,它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。,宇宙大爆炸设想图,宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,在这四大皆空的“无”中,一个
7、体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降。最初的1秒钟过后,宇宙的温度降到约100亿度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷,核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在个别天体上还出现了生命现象。然后,能够认识宇宙的人类终于诞生了。这幅大爆炸图景,是目前关于宇宙起源最可能的一种解释,被称为“大爆炸模型”。,宇宙大爆炸的过程,大爆炸理论诞生于20年代,在40年代由伽莫夫等人进行补充和发
8、展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论,不过并不信服,人们更愿意认为,宇宙是稳定的、永恒的。但是,越来越多的证据表明,大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相信,宇宙有一个开始,也将有一个终结。,大爆炸:有推论有根据,大爆炸模型的提出,是基于20世纪初的天文观测“哈勃红移”。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认,红移是一种普遍现象,这表明恒星及众多的河外星系正远离我们而去宇宙在膨胀。如果星系目前正在彼此远离,那它们过去必定靠得更近。,宇宙的年龄,如果星系目前正在彼此远离,那它们过去必定靠得更近,继续这一推理就意味着过去必定存在一个时刻,那时宇宙中的物质处于极其高密的状
9、态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度,就可估计出那一时刻距今约100200亿年。那一时刻通常被称为“大爆炸”时刻,也就是我们宇宙的开端。如果这一推论不错,那么宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙年龄”所界定的上限。,人们测量了地球上最古老的岩石、“阿彼罗11号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本,发现它们的年龄均不超过47亿年。根据热核反应提供恒星能源的理论,人们估算出银河系中最老恒星的年龄约为100150亿年。用上述两种完全不同的方法得到的天体年龄竞与“宇宙年龄”协调一致,这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。,微波背景辐射,如果150亿年前发生了一场大
10、爆炸,如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹?于是,有一阵子,科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹,原初宇宙最重要的遗迹真给找出来了,这就是微波背景辐射。,绝对黑体模型,宇宙微波背景辐射,按照大爆炸理论,最初的几分钟里,宇宙是一个炽热的火球,到处充满温度高达几十亿度的光辐射。随着宇宙的膨胀,辐射温度不断下降,但始终保持黑体谱形和总体均匀性。按伽莫夫等人的计算,作为这种过程的遗迹,目前的宇宙中应普遍存在温度约3k的背景黑体辐射。由于这种辐射的峰值波长在1毫米附近,处于微波波段,故又称为微波背景辐射。令人遗憾的是,这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注。,直到1964年
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