高中地理第一章宇宙1.3恒星的一生和宇宙的演化素材新人教版选修1

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1、第一章宇宙1.3恒星的一生和宇宙的演化漫谈宇宙的起源和演化何谓宇宙？《淮南子·齐俗训》说：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”宇宙即指空间和时间。如果承认物质世界是运动变化的，那么就应当承认，我们的宇宙——总星系也是有起源和演化的。关于宇宙的起源和演化问题的研究，可以说是从爱因斯坦在1917年发表的《对广义相对论的宇宙考察》一文中提出宇宙空间体积有限但没有边界的宇宙静态模型开始的。20世纪初，宇宙的无限性理论不论是作为一种科学理论，还是哲学上的含义，都已成为定论。人们默认了这样一种宇宙结构图式：宇宙空间是欧几里得

2、几何的三维无限空间，无限多天体就分布在无限的空间之中。爱因斯坦运用广义相对论大胆提出了和上述宇宙模型背道而驰的新模型。他放弃了无限空间的概念，建立了静态有限无边的宇宙模型。他主张宇宙从它的空间广延来说是一个闭合的连续区，好象一个鸡蛋壳。这个连续区的体积是有限的，是一个弯曲的封闭体，因此没有边界，天体就分布在这个封闭体里。爱因斯坦的假说和推论，开创了宇宙学理论的新篇章，由此又产生了多种宇宙模型。1929年，美国天文学家哈勃发现了星系退行速度和离我们的距离成正比，证明了宇宙正在膨胀。1948年，美籍俄国物理学家伽莫夫

3、把基本粒子的研究成果同宇宙膨胀理论联系起来，系统地提出了大爆炸宇宙论，并且预言了大爆炸以后辐射达到热平衡状态，必定残存着背景辐射。这一预言在1964年由美国的彭齐斯和威尔逊所证实。以后，还陆续地提出了另外一些宇宙演化模型。但在现代宇宙学中，对宇宙的起源和演化这一问题的研究，最有影响的还是大爆炸宇宙论。大爆炸宇宙论认为，由于目前还不知的某种物理原因，我们的宇宙起源于一次大爆炸事件。起始时，宇宙的温度极高，达150亿度，相当于目前太阳中心温度的1000倍；密度极大，约为水的1014倍，相当于1立方厘米质量达1亿吨；体

4、积极小，任意两点可以靠得任意近；物质由中子组成。大爆炸后形成“原始火球”，物质四散飞出，宇宙不断膨胀，温度和密度不断下降，物质成份也随之变化。膨胀5分钟以后，当温度降到10亿度时，中子衰变成质子和电子，中子和质子又聚合成氘、氚、氦和更重的元素。半小时后，形成元素的过程结束，宇宙由等离子体组成。等离子体是在高温下被高度电离了的气体，由被电离（电子从原子中跑出来）的离子和自由电子组成。目前，宇宙中的物质有90％以上都是等离子体。2.5亿年后，当温度降到170K，巨大的气状云块—“星系胚”形成。星系就是由这些“星系胚”

5、发展而成的。在这以后由于气体的凝聚又形成了恒星、行星以至出现了生命。宇宙中的一切就是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐演化的。大爆炸宇宙论有哪些观测证据呢？广义相对论指出，光逆着引力方向运动，频率就要减小，波长则相应增长。通过观测发现，河外星系谱线具有普遍性红移现象，这说明河外星系正在作离开我们的运动。也就是说，宇宙现在仍在膨胀着。星系的距离D越远，退行的速度V就越大，且满足哈勃定律V=HD。如果速度不随时间变化，那么，现行观测表明的宇宙年龄1/H在100亿—200亿年内，据此推断宇宙的大小也差不多有200亿光年了。

6、星系的退行是支持大爆炸宇宙论的观测证据之一。从1964年起不断发现，宇宙背景辐射具有理想的黑体谱，一般称为3K微波背景辐射，这正好解释为宇宙早期炽热火球遗留下来的暗淡余光。随着宇宙的膨胀，原始火球的黑体辐射随着温度的降低，势必要拉长波长，进而导致不足3K的微波背景辐射出现。这是证据之二。通过对原始星际气体的比较发现，在银河系和许多河外星系中，轻元素氦和氢的同位素氖相对于氢的数量基本上是均匀分布的，这和许多重元素的非均匀分布形成了鲜明对照。此乃证据之三。对此，大爆炸宇宙论可这样解释：大爆炸最初几分钟内，预期出现的高

7、温高密状态极易导致轻元素的形成；而重元素则是在众多的恒星内核深处合成，直到发生超新星爆发时才大量散布开来，它们相对于氢的数量则是不均匀分布的。用放射性年代学的方法测得月岩和最老的陨石年龄为46亿年；由恒星的演化模型导出的银河系中最老的恒星年龄为150亿年；迄今用各种独立的方法对不同天体测定的时标均在由哈勃定律所确定的宇宙年龄200亿年以内，说明我们的宇宙是有限的。这一事实和大爆炸宇宙论的有限宇宙模型保持一致，为证据之四。60年代用综合孔径射电望远镜进行的大量观测表明，具有星系级能量的暗弱射电源的数目，比射电源空间

8、均匀分布假设所预期的多得多，即射电星系在空间实际上是不均匀分布的。一般说来，射电源愈暗弱，就意味着距离愈遥远，因而我们观测到的就愈是它过去的面貌。由此可以推断：射电星系过去比现在多得多，即射电星系是从较强的源演化成较弱的源的。这一推论和以宇宙演化为中心命题的大爆炸宇宙论相符，成为证据之五。大爆炸宇宙论能较好地解释众多的天文现象，与实际最为接近。但它关于我们的宇宙的起始于一