借七夕谈银河系 高中地理银河系和宇宙_.doc

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1、借七夕谈银河系 高中地理银河系和宇宙_晴夜仰望，但见天穹深邃，星体闪烁，银河高悬，流星飞驰。自古以来，群星构成的壮丽图案不但形成许多动人心弦的神话传说，更激励科学家们去探索宇宙的奥秘。 16世纪前人们只能凭肉眼见到六、七千颗星体，著名的银河(Milky Way)仅是一条乳白色亮带。在当时条件下，古代天代学家创建了天体测量学和哥白尼日心学说，认识到太阳系内天体运行的现象，解决了人类的授时和编历问题，为史前畜牧经济和以后的农业经济发展作出了重要贡献。 17世纪是人类认识宇宙的一次重要飞跃期。天代望远镜问世、开普勒三定律和万有引力定律建立，标志着人类进入掌握行星层次天体运动规律的新阶段，为人类进入工

2、业经济时代奠定必要的科学基础。 20世纪早期恒星演化理论的建立，反映了天体物理学和现代天代学的进展，标志着人类在恒星层次上实现了认识宇宙的第二次飞跃。 20世纪后半叶是人类对宇宙认识的第三次飞跃期。在研究手段方面建立了大型光学望远镜、红外望远镜和射电望远镜，使天代观测领域扩展到整个电磁波段（含可见光、紫外光、红外光、无线电波、X射线、 射线）和150亿光年左右时空尺度。观察地点发展到U2高空侦察机、哈勃太空望远镜、宇宙探测器和人类登月，避免了地球大气干扰和局限。理论方面有宇宙大爆炸学说多种模型问世。在人类从星系层次加深对动态宇宙的认识方面是划时代的进步，也与人类自工业经济迈向知识经济时代的转变

3、相适应。 (1)银河系结构 银河系是星系的典型代表，由1500多亿颗恒星和星际物质组成。银河系主体部分称银盘，直径8.5万光年（1光年94600 108km），中央呈近似球形隆起的部分称为核球，直径1-1.3万光年，厚约1万光年，是恒星高度密集区域；核球的中心称为银核，是银河系的质量中心。肉眼见到的银河就是银河系主体在天球上的投影。银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到10万光年（千秒差距=3261.6光年）。 从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构。旋臂是银河系中恒星和际物质的密集部位。 太阳是银河

4、系众多恒星中的普通一员，它位于银盘中心平面（银道面）附近和一条旋臂（猎户座旋臂）的内缘，距银核约2.7万光年处。 (2)太阳在银河系内的运动 银河系的旋涡结构反映了自身存在自转运动，也就是银河系中的恒星、星云和星际物质都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250 km/s，旋转一周约2.53亿年，称为银河年。 银河系内不同星体间的运动也存在复杂的情况。有人提出太阳在旋转过程中可能发生二种周期性变化。一种是从银河系侧面看发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银道面一次。另一种是从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次

5、。上述假说在天代学研究领域内尚待进一步验证。 1.3 大爆炸宇宙学与宇宙起源问题 (1)谱线红移与可见宇宙 轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调变低（多普勒效应）。与此同理，发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动，称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。 哈勃(E.P. Hubble, 1929)经过大量实际观测发现来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推算出光源星体离我们的距

6、离。由此获得了 光源越远的星体，离我们而去的速度也越快 的结论，就是著名的哈勃定律。 哈勃定律揭示了遥远的星系正在 逃离 我们而去，整个总星系都处于膨胀的变化之中，已经成为当今人们的共识。另一方面，银河系内部不同恒星的谱线分析证明也有不少蓝移现象，反映星系内部仍然具有吸引力，1996年哈勃太空望远镜还拍摄到距地球6300万光年处（乌雅座南部）星系间发生超级碰撞的照片。因此，宇宙的膨胀看来主要发生在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大，类似吹胀气球时在气球表面看到的情况。现知宇宙中不同部位的密度特征也可能与之有关（表2-1）。 当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。该

7、学说提出于40年代，本身也在不断发展完善中，近年的主要内容如下： 宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，物质与反物质以及物质与能量均呈平衡状态。在某种物理条件下开始了大爆炸，在宇宙诞生10-44秒之后体积急剧暴胀，在10-34秒内迅速膨胀约10100倍，密度相应降低。但在1秒钟之内温度仍高达1032K至1010K以上，原子和分子均无法存在。当时宇宙中的物质存在形式和行为目前无法在实验室模拟，推测可能存在辐射能以及电子、中微子(neutrinos, 一种不受电、磁、核力影响的基本粒子，1998年证实具有极微小的静止质量)和质子、中子形式基本粒子。目前人类业已观测到从宇宙早期留下的最早原子核形成于

8、爆炸后1秒钟，因此，可以把这1秒看作宇宙史研究的一道分水岭。 爆炸进行3分钟后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解（图2-4）。当时全部物质中氦占约22%，氢占78%，还有极少量氘和锂。 至百万年前后，温度降至107-6K范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K范围时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。 宇宙大爆炸学说虽然获得国际多数学者支持，但在大爆炸起因，大爆炸是永远进行下去

9、还是后期将转化为收缩，大爆炸由一个奇点开始还是整个空间每一点都可看作是膨胀的中心，大爆炸最初1秒钟内的物质形式和行为等根本性问题上并没有公认结论，在哈勃半径和宇宙形成年龄测定上还存在不同见解。 有关宇宙大爆炸各种模型的提出和探讨，势必涉及时空是否永恒存在等一系列根本的哲学思想问题。例为有人认为在大爆炸之初的10-43秒（普朗克时期），当时的可见宇宙尺度小于它的量子波长，整个宇宙变得为量子不确定性所主宰，根本就没有 钟 和 尺子 能加以测量，即广义相对论时空概念失效，是一个没有时空的物理世界，需要通过时空的量子化途径来探讨已知时空形式的起源。这对于传统上认为宇宙无边无界、无始无终的哲学思想也是一种冲击，对于促进哲学观念的现代化也有重要意义。第 6 页 共 6 页