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1、1第二章物质运动的自然图景第一节人类对物质运动的认识第一节人类对物质运动的认识一、自然界的物质性一、自然界的物质性列列宁宁：“物物质质是是标标志志实实在在的的哲哲学学范范畴畴，这这种种客客观观实实在在是是人人通通过过感感觉觉感感知知的的，它它不不依依赖赖于于我我们们的的感感觉觉而而存存在在，为为我们的感觉所复写，摄影，反映我们的感觉所复写，摄影，反映”。注意点：注意点：（1 1）物物质质的的根根本本特特性性是是客客观观实实在在性性。爱爱因因斯斯坦坦说说过过:“:“相相信信一一个个离离开开知知觉觉主主体体而而独独立立的的外外在在世世界界，是是一一切切自自然然科学的基础科学的基础”。揭示了一切物质

2、形态的共同本质。揭示了一切物质形态的共同本质。（2 2）物质的可感知性物质的可感知性。2第二章物质运动的自然图景轻轻 子子夸夸 克克名称电荷电子（e）-1电中微子（Ve）0名称电荷上（u）+2/3下（d）-1/3子（）-1中微子（）0奇（S）-1/3粲（C）+2/3子（）-1中微子（）0顶（t）+2/3底（b）-2/3 1212种种“基本粒子基本粒子”3第二章物质运动的自然图景四种基本力四种基本力力的类型引力弱力电磁力强力或核力力程无限远约小于10-18米无限远约小于10-15米力的强度10-3810-1310-21传递力的粒子不知道中间玻色子光子胶子作用对象一 切 物体强子，轻子带电及带磁矩

3、粒子强 子，夸克4第二章物质运动的自然图景二、物质形态的多样性二、物质形态的多样性物物质质形形态态是是对对物物质质存存在在方方式式所所作作的的科科学学描描述述，它充分体现了物质世界的多样性。它充分体现了物质世界的多样性。物质形态大体可以划分为如下类型：物质形态大体可以划分为如下类型：1.1.固态，固态，是指具有固定体积和形状的物质形态。是指具有固定体积和形状的物质形态。2.2.液液态态，是是指指具具有有一一定定的的体体积积而而无无固固定定形形态态的的物物质质形态。形态。3.3.气态，气态，是指无一定的体积和形状的一种物质形态。是指无一定的体积和形状的一种物质形态。4.4.场场，是是一一种种与与

4、实实物物相相对对应应的的物物质质形形态态，如如引引力力场场、电电磁磁场场、介介子子场场等等，与与实实物物的的间间断断性性相相比比，场场具具有有连连续续性性、可叠加性、不具有静止质量等特征。可叠加性、不具有静止质量等特征。5第二章物质运动的自然图景5.5.等等离离子子态态，是是由由数数目目几几乎乎相相等等的的正正负负离离子子所所构构成成的的一一种种物物质质形形态态。它它是是在在气气态态物物质质温温度度升升至至几几千千度度，气气体体的的原原子子外外层层电电子子脱脱离离原原子子而而形形成成的的，所所以以又又叫叫等等离离子子气气体体。现现代代天天文文学学研研究究表表明明，宇宇宙宙物物质质的的99%99

5、%以以上上是是处处于于这这种种状状态态。如如大大量量的的星星际际物物质质、火火焰焰和和电电弧弧中中的的高高温温部部分分，太太阳阳和和其其它恒星的表面气层也都有等离子态物质。它恒星的表面气层也都有等离子态物质。6.6.超密态，超密态，是物质处于密度极高、压力极大的存在方是物质处于密度极高、压力极大的存在方式。如白矮星由电子简态组成，中子星则完全由中子组成。式。如白矮星由电子简态组成，中子星则完全由中子组成。7.7.真空态，真空态，是指量子场处于能量最低时的物质形态。是指量子场处于能量最低时的物质形态。有人将真空描述为负能态粒子海洋，也就是说真空是由负能有人将真空描述为负能态粒子海洋，也就是说真空

6、是由负能态粒子所充盈。态粒子所充盈。6第二章物质运动的自然图景 自然图景自然图景 所所谓谓自自然然图图景景，就就以以自自然然科科学学的的认认识识为为基基础础所形成的对自然界演化方式的系统概括。所形成的对自然界演化方式的系统概括。通通常常以以四四大大演演化化，即即天天体体的的演演化化、地地球球的的演演化化、生生物物的的演演化化和和人人类类的的演演化化，概概括括自自然然界界的的演演化图景。化图景。7第二章物质运动的自然图景第二节第二节 宇宙的演化宇宙的演化 什么是宇宙什么是宇宙，它有没有起源和终结？这个被，它有没有起源和终结？这个被思考了几千年的古老问题，仍然是今天宇宙学思考了几千年的古老问题，仍

7、然是今天宇宙学研究的前沿课题。在我国的战国时代，尸佼把研究的前沿课题。在我国的战国时代，尸佼把宇宙定义为时间和空间，他说：宇宙定义为时间和空间，他说：“四方上下曰四方上下曰宇，往古来今曰宙宇，往古来今曰宙”。至今看来，这个定义仍。至今看来，这个定义仍然闪耀着真理的光辉。然闪耀着真理的光辉。8第二章物质运动的自然图景一、现代宇宙模型的发展一、现代宇宙模型的发展1 1、牛顿静态的宇宙模型牛顿静态的宇宙模型 在在牛牛顿顿的的理理论论中中，时时间间和和空空间间都都是是无无限限的的，并并且且时时空空的的性性质质与与物物质质是是没没有有关关系系的的。时时间间与与空空间间犹犹如如一一个个大大箱箱子子，在在这

8、这个个箱箱子子中中，不不管管放放不不放放东东西西，也也不不管管放放多多少少东东西西，箱箱子子的的性性质质是是永永远远不不会会改改变变的的。描描述述这这种种时时空空的的几几何何学学是是欧欧几几里里得得几几何。何。9第二章物质运动的自然图景 奥伯斯佯谬奥伯斯佯谬 18261826年年，德德 国国 天天 文文 学学 家家 奥奥 尔尔 伯伯 斯斯(H.W.OlbersH.W.Olbers)指指出出，牛牛顿顿的的静静止止、均均匀匀、无无限限的的宇宇宙宙会会导导致致一一个个重重大大的的矛矛盾盾。如如果果宇宇宙宙是是充充满满无无限限数数目目的的星星体体的的欧欧几几里里得得空空间间，并并假假定定星星体体分分布

9、布是是均均匀匀的的，那那么么任任何何时时候候射射到到地地球球上上的的辐辐射射总总量量都都应应为为无无限限大大，这这样样夜夜晚晚应应该该与与白白天天一一样样亮亮。这这个个显显然然与与观观测测事事实实不不符符的的荒荒谬谬结结论论，被被称称为为奥奥伯伯斯佯谬斯佯谬。10第二章物质运动的自然图景E地=0 3R2N（R）E/R2dR=03NEdR=3NER0 11第二章物质运动的自然图景 在在牛牛顿顿静静宇宇宙宙模模型型里里，克克服服奥奥尔尔伯伯斯斯佯佯谬谬的的办办法法之之一一是是假假设设宇宇宙宙有有限限，而而且且地地球球位位于于宇宇宙宙中心。但是，这在哲学上是不能接受的。中心。但是，这在哲学上是不能接

10、受的。另另一一办办法法是是假假设设宇宇宙宙中中的的物物质质分分布布是是不不均均匀匀的的，即即宇宇宙宙间间的的天天体体和和天天体体系系统统不不仅仅在在小小尺尺度度上上（如如太太阳阳系系、星星系系等等）有有聚聚成成团团的的倾倾向向，而而且且在在大大尺尺度度上上也也是是这这样样。但但是是，这这些些假假设设都都没没有获得观察事实的支持。有获得观察事实的支持。12第二章物质运动的自然图景2 2、爱因斯坦的宇宙模型爱因斯坦的宇宙模型 19161916年年，爱爱因因斯斯坦坦提提出出广广义义相相对对论论。这这一一理理论论主主张张时时间间和和空空间间并并不不像像人人们们一一贯贯认认为为的的那那样样，只只是是一一

11、个个让让物物体体在在其其中中运运动动而而本本身身却却不不受受影影响响的的容容器器，而而更更像像是是一一个个形形状依赖于其上所载小球的弹性薄膜。状依赖于其上所载小球的弹性薄膜。这这种种关关于于时时间间、空空间间和和引引力力的的全全新新理理论论，不不仅仅正正确确地地预预言言了了日日全全食食时时掠掠过过太太阳阳边边缘缘的的星星光光会会发发生生1.751.75角角秒秒的的偏偏折折，而而且且完完满满地地解解释释了了牛牛顿顿引引力力理理论论不不能能说说明明的的水水星星近近日日点点每每百百年年前前移移4242角角秒秒的的现现象象，因因而而逐逐步步得得到到人人们们的的公认。公认。13第二章物质运动的自然图景

12、19171917年年，爱爱因因斯斯坦坦在在“根根据据广广义义相相对对论论对对宇宇宙宙所所作作的的考考查查”一一文文中中，提提出出了了静静态态有有限限无无边边的的宇宇宙宙模模型型。这这是是现现代代宇宇宙宙学学的的第第一一个个理理论论模模型型，由由此此，揭开了现代宇宙学发展的序幕。揭开了现代宇宙学发展的序幕。（1879-1955）14第二章物质运动的自然图景 在在19171917年年爱爱因因斯斯坦坦对对宇宇宙宙作作第第一一次次考考察察时时，他他认认为为宇宇宙宙是是静静态态的的，在在这这点点上上他他受受了了传传统统观观念念的的束束缚缚。为为了了得得到到静静态态解解，他他特特意意引引进进一一个个宇宇宙

13、宙因因子子一一种种与与引引力力相相耦耦合合的的宇宇宙宙场场，这这使他失去了预言宇宙膨胀的良机。使他失去了预言宇宙膨胀的良机。15第二章物质运动的自然图景 科科学学中中经经常常有有这这样样的的情情况况，物物理理方方程程所所蕴蕴含含的的意意义义比比创创始始者者所所预预料料的的还还要要广广泛泛和和深深刻刻。况况且且，广广义义相相对对论论的的方方程程给给不不出出静静态态解解，爱爱因因斯斯坦坦就就着着手手改改变变它它们们。若若干干年年后后，说说起起这这件件事事，爱爱因因斯斯坦坦非非常常懊懊悔悔，他他甚甚至至说说：“这这是是我我一一生生中中最最大大的的失失策策。”由由此此可可见见，哲哲学学思思想想对对科科

14、学学研究有着多大的影响。研究有着多大的影响。16第二章物质运动的自然图景3 3、膨胀宇宙的发现膨胀宇宙的发现 19221922年年，苏苏联联数数学学家家弗弗里里德德曼曼在在广广义义相相对对论论的的框框架架下下，从从理理论论上上论论证证了了宇宇宙宙要要么么膨膨胀胀，要么收缩，决不会保持静止状态。要么收缩，决不会保持静止状态。19271927年年，比比得得时时天天文文学学家家勒勒梅梅特特再再次次独独立立地地得得到到这这一一模模型型。他他在在分分析析模模型型时时指指出出，在在这这种种宇宇宙宙模模型型里里，从从任任何何一一点点进进行行观观测测都都会会发发现现，在在它它周周围围的的天天体体，或或者者一一

15、致致地地远远离离而而去去，或或者者一一致致地地向向它它靠靠拢拢；而而且且，远远离离或或靠靠拢拢的的速度是和天体与观察者之间的距离成正比的。速度是和天体与观察者之间的距离成正比的。（1894-1966）17第二章物质运动的自然图景 换换言言之之，只只要要我我们们承承认认爱爱因因斯斯坦坦的的广广义义相相对对论论，我我们就必须对宇宙做出这样的预言们就必须对宇宙做出这样的预言：宇宇宙宙或或者者在在膨膨胀胀，或或者者在在收收缩缩，其其速速度度正正比于距离比于距离。这这可可能能是是科科学学史史上上一一桩桩最最大大的的预预言言了了。一一方方面面，这这一一预预言言的的范范围围大大到到涉涉及及整整个个天天文文学

16、学的的空空间间，另另一一方方面面，这这一一预预言言打打破破了了一一种种非非常常悠悠久久的的传传统统观观念念宇宇宙宙是是静态的。静态的。18第二章物质运动的自然图景 河河外外星星系系谱谱线线红红移移最最早早为为斯斯莱莱弗弗所所发发现现，以以后后观观测测表表明明，除除本本星星系系外外，河河外外星星系系的的谱谱线线都都存存在在红红移移并并有有一一定定的规律。的规律。19第二章物质运动的自然图景(1889-1953)美国天文学家，星系天文学的奠美国天文学家，星系天文学的奠基人，观测宇宙学的开创者。基人，观测宇宙学的开创者。19291929年年，哈哈勃勃在在研研究究了了一一批批星星系系的的光光谱谱之之后

17、后发发现现，除除了了个个别别例例外外，绝绝大大多多数数星星系系的的光光谱谱都都表表现现出出红红移移，而而且且红红移移量量大大致致同同星星系系的的距距离离成成正正比比。哈哈勃勃给给出出星星系系退退行行速速度度和和距距离之间的关系式：离之间的关系式：是是哈哈勃勃常常数数，它它由由观观测测确确定定。这一关系称为这一关系称为哈勃定律哈勃定律。20第二章物质运动的自然图景 如如果果将将红红移移解解释释为为多多普普勒勒效效应应，那那就就意意味味着着所所有有星星系系都都在在离离开开我我们们而而去去，其其退退行行速速度度正正比比于于同同我我们们的的距距离离。哈哈勃勃的的这这一一发发现现为为宇宇宙宙膨膨胀胀理理

18、论论提提供供了了直直接接的的观测依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念。观测依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念。21第二章物质运动的自然图景、热大爆炸宇宙模型热大爆炸宇宙模型 为为了了解解释释宇宇宙宙膨膨胀胀的的原原因因，比比利利时时天天文文学学家家勒勒梅梅特特于于19321932年年首首先先提提出出了了宇宇宙宙起起源源的的大大爆爆炸炸的的概概念念。他他认认为为，整整个个宇宇宙宙的的物物质质最最初初聚聚集集在在一一个个“原原始始原原子子”里里，后后来来发发生生猛猛烈烈爆爆炸炸，碎碎片片向向四四而八方散开，形成今天的宇宙。而八方散开，形成今天的宇宙。22第二章物质运动的自然图景 19481948年年

19、，美美国国物物理理学学家家伽伽莫莫夫夫把把核核物物理理学学的的知知识识同同宇宇宙宙膨膨胀胀理理论论结结合合起起来来，发发展展了了大大爆爆炸炸宇宙模型宇宙模型。其其主主要要观观点点是是，宇宇宙宙不不但但在在膨膨胀胀，而而且且在在降降温温，即即宇宇宙宙有有一一个个从从热热到到冷冷的的演演化化历历史史。按按伽伽莫莫夫夫等等人人的的计计算算，作作为为大大爆爆炸炸过过程程的的遗遗迹迹，目目前前的的宇宇宙宙中中应应普普遍遍存存在在温温度度约约3K3K的的背背景景黑黑体体辐辐射射。由由于于这这种种辐辐射射的的峰峰值值波波长长在在1 1毫毫米米附附近近，处处于微波波段，故又称于微波波段，故又称微波背景辐射微波

20、背景辐射。23第二章物质运动的自然图景 这这一一重重要要预预言言在在提提出出的的1010多多年年中中并并未未引引起起人人们们的的关关注注。直直到到19641964年年，美美国国贝贝尔尔电电话话实实验验室室的的彭彭齐齐亚亚斯斯和和威威尔尔逊逊用用一一架架卫卫星星通通讯讯天天线线在在7.357.35厘厘米米波波长长处处探探测测到到一一种种来来自自宇宇宙宙空空间间的的强强度度与与方方向向无无关关的的信信号号时时，他他们们起起初初也也并并不不清清楚楚自自己己发发现现的的意意义义。后后来来普普林林斯斯顿顿大大学学的的皮皮伯伯斯斯等等得得知知这这一一消消息息，才才认认识识到到这这正正是是他他们们试试图图寻

21、寻找找的的宇宇宙宙背景辐射。背景辐射。24第二章物质运动的自然图景他们因共同发现微波背景辐射他们因共同发现微波背景辐射,获获19781978年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖25第二章物质运动的自然图景 几几十十年年来来，全全世世界界天天文文学学家家对对这这种种辐辐射射的的谱谱分分布布和和方方向向进进行行了了大大规规模模调调查查，形形势势逐逐渐渐明明朗朗。例例如如，19891989年年，美美国国宇宇航航局局发发射射了了宇宇宙宙背背景景探探测测者者卫卫星星，第第一一批批测测量量数数据据表表明明：在在从从0.50.5毫毫米米到到5 5毫毫米米的的整整个个波波段段上上，该该辐辐射射的的谱谱分分布布与与

22、温温度度为为2.7350.062.7350.06K K的的理理想想黑黑体体完完全全相相合合；扣扣除除运运动动效效应应以以后后，天天空空不不同同方方向向的的相相对对温温差差小小于于十十万万分分之之一一。这这一一发发现现在在现现代代宇宇宙宙学学史史上上占占有有极极其其重重要要的的地地位位，它是热大爆炸宇宙模型最令人信服的证据。它是热大爆炸宇宙模型最令人信服的证据。26第二章物质运动的自然图景宇宙背景温度27第二章物质运动的自然图景 支支持持大大爆爆炸炸宇宇宙宙模模型型的的证证据据，除除了了上上述述河河外外星星系系的的光光谱谱红红移移和和微微波波背背景景辐辐射射的的科科学学事事实实之之外外，还还有有

23、宇宇宙宙年年龄龄、天天体体时时标标、轻轻元元素素的的起源、重光比、河外天体计数起源、重光比、河外天体计数等科学事实等科学事实。28第二章物质运动的自然图景宇宙年龄的测量宇宙年龄的测量 根据哈勃定律，将星系的距离除以各自的速度，就大根据哈勃定律，将星系的距离除以各自的速度，就大致计算出宇宙的年龄为致计算出宇宙的年龄为150150亿年左右。亿年左右。D 1 宇宙年龄宇宙年龄=V H 宇宙起源的时间问题一直是宇宙学领域中最热门又最宇宙起源的时间问题一直是宇宙学领域中最热门又最容易引起争议的研究课题之一。据剑桥大学的一个科学容易引起争议的研究课题之一。据剑桥大学的一个科学研究小组与其他天文学家们合作，

24、在比较了这些天文学研究小组与其他天文学家们合作，在比较了这些天文学家采取家采取5 5种研究方法后得出了宇宙起源于种研究方法后得出了宇宙起源于140140亿年前的结亿年前的结论。该结果误差为论。该结果误差为2020亿年。亿年。29第二章物质运动的自然图景天体时标天体时标 如如果果上上述述推推论论不不错错，那那么么宇宇宙宙中中一一切切天天体体的的年年龄龄都都不不应应大大于于这这个个宇宇宙宙年年龄龄。利利用用物物质质中中放放射射性性同同位位素素含含量量测测定定其其形形成成年年代代的的方方法法，人人们们测测量量了了地地球球上上最最古古老老的的岩岩石石、“阿阿波波罗罗号号”宇宇航航员员从从月月球球上上带

25、带回回的的岩岩石石以以及及从从行行星星际际空空间间掉掉到到地地球球上上的的陨陨石石样样本本，发发现现它它们们的的年年龄龄均均不不超超过过4747亿亿年年。根根据据热热核核反反应应提提供供恒恒星星能能源源的的理理论论，人人们们估估计计出出银银河河系系中中最最老老恒恒星星的的年年龄龄为为100-150100-150亿亿年年。用用这这两两种种完完全全不不同同的的方方法法得得到到的的天天体体年年龄龄，都都有力地支持了大爆炸宇宙模型的对宇宙年龄的推断。有力地支持了大爆炸宇宙模型的对宇宙年龄的推断。30第二章物质运动的自然图景轻元素的起源轻元素的起源31第二章物质运动的自然图景 天天文文观观测测表表明明，

26、无无论论在在宇宇宙宙中中哪哪个个角角落落，无无论论在在恒恒星星、星星际际物物质质中中，氦氦与与氢氢的的质质量量比比大大体体都都为为1:41:4，此此外外，氘氘、氚氚、锂锂、铍铍、硼硼等等轻轻元元素素，尽尽管管数数量量小小得得多多，但但它它们们的的丰丰度度（即即与与氢氢的的比比例例）也也具具有有类类似似的的普普适性。这对热大爆炸模型无疑又是一个有力的支持。适性。这对热大爆炸模型无疑又是一个有力的支持。32第二章物质运动的自然图景二、宇宙的演化图景二、宇宙的演化图景 现现代代天天文文学学为为我我们们勾勾画画出出了了如如下下的的宇宇宙宙演演化图景：化图景：宇宇宙宙发发端端于于距距今今150150亿亿

27、年年左左右右的的大大爆爆炸炸，起起初初不不仅仅没没有有任任何何天天体体，也也没没有有粒粒子子和和辐辐射射，只只一一种种单单纯纯而而对对称称的的真真空空状状态态以以指指数数方方式式膨膨胀胀着着（这这种种膨膨胀胀比比后后来来弗弗里里德德曼曼模模型型中中的的膨膨胀胀剧剧烈烈得得多多，称称为为暴暴胀胀）今今天天我我们们所所知知道道的的自自然然界界中中四四种种基基本本相相互互作作用用力力，即即引引力力、强强力力、弱弱力力和和电磁力，那时是不可区分的。电磁力，那时是不可区分的。33第二章物质运动的自然图景 随随着着宇宇宙宙的的膨膨胀胀和和降降温温，真真空空发发生生一一系系列列相相变变（如如同同水水在在降降

28、到到零零摄摄氏氏度度时时变变成成冰冰那那样样）：在在大大爆爆炸炸后后1010-44-44秒秒，发发生生超超统统一一相相变变，引引力力作作用用首首先先分分化化出出来来，但但强强、弱弱、电电作作用用仍仍不不可可区区分分，夸夸克克和和轻轻子子可可以以互互相相转转变变；到到大大爆爆炸炸后后1010-36-36秒秒，大大统统一一相相变变发发生生，强强作作用用同同电电、弱弱作作用用分分离离，物物质质和和反反物物质质之之间间不不对对称称性性（即即质质子子、电电子子等等这这类类物物质质多多于于反反质质子子、正正电电子子之之类类反反物物质质的的现现象象）开开始始出出现现；1010-10-10秒秒以以后后，弱弱电

29、电相相变变发发生生，弱弱作作用用和和电电磁磁作作用用分分离离，完完成成了了四四种种相相互互作作用用逐逐一一分分化化出出来来的的历史。历史。34第二章物质运动的自然图景 从从3 3分分钟钟以以后后经经过过约约7070万万年年，宇宇宙宙的的温温度度降降到到30003000K K，电电子子与与原原子子核核结结合合成成稳稳定定的的原原子子，光光子子不不再再被被自自由由电电子子散散射射，从从此此宇宇宙宙变变得得透透明明。又又过过了了几几十十亿亿年年，中中性性原原子子在在引引力力作作用用下下逐逐渐渐凝凝聚聚为为原原星星系系，并并由由此此揭揭开开了了星星系系、恒恒星星等等其其它天体的形成和演化史。它天体的形

30、成和演化史。35第二章物质运动的自然图景 至至于于宇宇宙宙未未来来的的演演化化，大大爆爆炸炸宇宇宙宙模模型型认认为为这这要要视视宇宇宙宙现现在在的的平平均均密密度度而而定定。若若平平均均密密度度小小于于某某一一临临界界密密度度，宇宇宙宙就就会会一一直直膨膨胀胀下下去去；若若宇宇宙宙的的平平均均密密度度大大于于临临界界密密度度，宇宇宙宙膨膨胀胀速速度度会会减减慢慢，终终将将停停止止膨膨胀胀，并并转转为为收收缩缩，也也许许收收缩缩到到一一定定的的密密度度后后又又再再次次膨膨胀胀。这这种种反反复复膨膨胀收缩的宇宙称为振荡宇宙。胀收缩的宇宙称为振荡宇宙。36第二章物质运动的自然图景 人人类类对对宇宇宙

31、宙认认识识的的突突飞飞猛猛进进，使使得得人人们们第第一一次次有有可可能能在在科科学学的的基基础础上上，对对从从基基本本粒粒子子到到化化学学元元素素、从从星星系系到到恒恒星星、从从太太阳阳到到地地球球、从从原原生生物物到到人人的的长长达达上上百百亿亿年年的的演演化化史史作作出出系系统统的的概概括括。这这无无疑疑会会对对当当代代自自然然科科学学以以及及人人类类自自然然观的发展产生深刻的影响。观的发展产生深刻的影响。37第二章物质运动的自然图景第三节第三节 恒星的演化恒星的演化一、恒星的起源和演化一、恒星的起源和演化38第二章物质运动的自然图景1 1、恒星的起源、恒星的起源 恒恒星星是是宇宇宙宙中中

32、的的一一个个重重要要层层次次，在在恒恒星星的的起起源源问问题题上上，主主要要存存在在弥弥漫漫说说和和超超密密说说两两种种不不同同的观点。的观点。超超密密说说认认为为，恒恒星星是是由由超超密密物物质质爆爆炸炸碎碎裂裂后后形形成成的的。而而弥弥漫漫说说则则认认为为，恒恒星星是是由由星星际际弥弥漫漫物物质质收收缩缩凝凝聚聚而而成成。弥弥漫漫说说，即即星星云云说说，由由于于获获得得了了较较为为广广泛泛的的科科学学事事实实的的支支持持，又又有有比比较较完完整整的的恒恒星星演演化化理理论论，所所以以得得到到天天文文学学家家比比较较一致的认同。一致的认同。39第二章物质运动的自然图景 星星际际弥弥漫漫物物质

33、质由由气气体体和和尘尘埃埃组组成成，以以气气体体为为主主。气气体体又又以以氢氢为为主主，氦氦次次之之，其其它它元元素素所所占占比比例例很很小小。由由于于自自身身引引力力作作用用，密密度度极极低低的的星星际际弥弥漫漫物物质质会会聚聚集集成成团团块块。这这种种团团块块貌貌似似地地球球大大气气中中的的云云块块，所所以以称称为为星星云云。星星云云的的直直径径往往往往有有几几十十光光年年，并并有有几几十十个个到到几几百百个个太太阳阳质质量量（2102103333克克）。这这样样大大的的星星云云除除了了收收缩缩外外，还还要要有一个碎裂过程才能形成恒星。有一个碎裂过程才能形成恒星。40第二章物质运动的自然图

34、景 有些天文学家认为，星云的碎裂是星云中气有些天文学家认为，星云的碎裂是星云中气体不规则的旋转运动，即湍流造成的。大块的星体不规则的旋转运动，即湍流造成的。大块的星云裂碎成大小不等的、质量在云裂碎成大小不等的、质量在0.50.5到到2020的的恒星胚胎恒星胚胎原恒星。在引力收缩过程中释放出原恒星。在引力收缩过程中释放出的势能使原恒星逐渐变热，当温度上升到足以引的势能使原恒星逐渐变热，当温度上升到足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了发热核反应时，一颗恒星就诞生了。41第二章物质运动的自然图景2 2、恒星的演化、恒星的演化 当当温温度度上上升升到到700700百百万万到到10001000万万度度时

35、时，原原恒恒星星内内部部发发生生了了氢氢燃燃烧烧，即即由由氢氢聚聚变变为为氦氦的的核核反反应应。当当这这种种反反应应产产生生的的辐辐射射压压力力达达到到与与引引力力平平衡衡时时，恒恒星星的的体体积积和和温温度度不不再再明明显显变变化化，进进入入一一个个相相对对稳稳定定的的演演化化阶阶段段。恒恒星星在在这这一一阶阶段段停停留留的的时时间间最最长长，占占其其生生命命的的主主要要部部分分，可可以以称称为为“壮年期壮年期”。42第二章物质运动的自然图景 迄迄今今发发现现的的恒恒星星有有9090处处在在这这一一阶阶段段（包包括括我我们们的的太太阳阳在在内内）。这这一一阶阶段段的的具具体体长长度度取取决决

36、于于恒恒星星质质量量的的大大小小。对对于于太太阳阳来来说说约约为为100100亿亿年年，而而质质量量比比太太阳阳大大1010倍倍的的恒星则只有恒星则只有30003000万年。万年。43第二章物质运动的自然图景 当当恒恒星星内内部部1515的的氢氢聚聚变变成成氦氦以以后后，便便形形成成了了一一个个不不产产生生能能量量，因因而而温温度度也也不不再再升升高高的的纯纯粹粹由由氦氦组组成成的的区区域域，这这个个区区域域称称为为同同温温纯纯氦氦区区。由由于于中中心心释释放放能能量量减减少少，辐辐射射压压力力下下降降，恒恒星星将将在在引引力力作作用用下下收收缩缩。收收缩缩产产生生的的热热将将使使温温度度再再

37、次次升升高高，当当中中心心温温度度升升高高到到1 1亿亿度度时时，同同温温纯纯氦氦区区里里的的氦被点燃。氦被点燃。这这时时，氢氢和和氦氦一一齐齐燃燃烧烧所所释释放放的的巨巨大大的的能能量量使使恒恒星星外外壳壳膨膨胀胀，膨膨胀胀后后单单位位面面积积辐辐射射出出来来的的能能量量变变小小，于于是是表表面面温温度度反反而而降降低低，恒恒星星因因而而变变成成红红色色。这这种种体体积积大大、光光度度强强、发发红红光光的的恒恒星星就就是是红红巨巨星星，它它是是恒恒星星在在“壮壮年年期期”后后的的第第一站。一站。44第二章物质运动的自然图景 大大质质量量恒恒星星在在红红巨巨星星以以后后还还有有一一系系列列的的

38、核核燃燃烧烧供供给给能能量量，但但要要求求点点火火的的温温度度越越来来越越高高。如如碳碳燃燃烧烧要要求求6 6亿亿度度，氧氧燃燃烧烧要要求求1010亿亿度度，硅硅燃燃烧烧要要求求3030亿亿度度，如如此此等等等等，直直到到合成最稳定的铁为止。合成最稳定的铁为止。这这一一阶阶段段的的恒恒星星经经历历了了多多次次膨膨胀胀收收缩缩，光光度度也也发发生生周周期期性性的的变变化化，所所以以，也也可可以以说说是是恒恒星星的的“更更年年期期”。如如果果恒恒星星的的质质量量不不够够大大，不不足足使使中中心心达达到到这这样样高高的的温温度度，热热核核反反应应就就会会停停止止，恒恒星星就就跨跨过过了了它它的的“更

39、更年年期期”，进进入入下下一一阶段的演化。阶段的演化。45第二章物质运动的自然图景3 3、恒星的归宿、恒星的归宿 在在恒恒星星内内部部，当当所所有有可可以以产产生生能能量量的的核核燃燃料料用用尽尽之之后后，恒恒星星的的演演化化就就进进入入了了它它的的“老老年年期期”。恒恒星星的的归归缩缩依依其其质质量量的的大大小小有有三三种种可可能的去向：能的去向：46第二章物质运动的自然图景 对对于于质质量量小小于于1.41.4的的恒恒星星，将将收收缩缩为为白白矮矮星星。白白矮矮星星的的表表面面温温度度很很高高，但但密密度度却却很很大大，高高达达10105 51010克克厘厘米米3 3。白白矮矮星星内内部部

40、的的原原子子在在高高温温高高压压下下高高度度电电离离，电电子子则则形形成成简简并并电电子子气气体体。恒恒星星演演化化成成白白矮矮星星后后就就不不再再收收缩缩，因因为为组组成成白白矮矮星星的的简简并并电电子子气气产产生生的的电电子简并压能顶住恒星的自吸引。子简并压能顶住恒星的自吸引。白白矮矮星星中中核核能能枯枯竭竭靠靠散散发发余余热热而而发发光光，一一旦旦热热能能耗耗尽尽就就不不再再发发光光。这这时时白白矮矮星星便便转转化化为为黑黑矮矮星星。黑黑矮矮星星不不再再辐辐射射可可见见光光，因因而而不不是是恒恒星星。恒恒星星至至此此已已完完成成了了它的发展史。它的发展史。47第二章物质运动的自然图景 对

41、对于于质质量量大大于于1.41.4的的恒恒星星，在在收收缩缩过过程程中中内内部部温温度度可可达达到到40406060亿亿度度，因因而而可可以以点点燃燃铁铁的的核核反反应应。铁铁原原子子核核可可以以聚聚变变也也可可以以裂裂变变，但但无无论论什什么么核核反反应应都都不不但但不不能能释释放放能能量量，还还需需要要输输入入非非常常大大的的能能量量。这这时时恒恒星星只只有有依依靠靠引引力力收收缩缩提提供供能能量量。为为了了提提供供非非常常巨巨大大的的能能量量，恒恒星星的的核核心心必必须须迅迅猛猛地地收收缩缩。内内核核迅迅速速收收缩缩的的同同时时外外壳壳会会猛猛烈烈地地爆爆炸炸。恒恒星星此此时时成成为为光

42、光度度超超过过原原来来千千万万倍倍甚甚至至上亿倍的上亿倍的超新星超新星。48第二章物质运动的自然图景 恒恒星星爆爆发发后后，恒恒星星可可能能全全部部瓦瓦解解，其其物物质质碎碎片片抛抛入入空空间间形形成成稀稀薄薄的的星星云云。有有时时恒恒星星爆爆发发后后，其其中中心心还还留留下下一一个个内内核核，此此时时，依内核质量的大小将会不同的走向依内核质量的大小将会不同的走向。恒恒星星爆爆发发后后，如如果果留留下下的的内内核核质质量量小小于于1.41.4，恒星仍将收缩为，恒星仍将收缩为白矮星白矮星。49第二章物质运动的自然图景 如如果果内内核核质质量量大大于于1.41.4，恒恒星星将将收收缩缩为为中中子子

43、星星。中中子子星星由由于于自自身身引引力力较较大大，电电子子简简并并压压不不足足以以抗抗衡衡，电电子子被被挤挤入入原原子子核核并并与与质质子子结结合合为中子。为中子。中中子子星星具具有有体体积积小小、密密度度大大、自自转转快快、磁磁场场强强的的特特点点。6060年年代代以以来来用用射射电电望望远远镜镜观观察察到到的的脉脉冲冲星星实实际际上上就就是是中中子子星星。中中子子星星与与白白矮矮星星一一样，样，最后归宿也是黑矮星。最后归宿也是黑矮星。50第二章物质运动的自然图景 稳稳定定中中子子星星的的质质量量上上限限为为3 3（称称奥奥本本海海默默极极限限），如如果果恒恒星星爆爆发发后后内内核核的的质

44、质量量大大于于3 3，则则中中子子简简并并压压也也顶顶不不住住引引力力收收缩缩，于于是是恒恒星星无无限限制制的的收收缩缩下下去去，最后塌缩成最后塌缩成黑洞黑洞。51第二章物质运动的自然图景 黑洞黑洞是一种引力强大到连光线都无法射出的天是一种引力强大到连光线都无法射出的天体。人们只能通过它对周围物质的影响间接地探知体。人们只能通过它对周围物质的影响间接地探知其存在。一些发射出射线的双星系统中，那个质其存在。一些发射出射线的双星系统中，那个质量很大而又看不见的成员，很可能就是黑洞。黑洞量很大而又看不见的成员，很可能就是黑洞。黑洞与黑矮星一样已不是恒星，关于这类天体的演化目与黑矮星一样已不是恒星，关

45、于这类天体的演化目前所知不多。前所知不多。52第二章物质运动的自然图景第四节第四节 地球的演化地球的演化 （自学或看录像）（自学或看录像）53第二章物质运动的自然图景 第五节第五节 生命的演化生命的演化 生命从何而来？这是一个千古之谜。生命从何而来？这是一个千古之谜。恩格斯恩格斯曾精辟地指出：曾精辟地指出：“关于生命的起源，关于生命的起源，自然科学到目前为止能肯定的只是：生命起源自然科学到目前为止能肯定的只是：生命起源必然是通过化学途径实现的。必然是通过化学途径实现的。”54第二章物质运动的自然图景一、生命的化学起源一、生命的化学起源 正正是是遵遵循循恩恩格格斯斯这这一一思思想想，苏苏联联科科

46、学学家家奥奥巴巴林林提提出出了了第第一一个个生生命命起起源源理理论论。现现在在的的科科学学研研究究又又进进一一步步加加深深和和充充实实了了这这一一理理论论，根根据据目目前前的的看看法法，生命的化学起源要经过三个阶段。生命的化学起源要经过三个阶段。55第二章物质运动的自然图景1 1、从无机分子到有机小分子、从无机分子到有机小分子 人人们们通通过过地地质质学学研研究究得得出出结结论论，地地球球原原始始大大气气的的主主要要成成分分是是甲甲烷烷、氨氨、氢氢、水水蒸蒸气气等等等等，这这些些无无机机分分子子提提供供了生物体中最基本的元素碳、氢、氧、氮等。了生物体中最基本的元素碳、氢、氧、氮等。当当时时的的

47、地地球球还还为为这这些些无无机机分分子子的的相相互互聚聚合合反反应应提提供供了了足足够够的的能能源源。因因高高空空没没有有臭臭氧氧层层，就就使使各各种种射射线线，尤尤其其是是紫紫外外线线直直接接照照射射到到地地球球表表面面，此此外外，频频繁繁的的闪闪电电、火火山山爆爆发发、岩岩浆浆奔奔腾腾也也能能产产生生巨巨大大的的能能量量。由由于于这这些些能能量量的的作作用用，使使原原始始大大气气中中的的无无机机物物发发生生相相互互作作用用，为为生生命命的出现准备并积累了各种有机物。的出现准备并积累了各种有机物。56第二章物质运动的自然图景 2020世世纪纪2020年年代代，俄俄国国生生物物化化学学家家奥奥

48、巴巴林林和和英英国国生生物物学学家家哈哈尔尔达达内内提提出出了了在在原原始始地地球球（有有生生命命前前的的地地球球）的的海海洋洋中中存存在在有有机机分分子子的的“原原始始汤汤”的的观观点点。人人们们想想象象的的原原始始汤汤是是通通过过一一系系列列地地球球化化学学过过程程和和各各种种能能源源对对原原始始大气层的作用而形成的。大气层的作用而形成的。57第二章物质运动的自然图景 美美国国化化学学家家米米勒勒（S.L.MillerS.L.Miller）于于19531953年年在在实实验验室室中中成成功功地地模模拟拟了了在在原原始始大大气气的的条条件件下下氨氨基基酸酸产产生生的的可可能能过过程程。他他利

49、利用用甲甲烷烷、氨氨、氢氢及及水水蒸蒸气气等等混混合合气气体体，经经过过连连续续火火花花放放电电，以以模模拟拟原原始始地地球球的的自自然然条条件件，最最后后得得到到多多种种氨氨基基酸酸和和其其他他一一些些有有机机物物分分子子，其其中中的的四四种种（甘甘、丙丙、天天冬冬、谷谷）氨氨基基酸酸与与天天然然蛋蛋白白质质中中的的氨氨基基酸酸相相同同。这这个个漂漂亮亮的的模模拟拟实实验验被被认认为为有有力力地地证证实实了了生生命命化化学学起起源源的的第第一一步步，即即由由无无机机分子能产生有机小分子。分子能产生有机小分子。58第二章物质运动的自然图景 现在有人对原始大气中存在甲烷提出了异现在有人对原始大气

50、中存在甲烷提出了异议，认为原始大气由氮气及相当于其三分之一议，认为原始大气由氮气及相当于其三分之一的一氧化碳组成。后来米勒在含氮气和一氧化的一氧化碳组成。后来米勒在含氮气和一氧化碳的混合气体中进行放电实验的结果，发现氨碳的混合气体中进行放电实验的结果，发现氨基酸的合成极为困难。如果原始大气中无甲烷基酸的合成极为困难。如果原始大气中无甲烷的观点最终被证实，那么就必须重新研究无机的观点最终被证实，那么就必须重新研究无机分子合成有机小分子的过程。分子合成有机小分子的过程。59第二章物质运动的自然图景2 2、从有机小分子到生物大分子、从有机小分子到生物大分子 当当氨氨基基酸酸、核核苷苷酸酸等等有有机机