天体物理复习课件.ppt

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1、 天文学是自然界中天文学是自然界中最古老、最基本最古老、最基本的学科。但永远的学科。但永远是是最前沿最前沿的科学，随着空间探测技术的发展，人们对宇的科学，随着空间探测技术的发展，人们对宇宙的认识越来越深入。到现在为止，天文学给出的更多宙的认识越来越深入。到现在为止，天文学给出的更多的是的是问题问题，而非，而非答案答案。众众所所周周知知，自自然然界界有有四四大大基基本本起起源源问问题题:宇宇宙宙的的起起源源,太阳系的起源太阳系的起源,生命的起源生命的起源,人类的起源。人类的起源。要要回回答答这这些些问问题题，离离不不开开天天文文学学知知识识，离离不不开开掌掌握自然科学多领域的复合型人才。握自然科

2、学多领域的复合型人才。俗话说的好：俗话说的好：上知天文、下晓地理上知天文、下晓地理。这是对个人知。这是对个人知识渊博的一种赞美。识渊博的一种赞美。天文学天文学宇宙的含义宇宙的含义英文：英文：Universe Universe 天地万物，强调天地万物，强调物物质现象的总和质现象的总和。Cosmos Cosmos 来自希腊来自希腊文，还有井然有序之义，强调的是文，还有井然有序之义，强调的是整体宇整体宇宙的结构或构造宙的结构或构造。中文中文:“四方上下曰四方上下曰宇宇,往古来今曰往古来今曰宙宙，以喻万物。以喻万物。”淮南子淮南子原道训原道训 即即空间空间和和时间时间的总和，最为完备和科学，的总和，最

3、为完备和科学，体现了中国古代劳动人民所具有的伟大智体现了中国古代劳动人民所具有的伟大智慧。慧。宇宙的现代概念宇宙的现代概念-无限无限宇宙是指宇宙是指广漠空间和其中存在的各种天体以广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称及弥漫物质的总称，并且宇宙是处于，并且宇宙是处于不断的不断的运动和发展运动和发展之中的。之中的。人类目所能及的地方以及人类还没有看到但人类目所能及的地方以及人类还没有看到但是仍然存在的物质都是宇宙。是仍然存在的物质都是宇宙。天文学上的总星系即所谓的天文学上的总星系即所谓的“可观测宇宙可观测宇宙”。何谓天体物理学？何谓天体物理学？天体物理天体物理=天天 体体|物物 理理 （天

4、文学）（天文学）|（物理学）（物理学）天体物理学天体物理学是应用物理学的技术、方法和是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科，物理状态和演化规律的天文学分支学科，属于边缘学科之一。属于边缘学科之一。天体天体宇宙的基本特性宇宙的基本特性物质性：天体物质性：天体多样性多样性 运动性：天体系统运动性：天体系统层次性层次性什么是天体？什么是天体？天体指天体指宇宙中所有的物质宇宙中所有的物质。天体的类型天体的类型自然天体自然天体：恒星、行星、卫星、星云、流：恒星、行星、卫星、星云、流星、彗星、星际物质（气体和

5、尘埃）；星、彗星、星际物质（气体和尘埃）；人造天体人造天体：在空间飞行的人造地球卫星、：在空间飞行的人造地球卫星、国际空间站等国际空间站等天体系统是怎样形成的？天体系统是怎样形成的？天体之间天体之间相互吸引和相互绕转相互吸引和相互绕转，形成天体系统。，形成天体系统。太阳大太阳大,地球小地球小,地球绕着太阳跑。地球绕着太阳跑。地球大地球大,月亮小月亮小,月亮绕着地球跑。月亮绕着地球跑。运动性：天体系统运动性：天体系统层次性层次性总星总星系系银河银河系系河外河外星系星系太阳太阳系系恒星世界恒星世界地月地月系系其他行星系其他行星系总星总星系系“可观测宇宙可观测宇宙”：天体物理学的研究方法天体物理学的

6、研究方法物质客体的三个层次物质客体的三个层次微观客体微观客体宏观客体宏观客体宇观客体宇观客体u天体的三个层次天体的三个层次太阳与太阳系太阳与太阳系恒星与银河系恒星与银河系星系与宇宙星系与宇宙天体物理的研究方法天体物理的研究方法观测方法观测方法主要借助光学望远镜和射电望远镜来主要借助光学望远镜和射电望远镜来获取宇宙信息；获取宇宙信息；实验方法实验方法它是观测手段发展到高级阶段的产物，它是观测手段发展到高级阶段的产物，如人造卫星、登月飞船、航天飞机、空间探测器、如人造卫星、登月飞船、航天飞机、空间探测器、太空望远镜、太空站等人类用于探测宇宙的实验手太空望远镜、太空站等人类用于探测宇宙的实验手段。段

7、。还有还有”粒子物理实验模拟宇宙的形成粒子物理实验模拟宇宙的形成”等；等；理论方法理论方法利用数学、力学、物理学和其他学科利用数学、力学、物理学和其他学科的成果，通过理论推理得到有关天体的科学结论。的成果，通过理论推理得到有关天体的科学结论。天体物理学研究的意义天体物理学研究的意义精确的时间和历法精确的时间和历法仍然是按照太阳和恒星的运动仍然是按照太阳和恒星的运动确定。（例如测时、守时、授时）确定。（例如测时、守时、授时）可用于可用于人造卫星运动轨道的控制，以及地面导航、人造卫星运动轨道的控制，以及地面导航、通信通信等。（轨道计算、太阳黑子）等。（轨道计算、太阳黑子）可启发人们去思考、探索与人

8、类的现在和未来息可启发人们去思考、探索与人类的现在和未来息息相关的各种应用技术。（息相关的各种应用技术。（核聚变、新的更有效核聚变、新的更有效能量转换方式能量转换方式）可提高学生的科学文化素质、可提高学生的科学文化素质、树立正确的宇宙观树立正确的宇宙观，提高辨别是非的能力提高辨别是非的能力、反对迷信和邪教反对迷信和邪教的危害。的危害。人与宇宙人与宇宙农业与航行需要天象知识；农业与航行需要天象知识；得天独厚的地球养育人类；得天独厚的地球养育人类；生命的起源来自宇宙空间；生命的起源来自宇宙空间；生命的元素来自恒星（血红细胞中的生命的元素来自恒星（血红细胞中的Fe、骨骼里的骨骼里的Ca、呼吸的、呼吸

9、的O2）；）；热核聚变热核聚变 太阳能源的启示；太阳能源的启示；牛顿的万有引力定律来自天体运动观测；牛顿的万有引力定律来自天体运动观测；天象预报天象预报,保卫地球。保卫地球。宇宙起源学说宇宙起源学说神话说神话说盖天说盖天说浑天说浑天说宣夜说宣夜说地心说地心说日心说日心说大爆炸说大爆炸说星云说星云说浑天说的两大法宝浑天说的两大法宝浑仪，当时最先进的观天仪。浑仪，当时最先进的观天仪。浑天家可以用精确的观测事浑天家可以用精确的观测事实来论证浑天说。在中国古实来论证浑天说。在中国古代，依据这些观测事实制定代，依据这些观测事实制定的历法具有相当的精度。的历法具有相当的精度。浑象，利用它可以形象地演浑象，

10、利用它可以形象地演示天体的运行。浑天说能简示天体的运行。浑天说能简洁的解释日月星辰的运行出洁的解释日月星辰的运行出没。没。宣夜说宣夜说 宣夜说是我国历史上宣夜说是我国历史上最有卓见的宇宙无限论最有卓见的宇宙无限论思想。它最思想。它最早出现于战国时期，到汉代则已明确提出。早出现于战国时期，到汉代则已明确提出。不论是中国古代的盖天说、浑天说，还是西方古代的地不论是中国古代的盖天说、浑天说，还是西方古代的地心说，乃至哥白尼的日心说，无不把天看作一个坚硬的心说，乃至哥白尼的日心说，无不把天看作一个坚硬的球竞，星星都固定在这个球壳上。宣夜说球竞，星星都固定在这个球壳上。宣夜说打破了固体天打破了固体天球的

11、观念球的观念，认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所有天体都在气体中漂浮运动。星辰日月的运动规律是由有天体都在气体中漂浮运动。星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的它们各自的特性所决定的，决没有坚硬的天球或什么本，决没有坚硬的天球或什么本轮、均轮的束缚。轮、均轮的束缚。宣夜说创造了宣夜说创造了天体漂浮于气体中天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进的理论，并且在它的进一步发展中认为连天体自身、包括遥远的一步发展中认为连天体自身、包括遥远的恒星和银河都恒星和银河都是由气体组成是由气体组成。这和现代天文学的许多结论一致。这和现代天文学的许多结论一致。宣夜说不

12、仅认为宣夜说不仅认为宇宙在空间上是无边无际的宇宙在空间上是无边无际的，而且还进，而且还进一步提出一步提出宇宙在时间上也是无始无终的、无限的思想宇宙在时间上也是无始无终的、无限的思想。它在人类认只史上写下了光辉的一页。可惜，宣夜说的它在人类认只史上写下了光辉的一页。可惜，宣夜说的卓越思想，在中国古代没有受到重视，几至失传。卓越思想，在中国古代没有受到重视，几至失传。地心说地心说 地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说，是世地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说，是世界上第一个行星体系模型。代表人物：欧多克斯、界上第一个行星体系模型。代表人物：欧多克斯、亚里士多德、托勒密亚里士多德、托勒密托勒密认为，

13、托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动地球处于宇宙中心静止不动。从地。从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运转。其木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运转。其中，行星的运动要比太阳、月球复杂些：行星在中，行星的运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球月球行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球恒恒星天。再外面，是推动天体运动的原动天。星天。再外面，是推动天体运动的原动天。支持和发展支持和发展“日心说日心

14、说”的代表人物的代表人物伽利略伽利略用自制用自制天文望远镜天文望远镜观测星空，观测星空，看到月球表面很多特征，金星像月看到月球表面很多特征，金星像月球一样有圆缺变化，发现木星的四球一样有圆缺变化，发现木星的四颗卫星，提供太阳系的新证据，又颗卫星，提供太阳系的新证据，又从太阳黑子运动推断太阳在自转，从太阳黑子运动推断太阳在自转，分辨出银河是有密集恒星组成，写分辨出银河是有密集恒星组成，写了了星空使者星空使者和和关于托勒密和关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话哥白尼两大世界体系的对话，开，开创了近代天文学。创了近代天文学。用观测事实证明用观测事实证明宇宙是无限的宇宙是无限的，影，影响更大，遭教廷残

15、酷迫害，被命令响更大，遭教廷残酷迫害，被命令焚毁著作，终身禁闭！天理何在？焚毁著作，终身禁闭！天理何在？支持和发展支持和发展“日心说日心说”的代表人物的代表人物开普勒开普勒：行星运行三大定律：行星运行三大定律 “椭圆轨道椭圆轨道”牛顿牛顿：万有引力定律，奠立天体力学基础，：万有引力定律，奠立天体力学基础，哈雷彗星的回归和海王星的发现显示牛顿哈雷彗星的回归和海王星的发现显示牛顿理论的威力！理论的威力！大爆炸说大爆炸说 最有影响、最有希望的一种宇最有影响、最有希望的一种宇宙学说。宙学说。1929年，天文学家年，天文学家哈勃哈勃公布了公布了一个震惊科学界的发现：所有一个震惊科学界的发现：所有的河外星

16、系都在离我们远去。的河外星系都在离我们远去。即即宇宙在高速地膨胀宇宙在高速地膨胀着。宇宙着。宇宙在膨胀，那么就可能有一个膨在膨胀，那么就可能有一个膨胀的起点。天文学家胀的起点。天文学家勒梅特勒梅特认认为，现在的宇宙是由一个为，现在的宇宙是由一个“原原始原子始原子”爆炸爆炸而成的。这是大而成的。这是大爆炸说的前身。美国天文学家爆炸说的前身。美国天文学家伽莫夫伽莫夫接受并发展了勒梅特的接受并发展了勒梅特的思想，于思想，于1948年正式提出宇宙年正式提出宇宙起源的大爆炸学说。起源的大爆炸学说。大爆炸说大爆炸说伽莫夫认为，宇宙最初是一伽莫夫认为，宇宙最初是一个个温度极高、密度极大的由温度极高、密度极大

17、的由最基本粒子组成的最基本粒子组成的“原始火原始火球球”。根据现代物理学，这。根据现代物理学，这个火球必定迅速膨胀，它的个火球必定迅速膨胀，它的演化过程好像一次巨大的爆演化过程好像一次巨大的爆发。由于迅速膨胀，发。由于迅速膨胀，宇宙密宇宙密度和温度不断降低度和温度不断降低，在这个，在这个过程中形成了一些过程中形成了一些化学元素化学元素（原子核），（原子核），然后形成由原然后形成由原子、分子构成的子、分子构成的气体物质气体物质.气体物质又逐渐气体物质又逐渐凝聚起星云凝聚起星云，最后从星云中逐渐最后从星云中逐渐产生各种产生各种天体天体，成为现在的宇宙。，成为现在的宇宙。原始星云说原始星云说主要用来

18、解释太阳系的形成主要用来解释太阳系的形成18世纪下半叶由德国哲学家世纪下半叶由德国哲学家康德康德和法国天文学家和法国天文学家拉普拉拉普拉斯斯提出。他们认为：提出。他们认为：太阳系太阳系是由一块星云收缩形成的，是由一块星云收缩形成的，先形成的是太阳，然后剩余先形成的是太阳，然后剩余的星云物质进一步收缩演化的星云物质进一步收缩演化形成行星。形成行星。现代星云说现代星云说 现代星云说认为：形成太阳系的是银河系里现代星云说认为：形成太阳系的是银河系里的一团密度较大的星云，这块星云绕银河系的的一团密度较大的星云，这块星云绕银河系的中心旋转着，当它通过旋臂时受到压缩，密度中心旋转着，当它通过旋臂时受到压缩

19、，密度增大，达到一定密度时，星云就在自身引力的增大，达到一定密度时，星云就在自身引力的作用下，逐渐收缩。收缩过程中，一方面使星作用下，逐渐收缩。收缩过程中，一方面使星云中央部分内部增温，最后形成云中央部分内部增温，最后形成原始太阳原始太阳，当，当原始太阳中心温度达到原始太阳中心温度达到700万摄氏度时，氢聚万摄氏度时，氢聚变为氦的热核反应点火，于是，变为氦的热核反应点火，于是，现代太阳现代太阳便真便真正诞生了。另一方面，由于星云体积缩小，因正诞生了。另一方面，由于星云体积缩小，因而自转加快，离心力增大，逐渐在赤道面附近而自转加快，离心力增大，逐渐在赤道面附近形成一个形成一个星云盘星云盘。星云盘

20、上的物质在疑聚和吞。星云盘上的物质在疑聚和吞并过程中，最后演化为并过程中，最后演化为行星和其他小天体行星和其他小天体。天上的星星确实最多，比地球上的人口多得多。但不是天上的星星确实最多，比地球上的人口多得多。但不是最暗、最小的。最暗、最小的。数不清的星星，是与太阳一样能发光的恒星，许多比太数不清的星星，是与太阳一样能发光的恒星，许多比太阳大得多、亮得多。月亮是地球的一颗卫星，是最小的。阳大得多、亮得多。月亮是地球的一颗卫星，是最小的。地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等地球与水、金、火、木、土、天王、海王、（冥王）等行星和一些小行星及彗星围绕太阳运行。行星和一些小行星及彗星围绕太阳

21、运行。除水星、金星外，其他行星都有卫星，有的多达几十颗。除水星、金星外，其他行星都有卫星，有的多达几十颗。这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起构成太阳系。这些行星、卫星、小行星和彗星与太阳一起构成太阳系。太阳系中的所有天体都跟随太阳围绕银河中心运行。太阳系中的所有天体都跟随太阳围绕银河中心运行。太阳只是银河系中千多亿颗恒星中的一颗。而宇宙中太阳只是银河系中千多亿颗恒星中的一颗。而宇宙中还有亿万个像银河系这样的星系。还有亿万个像银河系这样的星系。宇宙到底有多大？宇宙到底有多大？宇宙航行宇宙航行 宇宙航行，就是在这样广袤的宇宙空间进宇宙航行，就是在这样广袤的宇宙空间进行的，而我们现在的太空活动范

22、围，远远行的，而我们现在的太空活动范围，远远不及不及海滨游泳池与大洋的比例海滨游泳池与大洋的比例。著名科学家钱学森指出，宇宙航行应包括著名科学家钱学森指出，宇宙航行应包括两个阶段，第一阶段为两个阶段，第一阶段为航天航天，就是人类在，就是人类在太阳系内的航行活动；第二阶段为太阳系内的航行活动；第二阶段为航宇航宇，就是冲出太阳系到银河系，乃至河外星系就是冲出太阳系到银河系，乃至河外星系去航行。去航行。科学技术必须再有几次科学技术必须再有几次飞跃飞跃，人类才能实，人类才能实现航宇的理想。现航宇的理想。时间问题：时间问题：大多数人恐怕还没有到过千米以外的太空，大多数人恐怕还没有到过千米以外的太空，而地

23、球与月球的距离大约是千米的万倍，而地球与月球的距离大约是千米的万倍，地球与海王星的距离又是月球距离的万倍，约地球与海王星的距离又是月球距离的万倍，约亿千米。美国著名的亿千米。美国著名的“旅行者旅行者”号探测器整号探测器整整走了年才到达海王星。离我们最近的恒星整走了年才到达海王星。离我们最近的恒星半人马座半人马座a星的距离，是到海王星距离的万倍，星的距离，是到海王星距离的万倍，约万亿千米，约万亿千米，“旅行者旅行者”号要飞行号要飞行年才能到达。如果按一代人工作年计算，年才能到达。如果按一代人工作年计算，则需要代人连续工作才能实现。如果要则需要代人连续工作才能实现。如果要返回的话，则时间还得加倍。

24、返回的话，则时间还得加倍。能源动力问题能源动力问题 飞船要达到每秒钟飞行飞船要达到每秒钟飞行.千米的速度才能克服地千米的速度才能克服地球引力，围绕地球飞行；要达到每秒钟飞行球引力，围绕地球飞行；要达到每秒钟飞行.千米的速度，才能脱离地球引力，到行星际空间去千米的速度，才能脱离地球引力，到行星际空间去旅行。旅行。为了送阿波罗马飞船到月球上去，美国人制造了巨为了送阿波罗马飞船到月球上去，美国人制造了巨大的火箭大的火箭“土星土星”。它由三级组成，加上装在顶。它由三级组成，加上装在顶端的阿波罗飞船，有米高，重多吨，端的阿波罗飞船，有米高，重多吨，最大直径达米。它的第一级发动机只工作分最大直径达米。它的

25、第一级发动机只工作分半钟，消耗燃料就有多吨。按一辆汽车每半钟，消耗燃料就有多吨。按一辆汽车每天用油千克计算，这些燃料可供辆汽车使用天用油千克计算，这些燃料可供辆汽车使用年！年！要飞出太阳系，飞船必须要达到每秒钟飞行要飞出太阳系，飞船必须要达到每秒钟飞行.千米的速度，这该要多大的火箭？需要多少燃料？千米的速度，这该要多大的火箭？需要多少燃料？实际上是不能用现在的火箭作航宇飞行的动力的，实际上是不能用现在的火箭作航宇飞行的动力的，即使携带着巨燃料的火箭能够起飞，带来的问题也即使携带着巨燃料的火箭能够起飞，带来的问题也很多，而且速度也太慢。显然需要另想办法。很多，而且速度也太慢。显然需要另想办法。通

26、信问题通信问题 从半人马座从半人马座a星向地球发电报，无线电波要走星向地球发电报，无线电波要走年多才能达到，那里要收到回电，则需等年多才能达到，那里要收到回电，则需等年。如果是万光年的距离，则来回要万年。年。如果是万光年的距离，则来回要万年。要能走这么远的无线电波，需要一颗中等恒星的要能走这么远的无线电波，需要一颗中等恒星的发射功率、发报机的球形天线半径达万发射功率、发报机的球形天线半径达万千米。这样强大的通信电台是无法建在地球上的，千米。这样强大的通信电台是无法建在地球上的，它发射的强大能量会即刻把地球毁灭掉。即使是它发射的强大能量会即刻把地球毁灭掉。即使是在离地球个天文单位的地方建座球形天

27、在离地球个天文单位的地方建座球形天线半径为千米、作用距离为万光年的线半径为千米、作用距离为万光年的无线电发射台，所以材料的质量就是相当地球质无线电发射台，所以材料的质量就是相当地球质量的五分之一，建造的时间需要万量的五分之一，建造的时间需要万万年！万年！生命延续问题生命延续问题 一代人是不行的，飞船上必须要能容纳一一代人是不行的，飞船上必须要能容纳一个个“部落部落”，靠子孙相传，一代接一代地，靠子孙相传，一代接一代地去完成。这样，飞船上不仅要解决衣食住去完成。这样，飞船上不仅要解决衣食住行问题，而且要解决社会发展的所有问题，行问题，而且要解决社会发展的所有问题，也就是说飞船要携带一整个社会。也

28、就是说飞船要携带一整个社会。已发射的宇宙飞船能到达恒星吗已发射的宇宙飞船能到达恒星吗？1972年发射了先锋年发射了先锋10号飞船，也就是一种行星探号飞船，也就是一种行星探测器，它在第测器，它在第2年就飞过木星附近，然后飞向远方，年就飞过木星附近，然后飞向远方，而且已经飞出太阳系，朝着恒星而且已经飞出太阳系，朝着恒星ROSS248星的星的方向飞去，这是离太阳较近的恒星，距离有方向飞去，这是离太阳较近的恒星，距离有10个个光年，先锋光年，先锋1O号飞到那里需要号飞到那里需要33万年。万年。旅行者飞船和它的情况差不多。就是向着最近我旅行者飞船和它的情况差不多。就是向着最近我们的一颗恒星半人马星座的比

29、邻星（距离们的一颗恒星半人马星座的比邻星（距离43光光年）飞去也要年）飞去也要15万年以上，可见这个旅途是太万年以上，可见这个旅途是太远太远了！这些飞船上带有地球人给外星人的信远太远了！这些飞船上带有地球人给外星人的信息，谁知道将来会落在何处？按理说这些飞船是息，谁知道将来会落在何处？按理说这些飞船是可能到达恒星世界的，虽然要上万年的时间。可能到达恒星世界的，虽然要上万年的时间。透镜里的宇宙透镜里的宇宙 罗马不是一天造成的，宇宙也不是！我们看到的罗马不是一天造成的，宇宙也不是！我们看到的早期宇宙，也许很大程度上是引力透镜夸大和扭早期宇宙，也许很大程度上是引力透镜夸大和扭曲后的样子。曲后的样子。

30、爱因斯坦的爱因斯坦的“引力透镜引力透镜”：光线经过大质量天体：光线经过大质量天体附近时，会发生弯曲。附近时，会发生弯曲。引力透镜：一个遥远类星体发出的光芒，经中间星系引力透镜：一个遥远类星体发出的光芒，经中间星系（或星团、黑洞或随便什么质量巨大的东西（或星团、黑洞或随便什么质量巨大的东西）的弯折到）的弯折到达地球，因而显得更明亮，并产生多个虚像。达地球，因而显得更明亮，并产生多个虚像。哈勃望远镜拍到的照片。图中几哈勃望远镜拍到的照片。图中几个蓝色的椭圆圈，是同一个幼年星系个蓝色的椭圆圈，是同一个幼年星系在橙色星系团的引力透镜作用下形成在橙色星系团的引力透镜作用下形成的多个虚像。的多个虚像。地球

31、、引力透镜、观测对象恰好三点一线的概率实在太小地球、引力透镜、观测对象恰好三点一线的概率实在太小 引力透镜设于夏威夷的日本富设于夏威夷的日本富士士(Subaru)望远镜拍望远镜拍得的照片。图中央暗得的照片。图中央暗红色的是一个椭圆星红色的是一个椭圆星系，它的引力透镜作系，它的引力透镜作用对同一个类星体用对同一个类星体（蓝色天体）形成了（蓝色天体）形成了4个像。个像。类星体类星体离地球非常远离地球非常远几十乃至上百亿光年，体积很几十乃至上百亿光年，体积很小、异常明亮。一个体积不超过太阳系的家伙，小、异常明亮。一个体积不超过太阳系的家伙，亮度超过包含几千亿颗恒星的星系。（银河系总亮度超过包含几千亿

32、颗恒星的星系。（银河系总共约有共约有2千亿颗恒星）。千亿颗恒星）。俄罗斯科学家俄罗斯科学家Y.Zeldovich的黑洞说认为的黑洞说认为：类星：类星体是剧烈活动的星系核，那里有一个巨型超级黑体是剧烈活动的星系核，那里有一个巨型超级黑洞，正在贪婪地吞食气体尘云。物质跌入黑洞时洞，正在贪婪地吞食气体尘云。物质跌入黑洞时释放引力能，发出强烈的光芒。通过类星体的亮释放引力能，发出强烈的光芒。通过类星体的亮度，可以判断中央黑洞的质量。度，可以判断中央黑洞的质量。光传播的速度是有限的，一个天体离我们多少光光传播的速度是有限的，一个天体离我们多少光年远，我们看到的就是它多少年前的形象，观察年远，我们看到的就

33、是它多少年前的形象，观察遥远天体就是在观察宇宙的过去。遥远天体就是在观察宇宙的过去。银河系并不是宇宙空间的尽头。在银河系之外，银河系并不是宇宙空间的尽头。在银河系之外，还有许许多多星系，人还有许许多多星系，人 们管它们叫们管它们叫“河外星系河外星系”。天文学家已发现。天文学家已发现10亿多个亿多个河外星系，每个河外星系，每个河外星系都包含有河外星系都包含有几亿、几百亿甚至几千亿颗恒几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星和大量的星云和星际物质星和大量的星云和星际物质。所有河外星系又。所有河外星系又 构成更庞大的构成更庞大的总星系总星系。目前，通过射电望远镜和。目前，通过射电望远镜和空间探测，已观测到距离我

34、们地球约空间探测，已观测到距离我们地球约200亿光年亿光年的一种似星非星的天体，取名的一种似星非星的天体，取名“类星体类星体”。这种。这种天体的发现，把今天体的发现，把今 天人类视线拓展到天人类视线拓展到200亿光年亿光年的宇宙深空。的宇宙深空。宇宙的现代概念宇宙的现代概念-无限无限宇宙的起源宇宙的起源伽莫夫的伽莫夫的大爆炸大爆炸理论理论 宇宙是什么时候、如何形成的宇宙是什么时候、如何形成的?宇宙是宇宙是约约150亿年前亿年前发生的一次大爆炸形成的。发生的一次大爆炸形成的。在爆炸之前，宇宙内的在爆炸之前，宇宙内的所存物质和能量所存物质和能量都聚集到了都聚集到了一起，并一起，并浓缩成很小的体积，

35、温度极高，密度极大浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大爆炸。之后发生了大爆炸。大爆炸使物质四散出击，宇宙大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度空间不断膨胀，温度也相应下降也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却膨胀冷却的的过程中逐渐形成的。过程中逐渐形成的。“在所存物质和能量聚集在一点在所存物质和能量聚集在一点”前存在着什么东西前存在着什么东西？宇宙的结构宇宙的结构 宇宙由星系的宇宙由星系的巨大超星系团巨大超星系团构成，星系周围是大构成，星系周围是大团看不见的团

36、看不见的空荡荡的太空空荡荡的太空。每个星系又包含了数。每个星系又包含了数以以十亿计的恒星十亿计的恒星，构成这些恒星的物质是一些小，构成这些恒星的物质是一些小得看不见的得看不见的粒子粒子。质子、中子和电子质子、中子和电子是最普通的是最普通的粒子，它们通常以原子的形式结合在一起。质子粒子，它们通常以原子的形式结合在一起。质子和中子由更小的粒子构成，它叫做和中子由更小的粒子构成，它叫做夸克夸克。宇宙由四种力或它们之间的相互作用支配：宇宙由四种力或它们之间的相互作用支配：引力、引力、电磁力、强核力和弱相互作用力电磁力、强核力和弱相互作用力 。普适规则普适规则 ：物理学家们试图用单一的科学定理来：物理学

37、家们试图用单一的科学定理来解释宇宙的运动，解释宇宙的运动，“普适规则普适规则”认为所有力中引认为所有力中引力、电磁力、强核力、弱相互作用力都是相互关力、电磁力、强核力、弱相互作用力都是相互关联的，并且指出所有亚原子微粒可能都是由一种联的，并且指出所有亚原子微粒可能都是由一种基本粒子产生的。基本粒子产生的。宇宙的形状宇宙的形状 宇宙是什么形状的呢，是象地球一样的圆形，还宇宙是什么形状的呢，是象地球一样的圆形，还是象银河系一样的扁平？是象银河系一样的扁平？通过再现宇宙形成初期的景象，天文学家证实了通过再现宇宙形成初期的景象，天文学家证实了这样一种观点：这样一种观点：宇宙的形状是扁平的，而且自形宇宙

38、的形状是扁平的，而且自形成以来一直在不断扩展成以来一直在不断扩展。science上关于宇宙形状的近期报道：上关于宇宙形状的近期报道：时空结构时空结构将宇宙微波背景（将宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要结构连在）和宇宙的重要结构连在了一起。了一起。CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。CMB也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景。也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景。宇宙的运动宇宙的运动 宇宙从运动上来说是宇宙从运动上来说是不断膨胀不断膨胀的，而从时间上来说则的，而从时间上来说则是是循环

39、循环的，只不过这个循环的周期很长而已的，只不过这个循环的周期很长而已 宇宙的宇宙的运动是绝对的，静止是相对运动是绝对的，静止是相对的。（证据：自转，的。（证据：自转，公转，地球运转速度，轨道，形状变化，北斗七星的公转，地球运转速度，轨道，形状变化，北斗七星的变化等）宇宙中几乎没有不运动的星体变化等）宇宙中几乎没有不运动的星体：（宇宙旅：（宇宙旅行；行星相撞；宇宙炮弹行；行星相撞；宇宙炮弹陨石、小行星的轰击；陨石、小行星的轰击；彗星穿行；光子流、粒子流、宇宙尘埃等）彗星穿行；光子流、粒子流、宇宙尘埃等）“大爆炸宇宙论大爆炸宇宙论”认为，宇宙总是周而复始地从诞生认为，宇宙总是周而复始地从诞生到消亡

40、，再诞生，再消亡，我们现在的这个宇宙只是到消亡，再诞生，再消亡，我们现在的这个宇宙只是从过去到未来的无限多的宇宙中的一个而已。从过去到未来的无限多的宇宙中的一个而已。宇宙太空也有天气变化吗？宇宙太空也有天气变化吗？宇宙太空并不单纯，就像地球大气层会发生风云宇宙太空并不单纯，就像地球大气层会发生风云突变的气象变化一般，太空中也时常会出现灾害突变的气象变化一般，太空中也时常会出现灾害性天气。性天气。太空天气指太阳系内行星际空间的天气。对地球太空天气指太阳系内行星际空间的天气。对地球或航天器影响最大的是或航天器影响最大的是太阳的变化：太阳的变化：“太阳黑子太阳黑子”、日珥、耀斑、太阳风、日珥、耀斑、

41、太阳风等。等。太阳风暴对地球的磁层、电离层和大气层都会造太阳风暴对地球的磁层、电离层和大气层都会造成严重的干扰，带来灾变成严重的干扰，带来灾变。会影响航天器的动作，。会影响航天器的动作，使其与地面的电信联系中断。导航定位不准，甚使其与地面的电信联系中断。导航定位不准，甚至使卫星失效、坠落。已知的至使卫星失效、坠落。已知的卫星故障卫星故障中，竟有中，竟有与这种太空风暴有着直接或间接的关系。与这种太空风暴有着直接或间接的关系。多年之前，我国的多年之前，我国的“风云一号风云一号”气象卫星，气象卫星，就是因受到太阳风暴带来的大量高能粒子的撞击就是因受到太阳风暴带来的大量高能粒子的撞击而提早失效的。而提

42、早失效的。太空除了强劲的太阳风暴外，太空除了强劲的太阳风暴外，太阳射电、太阳射电、太阳射线、太阳太阳射线、太阳r射线射线 等的爆发，也具有等的爆发，也具有很高的能量，这些射线的物质粒子会以光很高的能量，这些射线的物质粒子会以光速向空间辐射。它们的危害程度要高于太速向空间辐射。它们的危害程度要高于太阳风暴可能造成的破坏，有的还会阳风暴可能造成的破坏，有的还会危害宇危害宇航员的健康及生命航员的健康及生命。因。因 此，一般对航天器此，一般对航天器都装上都装上屏蔽装置屏蔽装置，还将航天器的，还将航天器的发射和回发射和回收日期收日期选在选在太阳活动相对宁静太阳活动相对宁静的时间内。的时间内。所以，预报这

43、些太阳射线爆发的日期，就所以，预报这些太阳射线爆发的日期，就成为太空天气学研究的成为太空天气学研究的 重要内容。重要内容。影响太空天气的来自影响太空天气的来自太阳系外的其他天体太阳系外的其他天体。年代以来，人们已发现年代以来，人们已发现宇宙的射线爆发和宇宙的射线爆发和r射线射线爆发爆发，还有较高能量的宇宙线的剧烈变动，虽然，还有较高能量的宇宙线的剧烈变动，虽然这些射线大多来源非常遥远这些射线大多来源非常遥远，对地球和近地空间，对地球和近地空间不会造成什么严重的危害，但当我们把不会造成什么严重的危害，但当我们把 太空探测太空探测的触角伸向更遥远的空间时，就不能不密切注意的触角伸向更遥远的空间时，

44、就不能不密切注意它们的动静。它们的动静。太空中，时而还会发生太空中，时而还会发生新星和超新星爆发新星和超新星爆发。爆发。爆发释放出的物质中很多是释放出的物质中很多是放射性元素和大量的高能放射性元素和大量的高能粒子辐射粒子辐射。科学家已经发现，地球上有些古生物。科学家已经发现，地球上有些古生物的灭绝，地震的的灭绝，地震的 发生以及一些其他灾变，似乎都发生以及一些其他灾变，似乎都有超新星这双有超新星这双“魔手魔手”，在背后操纵。显然，它，在背后操纵。显然，它们对人类太空活动的威胁，是不容忽视的。因此，们对人类太空活动的威胁，是不容忽视的。因此，这也是太空天气学研究的内容。这也是太空天气学研究的内容

45、。宇宙诞生宇宙诞生最初三分钟最初三分钟量子引力时代量子引力时代(0(0t t1010-44-44秒）秒）量子引力时代量子引力时代(0(0t t1010-44-44秒）宇宙整体由一个秒）宇宙整体由一个不存在时间和空间的量子状态（不存在时间和空间的量子状态（“无无”状态），状态），自发跃迁自发跃迁（即所谓（即所谓“大爆炸大爆炸”)到具有空间、时到具有空间、时间的量子状态。在这个时期，物质场的量子涨落间的量子状态。在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀，空间导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀，空间和时间以和时间以混沌混沌的方式交织在一起，时空没有连续的方式交织在一起，时空

46、没有连续性和序列性，因而早晚不分、上下莫辨、因果难性和序列性，因而早晚不分、上下莫辨、因果难明、不可测量。此时明、不可测量。此时四种基本力不可区分四种基本力不可区分，是一，是一种统一的力，此时的时空为种统一的力，此时的时空为虚时空虚时空。普朗克时代（普朗克时代（t tp pt t1010-36-36秒）秒）普朗克时代普朗克时代(t tp pt t1010-36-36秒秒).).当时间等于当时间等于普朗克时间普朗克时间(t tp p=5.410=5.410-44-44秒秒)时时,虚时空虚时空发生超统一相变发生超统一相变,实时空形成实时空形成,粒子产生粒子产生,时间和空间可以测量时间和空间可以测量

47、,引力作用首先分化引力作用首先分化出来出来,强弱电三种力仍不可区分强弱电三种力仍不可区分,夸克和轻夸克和轻子可以相互转化。相变点的能量是子可以相互转化。相变点的能量是10101919GeV(1GeV=10GeV(1GeV=109 9eV),eV),温度是温度是10103232K K。大统一时代大统一时代（1010-36-36秒秒t t1010-33-33秒）秒）大统一时代（大统一时代（1010-36-36秒秒t t1010-33-33秒）。宇宙的温秒）。宇宙的温度继续下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力度继续下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力是一种统一的力。当是一种统一的力。当t=10t=1

48、0-36-36秒时，温度降至秒时，温度降至10102828K K，发生大统一真空相变。相变过程中释放发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到1010-3-33 3秒最后完成大统一相变。相变后，宇宙的空秒最后完成大统一相变。相变后，宇宙的空间尺度增加了间尺度增加了10104343倍，强力从统一的强、弱、电倍，强力从统一的强、弱、电力中分化出来，夸克与轻子相互独立，大统一时力中分化出来，夸克与轻子相互独立，大统一时代结束。在这一时期产生的重子数略多于反重子代结束。在这一时期产生的重子数略多于反重子数，因而今天的物质世界是

49、以正物质为主的世界。数，因而今天的物质世界是以正物质为主的世界。夸克夸克-轻子时代轻子时代(10(10-3-33 3秒秒t t1010-6-6秒秒)这段时期弱、电两种力不可区分。直到这段时期弱、电两种力不可区分。直到t=10t=10-33-33秒，温度降至秒，温度降至10101616K K时，发生电弱统时，发生电弱统一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。弱力成为两种力。强子强子-轻子时代轻子时代(10(10-6-6秒秒t t1 1秒秒)t=10t=10-6-6秒，温度降至秒，温度降至10101212K K，夸克被禁闭，凝，夸克被禁闭，凝聚成重子

50、和介子；聚成重子和介子；t=10t=10-4-4秒，温度降至秒，温度降至10101111K K时，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位时，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位的时代，重子中主要只剩下质子和中子。的时代，重子中主要只剩下质子和中子。这时，宇宙中的物质成分有电子、正电子、这时，宇宙中的物质成分有电子、正电子、子、中微子、子、中微子、子、中子、质子。这时子、中子、质子。这时的主要特征是粒子间的反应产生了大量的的主要特征是粒子间的反应产生了大量的光子和中微子。光子和中微子。辐射时代和核合成时代（辐射时代和核合成时代（1 1秒秒t t2102105 5年）年）当当t=1t=1秒时，温度降为秒时，