高中物理（人教大纲版）第一册 第六章 万有引力定律 六、行星、恒星、星系和宇宙(备课资料).docVIP

●备课资料 一、万有引力与星系的组成 宇宙间任何两物体之间都存在相互吸引的力——万有引力.因此宇宙中任何两天体之间都有相互吸引的万有引力.万有引力F=G的规律使不同层次的天体组成不同层次的天体系统.在行星与卫星之间，如地球—月球系统，地球与月球间的万有引力F地=6.67×10—11·=2.04×1022 N，而卫星与恒星之间，如月球—太阳之间的万有引力F太=6.67×10—11×=4.4×1020 N，可以说F地F太，所以地球—月球组成一个整体，整体受太阳的作用，绕太阳运转.可以计算出行星与恒星之间的万有引力又会远大于银河系对它的万有引力，因此万有引力使行星与恒星组成一个整体，这个整体又在银河系中运动.可以推测银河系内对恒星的万有引力又远大于河外星系对其恒星的万有引力，因此，银河系又是一个整体在宇宙中运动. 二、膨胀的宇宙 在1910~1920年的十年内，洛威尔天文台的科学家发现许多星系有红移现象.所谓红移现象可以用多普勒效应来解释，即星系远离我们而去时，接到的星光的频率变低，使谱线向红端移动.1929年美国天文学家哈勃发现，所有银河外星系的谱线普遍有红移现象，他把测得各星系的距离跟它们各自退行的速度比较，发现在大尺度上星系的退行速度是跟它们离开我们的距离成正比的，这个关系叫做哈勃定律. 哈勃的发现给我们提供了星系远离我们而去且在不停运动的有力证据.从任何一个星系上看，其他星系都在彼此远离退行，这实际上显示我们的宇宙正处于不断膨胀中，从而彻底改变了静态宇宙的传统观念. 三、大爆炸宇宙学 我们已经知道，宇宙是膨胀的.既然宇宙一直膨胀，那么逆着时间往上推，追根寻源，早期的宇宙一定处于比现在小得多、密度大得多的状态，而且原则上允许一直追溯到初始奇点.初始奇点即体积无限小、密度无限大的一种状态.因此，人们提出宇宙起源于原始火球的假设.原始火球就是初始奇点，现在宇宙的膨胀正是大爆炸所开始的空间膨胀的继续.目前比较盛行的是热大爆炸宇宙说，这一学派的主要观点是：我们的宇宙曾有过一段从密到稀、从热到冷的演化历史，按照这种观点来研究宇宙中物性演化的历史，统称为大爆炸宇宙说. 大爆炸宇宙模型得到许多观测数据的支持，特别是3K宇宙背景辐射预言的证实.当然，大爆炸模型尚未解决的问题很多，还有一些疑难问题有待进一步研究，例如宇宙是否弥散着反物质等.而大爆炸宇宙学作为人类探索宇宙起源及其演化的一个里程碑地位已经确定，不会轻易改变. 四、宇宙的起源和归缩 大爆炸宇宙学可以说是当今的创世说，宇宙起源于时空初始奇点的大爆炸.在1970年英国的彭罗斯和霍金证明一个奇点定理，指出：在经典广义相对论成立的条件下，时空区域的奇点是不可避免的.奇点就是在该处具有无限大的密度和无限大的时空曲率等.1983年哈特和霍金等人避开引力场量子化问题，把宇宙整体看做是一个物理的量子系统，在t=0时，由状态“无”，即连时间、空间都不存在的一个什么也没有的“无”状态，自发跃迁到具有空间、时间的量子状态，宇宙创生于完全偶然的一次量子跃迁中.即他们把宇宙的起源归结为“从无到有”，这有点像我国古代老子的思想，“天地万物生于有，有生于无.” 尽管物理学家对宇宙的起源的细节仍然了解不多，争论也多，但是对它的基本理论框架的看法已达成一致.宇宙来自真空，那时宇宙的一切物质的正能量正好等于所有星系物质之间的引力相互作用能.由于引力势能是负能量，宇宙的总能量等于零，所以，不需要任何创造宇宙的能量.宇宙来自真空这一思想的主要困难，一直是如何解释宇宙中质子从何而来的问题.总之，宇宙创生的面貌已依稀可见. 对于宇宙的结局，目前没有一致意见.物理学家们认为，宇宙的结局要么无限冰冷，不然就是炽烈燃烧，一切化为灰烬.这主要决定于今后宇宙是不断膨胀下去呢，还是膨胀一段时间之后又开始收缩. 让我们以两代物理学家对宇宙的评述结束我们关于宇宙的讨论吧. 爱因斯坦说过；“宇宙间最不可理解的事物就是：宇宙是可以理解的.” 当代的大物理学家温伯格在他的名著《最初三分钟》一书中写道：“了解宇宙的努力是那些为数甚少的事物之一，这些事物使人类的生命从笑剧的水平提高一点，而赋予它一些悲剧的韵味.” w.w.w.k.s.5.u.c.o.m