地球科学概论Lect01_宇宙及太阳full.pdf

第 1 讲 宇宙及太阳系起源 申文斌，邓洪涛，徐新禹，罗佳 2014.4.22-24 1 目录 1. 宇宙是如何起源的 2. 太阳系是如何起源的 3. 宇宙中有多少种元素 4. 宇宙元素是如何起源的 5. 万有引力作用及万有引力常数G 2 1 宇宙是如何起源的？ 西方圣经：开始，上帝创造天地 【第一天， 上帝创造光；第二天，上帝创造水和水生物; 第三天，上帝创造陆地和植物; 第四天，上帝 创造日月星辰; 第五天，上帝创造各种动物; 第 六天，上帝创造人类；第7天，安息日】 东方易经（周易）：太极生两翼（阴阳）， 两翼生四象，四象生八卦，八卦生万物（八卦 图：伏羲受河图、洛书启示所画） 【道生一， 一生二，二生三，三生万物（老子）】 1 宇宙是如何起源的？ 牛顿（1687）：绝对时间和空间，空间呈现静止性、永 恒性和无限性 【绝对空间，就其本性而论与任何外界因素 无关，始终保持相似和不变】 奥伯斯佯谬（1826）：夜晚一片光明【每个方向都布满 恒星】 爱因斯坦（1917）：引入了宇宙常数项，以满足宇宙静 止性【最大错误】 1 宇宙是如何起源的？ 大爆炸说三大证据 哈勃膨胀（1929）：24个邻近星系远离我们而去，v=Hd 【光谱比 对，基于多普勒原理推断；H=50-80 (km/s)/Mpc. 距离我们1Mpc 的星系的 退行速度是50-80km/s. 哈勃的发现导致宇宙大爆炸学说（请推理） 1pc(秒 差距)=3*10E16 m 】 微波背景辐射：伽莫夫（1946？）：理论推演，如果宇 宙起源于大爆炸，则存在遗留的背景光子温度10K。彭齐亚 斯和威尔逊（1964 ）：发现3.5K 背景辐射。现代结果： 2.7K Hoyle and Tayler (1964): 大爆炸理论要求氦丰度为23- 25% 。实际测量值，普遍存在24%的氦丰度 2 太阳系是如何起源的？ 笛卡儿（R.Descartes，1644）在他的《哲学原理》一 书中提出了第一个太阳系起源的学说，他认为太阳、行星和 卫星是在宇宙物质涡流式的运动中形成的大小不同的旋涡里 形成的。 康德-拉普拉斯假说：由缓慢旋转的气体星云演化而来 【由于引力作用，逐渐收缩，旋转加快，甩出气体物质，形 成星云环；冷却聚结，形成行星，…;逐级进行，行星又产 生卫星，…】 难题1：太阳占太阳系总质量的99.9%, 但其角动量不到2% 难题2：假定角动量全部集中于太阳，在赤道方向的离心力只有引力的5% 左右，难以甩出物质 2 太阳系是如何起源的？ 解决方案1：角动量通过电磁力传递（Alfven ），但需要 非常强的太阳磁场【与观测不符】 解决方案2：原本就是分级环状气体星云 太阳及星云为何总是向一个方向旋转？【给出推理过程， 主要采用磁场、电离、洛伦兹力等概念】【申文斌（2013 ）：中性原 子的核子具有磁矩（磁场，假定磁力线从北极出，南极入），落向原子核的电子逆时针旋转；原 子产生的磁场是反向的（南极出，北极入）；粒子落向原子，粒子被电离，正电荷离原子更近， 受洛伦兹力较大，因此逆时钟旋转。以此类推】 【世界难题】 2 太阳系是如何起源的？ 地球位于水晶球中心, 球外有9个套层： 围绕地球转动的7个天层， 统称Plant； 第8层是恒星天层； 第9层是原动力层 2 太阳系是如何起源的？ C.Ptolemy补充了行星“均轮”和“本轮”轨道理论假说。 “原动力天层”使上帝成为推动宇宙运动的“第一推动力”。 这种宇宙结构符合人类的直觉印象，又符合人类中心说的 基督教义，一度成为中世纪欧洲维护神权统论的理论支柱。 2 太阳系是如何起源的？ 太阳系的发现 N.Copernicus(1473~1543) G.Bruno(1548-1600)