观代科学技术概论 主讲人:樊敏
主讲人：樊敏
当代自然科学币的重大基本问题 宇宙的起源与演化 ●地球的起源 ●生命的本质与智力的起源 ●宇宙的结构层次和物质的基本单元 ●韭线性科学
当代自然科学中的重大基本问题 宇宙的起源与演化 地球的起源 生命的本质与智力的起源 宇宙的结构层次和物质的基本单元 非线性科学
子由的起淚号潢化 大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性 是在有关宇宙膨胀 波背景辐射及各种轻元素的不同丰度 方面,而几乎所有的通常意义上的物质都是由这些轻元素组成的 始自大爆炸 宙将面临三种不同的命运 将由于自身引力作用而最终走向塌缩,开放的宇宙将永远膨胀下 也会永远胀下去,膨胀速度 不断减 永远不会达到静止 最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密 态,北数在棲篷袤为如巢失:于仅过 审就会拥有足够的质量也可以说是能量,从而靠其自身引力阻止 1,宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀,且会继续膨胀
1.宇宙的起源与演化 大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性，特 别是在 有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度等 方面，而几乎所有的通常意义上的 物质都是由这些轻元素组成的。 始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运：一个封闭的宇宙 将由于自身引力作用而最终走向塌缩，开放的宇宙将永远膨胀下 去，平直宇宙则介于二者之间，它也会永远膨胀下去，膨胀速度 不断减慢，但永远不会达到静止。 最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密 度，一个被宇宙学家称之为Ω的值。平直宇宙，处于准确的平衡 状态，其Ω值被定义为1。如果Ω大于1，哪怕仅超过一点点，宇 宙就会拥有足够的质量也可以说是能量，从而靠其自身引力阻止 膨胀的趋势，把所有的物质拣回到一个难以想象的奇点，如果Ω 小于1，宇宙正以快与其"逃逸速度"的速度在膨胀，且会继续膨胀 下去
●对于宇宙的极早期,我们知之甚少,虽然如此 现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理 学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇 宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸,/而非 次,不断地从以前形成的时空中产生出来, 每次大爆炸,宇宙都迅速涨大,并从产生它的 母体中分离,这个新的宇宙与其它宇宙相互隔 离并且是以其自有的方式演化。 对于我们存在的这个宇宙,对数时间轴有 确切的始点:10E-44秒,这个时间称为普 朗克时间,被认为是时间的量子单位,不能把 时间划分得比这儿再小了,正如一种基本粒子 电子不能再分割成更小的成分一样
对于宇宙的极早期，我们知之甚少，虽然如此， 现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理 学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇 宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸，而非 一次，不断地从以前形成的时空中产生出来， 每次大爆炸，宇宙都迅速涨大，并从产生它的 母体中分离，这个新的宇宙与其它宇宙相互隔 离并且是以其自有的方式演化。 对于我们存在的这个宇宙，对数时间轴有 一个确切的始点：10E-44秒，这个时间称为普 朗克时间，被认为是时间的量子单位，不能把 时间划分得比这儿再小了，正如一种基本粒子 电子不能再分割成更小的成分一样
●根据现有理论,时间轴上下一个重要的事件于发生 10E7量级之后,即10E37秒的时候,在此时新生的 宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量f场 使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时,产生了非 小的密度起伏,否则这个微小寂寞的宇宙将充满光 滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨 胀而保留了下来。他们以后便成为了我们现在所看到 的星系、星系团和大尺度绩构的种子。在10E-32秒的 时候,这样的暴涨停止了,随后宇宙膨胀的步子温和 多了 这里要提醒大家注意的是:暴胀理论预言的宇宙Ω0等 于1,至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使 这种理论能产生出开放的宇宙来
根据现有理论，时间轴上下一个重要的事件于发生于 10E-7量级之后，即10E-37秒的时候，在此时新生的 宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量子场 使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时，产生了非 常小的密度起伏，否则这个微小寂寞的宇宙将充满光 滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨 胀而保留了下来。他们以后便成为了我们现在所看到 的星系、星系团和大尺度结构的种子。在10E-32秒的 时候，这样的暴涨停止了，随后宇宙膨胀的步子温和 多了。 这里要提醒大家注意的是：暴胀理论预言的宇宙Ω0等 于1，至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使 这种理论能产生出开放的宇宙来
●辐射为主的时代 不断冷却且不断膨胀的时代持续了10E43个数量级,直至 宇宙的年龄为一万年,在这段时间里,宇宙中除了光滑单一的辐 射海洋外,几乎无所有,我们熟悉的夫体,如恒星和星系,现 在还没有诞 在一辐射为主的时代中,许多重要的时间奠定了我们现在所知宇 宙的性质,例如:复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍 反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留 的一些正物质使形成了我们知道的这个字宙 大爆炸后数分钟时,冷却的物质开始形成轻元素的核,包括 氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度 原物质的成分计算结東与我们实际所观测到的宇宙中最古老的 物质的成分是相等的。 断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时,辐射为主的 时代结東了
辐射为主的时代 下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了10E43个数量级，直至 宇宙的年龄为一万年，在这段时间里，宇宙中除了光滑单一的辐 射海洋外，几乎一无所有，我们熟悉的天体，如恒星和星系，现 在还没有诞生。 在一辐射为主的时代中，许多重要的时间奠定了我们现在所知宇 宙的性质，例如：复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍稍 多了一点。反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留下来 的一些正物质便形成了我们知道的这个宇宙。 大爆炸后数分钟时，冷却的物质开始形成轻元素的核，包括 氢、氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度、 压强和密度已经开始适用。因此我们可以准确地计算所应产生的 原物质的成分。计算结果与我们实际所观测到的宇宙中最古老的 物质的成分是相等的。 当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时，辐射为主的 时代结束了
●恒星时代 恒星时代意味着这是一个"充满恒星"的时代,在该 时代中,宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星 核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就 在恒星时代中期。 第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候 虽然这类属于"星族Ⅲ"的恒星到目前还没被证实 在随后的几十亿年间,最初的星系开始出现,并逐渐 形成星系团、超大星系团和大尺度结构。在很多星系 内部,恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的 星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程 黑洞会把魔爪的恒星撕裂,并把它们变成由热气体组 成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中,大多数 的类星体和活动星系核逐渐死去。我 太阻和太阳 系形成得梢晚,天约在45亿年前,这时锒河系已经存 在了相当长的一段时间了
恒星时代 恒星时代意味着这是一个"充满恒星"的时代，在该 时代中，宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星的 核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就 生活在恒星时代中期。 第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候 （虽然这类属于"星族Ⅲ"的恒星到目前还没被证实）。 在随后的几十亿年间，最初的星系开始出现，并逐渐 形成星系团、超大星系团和大尺度结构。在很多星系 内部，恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的 星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程。 黑洞会把魔爪的恒星撕裂，并把它们变成由热气体组 成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中，大多数 的类星体和活动星系核逐渐死去。我们的太阳和太阳 系形成得稍晚，大约在45亿年前，这时银河系已经存 在了相当长的一段时间了
●在我们太阳系演化的过程中,不能不提的 事件是当太阳耗尽其氡燃料后,重新调整自身 结构并形成颗红巨星。计算机模拟结果表明 太阳表面将会令人伤心地膨胀到几乎足以吞没 我们的地球,强大的热量将使地壳熔化,毁灭 所有曾经存在于这个行星表面的生物和文明留 的证据。 然而,地球也在以各种可能的方式脱离这场灾 难。成为红巨星的太阳将以很强的太阳风的形 式抛弃大量物质。随着胀大的太阳把它的物质 丟弃在太空,地球的轨道也会逐渐扩展 到一个稍安全些的地方,也许会变得和目前火 星轨道大小差不多
在我们太阳系演化的过程中，不能不提的一个 事件是当太阳耗尽其氢燃料后，重新调整自身 结构并形成一颗红巨星。计算机模拟结果表明 太阳表面将会令人伤心地膨胀到几乎足以吞没 我们的地球，强大的热量将使地壳熔化，毁灭 所有曾经存在于这个行星表面的生物和文明留 下的证据。 然而，地球也在以各种可能的方式脱离这场灾 难。成为红巨星的太阳将以很强的太阳风的形 式抛弃大量物质。随着胀大的太阳把它的物质 丢弃在太空，地球的轨道也会逐渐扩展一些， 到一个稍安全些的地方，也许会变得和目前火 星轨道大小差不多
2地球的起源 地球起源问题是同太阳系的起源紧密相联系的,因此 探讨地球的起源问题,首先了解目前太阳系的三个主 要特征是必要的。概括起来说,它 1.太阳系中的九大行星,都按反时针方向绕太阳公 太阳本身也以同一方向自转,这个特征称为太阳 系天体运动的同向性 2.上述行星绕太阳公转的轨道面,非常接近于同 面,并且这个平面与太阳自转赤道面的夹角也不到 6°,这个特征称为行星轨道运动的共面 3.除水星和冥王星外,其它所有行星的绕日公转轨 道都很接近于圆轨道。这个特征称为行星轨道运动的 近圆
2.地球的起源 地球起源问题是同太阳系的起源紧密相联系的，因此 探讨地球的起源问题，首先了解目前太阳系的三个主 要特征是必要的。概括起来说，它们是： 1．太阳系中的九大行星，都按反时针方向绕太阳公 转。太阳本身也以同一方向自转，这个特征称为太阳 系天体运动的同向性。 2．上述行星绕太阳公转的轨道面，非常接近于同一 平面，并且这个平面与太阳自转赤道面的夹角也不到 6°，这个特征称为行星轨道运动的共面性。 3．除水星和冥王星外，其它所有行星的绕日公转轨 道都很接近于圆轨道。这个特征称为行星轨道运动的 近圆性
关于地球的起源问题,已有相当长的探 讨历史了。在古代,人们就曾探讨了包 括地球在内的天地万物的形成问题,在 此期间,逐渐形成了关于天地万物起源 的"创世说"。其中流传最广的要算是《圣 经》中的创世说。在人类历史上,创世 说曾在相当长的一段时期内占据了统治 地位
关于地球的起源问题，已有相当长的探 讨历史了。在古代，人们就曾探讨了包 括地球在内的天地万物的形成问题，在 此期间，逐渐形成了关于天地万物起源 的"创世说"。其中流传最广的要算是《圣 经》中的创世说。在人类历史上，创世 说曾在相当长的一段时期内占据了统治 地位