1、 第二讲第二讲 宇宙起源的探索宇宙起源的探索1 1同学们在学习同学们在学习科学科学之前，是否知道之前，是否知道宇宇宙宙是怎么来的吗？是怎么来的吗？有同学知道关于有同学知道关于宇宙起源宇宙起源的内容吗？的内容吗？2 2说到说到“宇宙的起源宇宙的起源”会有许多人认为会有许多人认为宇宙应该是浩瀚的，是无穷无尽的，怎宇宙应该是浩瀚的，是无穷无尽的，怎么可能有一个开端呢？么可能有一个开端呢？那么那么,你知道你知道科学家科学家是怎样研究是怎样研究宇宙宇宙的的起源起源吗？吗？3 3人类对于人类对于宇宙宇宙的认识是随着人类文明的的认识是随着人类文明的进步进步和和科学技科学技术术的发展而逐步的发展而逐步加深加深
2、的，并开始科学地探讨的，并开始科学地探讨宇宙的起宇宙的起源源。4 4美国美国天文学家天文学家爱德温爱德温哈勃哈勃(Edwin P.Hubble)(Edwin P.Hubble)（1889-19531889-1953）是研究）是研究现代宇宙理论最著名的人物之一，是现代宇宙理论最著名的人物之一，是河外天文学河外天文学的的奠基人奠基人。他发现了。他发现了银河系、外星系银河系、外星系的存在及的存在及宇宙的不断膨胀宇宙的不断膨胀，是提供宇宙膨胀实例证据，是提供宇宙膨胀实例证据的第一人。美国国家航空航天局（的第一人。美国国家航空航天局（NASANASA）发射空间望远镜时，为了纪）发射空间望远镜时，为了纪念
3、哈勃的丰功伟绩，命名为念哈勃的丰功伟绩，命名为“哈勃空间望远镜哈勃空间望远镜”。5 5 哈勃空间望远镜哈勃空间望远镜以光学与近红外观测为主以光学与近红外观测为主，哈勃空间望远镜哈勃空间望远镜长长13.313.3米，直径米，直径4.34.3米，米，重重11.611.6吨，造价近吨，造价近3030亿美元亿美元，于，于19901990年年4 4月月2525日由美国航天飞机送上高日由美国航天飞机送上高590590千米的太空千米的太空轨道。轨道。哈勃空间望远镜哈勃空间望远镜以时速以时速2.82.8万千米沿万千米沿寂静的太空轨道运行，默默地窥探着太空的寂静的太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密。秘密。6
4、6哈勃空间望远镜哈勃空间望远镜的位置在地球的大气层之上，因此获得了地的位置在地球的大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处基望远镜所没有的好处-影像不会受到大气湍流的扰动，视相影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。吸收的紫外线。哈勃空间望远镜哈勃空间望远镜是有史以来最大是有史以来最大、最精确的天文望远镜。其清晰、最精确的天文望远镜。其清晰度是地面天文望远镜的度是地面天文望远镜的1010倍倍以上以上，其观测能力能从，其观测能力能从1.61.6万千米外的万千米外的地方看到一只地方看到
5、一只萤火虫萤火虫。7 7康普顿伽玛射线天文台钱德拉X射线天文台哈勃空间望远镜斯皮策空间望远镜8 8 大家知道，在丈量宇宙星体之间距离的单位是大家知道，在丈量宇宙星体之间距离的单位是光年光年 1 1光年光年 =30=30万公里万公里/秒秒36003600秒秒 2424小时小时 365365天天 =94608 =94608亿公里亿公里 1010万万亿公里亿公里 （太阳到地球的距（太阳到地球的距 =8=8光分光分 =？公里？公里 ）（太阳到地球的距（太阳到地球的距 =30=30万公里万公里/秒秒8 8分分6060秒秒/分）分）=1.44=1.44亿公里（平均距离）亿公里（平均距离）9 9用太空望远镜
6、观察，用太空望远镜观察，银河系银河系的直径约的直径约1010万光年万光年，恒星如此恒星如此遥远遥远意味着我们每晚看到的银河星光都意味着我们每晚看到的银河星光都是恒星数万年前发出的光线。是恒星数万年前发出的光线。1010 除除银河系银河系外，还有数不清的外，还有数不清的河外星系河外星系，目前发现了的，目前发现了的约有约有100100亿个河外星系！亿个河外星系！1111在观察在观察恒星的运动恒星的运动中，恒星的中，恒星的横向横向的运动比较容易观的运动比较容易观察，可是怎么来观察恒星的察，可是怎么来观察恒星的径向径向运动呢？运动呢？（什么是星体的径向运动？）（什么是星体的径向运动？）1212在观察在
7、观察恒星的运动恒星的运动中，恒星的中，恒星的横向横向的运动比较容易观的运动比较容易观察，可是怎么来观察恒星的察，可是怎么来观察恒星的径向径向运动呢？运动呢？（什么是星（什么是星体的径向运动？）体的径向运动？）虽然可以根据虽然可以根据远暗近亮远暗近亮的原理来观察恒星的的原理来观察恒星的径向运动径向运动。但由于河外星系离我们太遥远，几乎观测不到亮度。但由于河外星系离我们太遥远，几乎观测不到亮度的变化。的变化。1313多普勒效应多普勒效应可以帮助我们观察到恒星的可以帮助我们观察到恒星的径径向向运动情况运动情况。哪位同学知道什么是：哪位同学知道什么是：多普勒效应多普勒效应？1414当我们站在铁路边，火
8、车鸣笛经过时，我们会当我们站在铁路边，火车鸣笛经过时，我们会先听到尖锐的声音，火车离我们远去时又听到先听到尖锐的声音，火车离我们远去时又听到低沉的声音。这是声波的波长在传播中由于声低沉的声音。这是声波的波长在传播中由于声源相对我们的运动而被压缩或拉伸的结果，叫源相对我们的运动而被压缩或拉伸的结果，叫多普勒效应多普勒效应。多普勒效应多普勒效应1515同样，光是一种同样，光是一种电磁波电磁波，当，当恒星恒星相对地球上的观察者相对地球上的观察者径向运动径向运动时，光时，光的的频率频率也会改变。也会改变。恒星如果向地球而来，则光的恒星如果向地球而来，则光的频率增大频率增大，波长变短，光的波长向，波长变
9、短，光的波长向短波短波移动，称为移动，称为蓝移蓝移。若恒星远离地球而去，则光的若恒星远离地球而去，则光的频率下降频率下降，波长变长，光的波长向长波，波长变长，光的波长向长波移动，称为移动，称为红移红移。这样，利用测量恒星光谱的这样，利用测量恒星光谱的蓝移蓝移或或红移红移量，我们就可以知道恒星的运量，我们就可以知道恒星的运动方向和速度了。动方向和速度了。光的多普勒效应：光的多普勒效应：1616下图为遥远的星系在下图为遥远的星系在可见光波段可见光波段的的光谱光谱离开我们而去的恒星发出的光线的光谱向红光光谱方向移动 频率减小，波长增加频率增大，波长减小1717根据根据光的多普勒效应光的多普勒效应推理
10、推理：如果如果宇宙宇宙是稳定的，恒星的运动应该是随机的，远离我们是稳定的，恒星的运动应该是随机的，远离我们的恒星数目和向我们而来的恒星数目应该差不多，也就是的恒星数目和向我们而来的恒星数目应该差不多，也就是说，观测到的发生说，观测到的发生蓝移蓝移和和红移红移的恒星数量应该差不多。的恒星数量应该差不多。科学家哈勃科学家哈勃的观测结果表明：的观测结果表明：绝大多数恒星都发生绝大多数恒星都发生红移红移，而且距离越远的恒星远离的速，而且距离越远的恒星远离的速度越快。这个发现非同小可，普遍的度越快。这个发现非同小可，普遍的红移红移表明周围的恒星表明周围的恒星都在都在离我们远去。离我们远去。1818所以，
11、所以，哈勃哈勃的发现告诉我们：所有星系都在远离的事的发现告诉我们：所有星系都在远离的事实表明，我们的宇宙实表明，我们的宇宙正在膨胀正在膨胀，而非原先以为宇宙是，而非原先以为宇宙是稳恒的。如果宇宙现在正在膨胀，那么沿时间回溯，稳恒的。如果宇宙现在正在膨胀，那么沿时间回溯，以前宇宙肯定比现在小，也肯定有那么一个时刻，宇以前宇宙肯定比现在小，也肯定有那么一个时刻，宇宙中所有东西都聚集在一起，也就是：宙中所有东西都聚集在一起，也就是：宇宙必然有个宇宙必然有个起点起点！那么，从星系退行的速度和星系间的距离可以反推宇那么，从星系退行的速度和星系间的距离可以反推宇宙的年龄大概为宙的年龄大概为140140亿年
12、亿年左右。左右。1919根据这一理论，宇宙演化过程起始于大约根据这一理论，宇宙演化过程起始于大约140140亿年亿年前，宇宙从前，宇宙从极端高温高密极端高温高密内的一个点起源，瞬间爆炸，随着体积的内的一个点起源，瞬间爆炸，随着体积的膨胀膨胀和温度得下降，以质子、中子等基本粒子形态存在的物质首和温度得下降，以质子、中子等基本粒子形态存在的物质首先结合成氘、氚、氦等较轻的元素，随后进一步先结合成氘、氚、氦等较轻的元素，随后进一步冷却冷却，形成，形成恒星恒星。在恒星内部合成碳、氧、硅、铁等更重的元素，再抛。在恒星内部合成碳、氧、硅、铁等更重的元素，再抛射到周围形成行星，最后在如射到周围形成行星，最后
13、在如地球地球这样条件适合的行星上这样条件适合的行星上演演化出生命化出生命，成为目前的宇宙。，成为目前的宇宙。2020 从从星系星系到到恒星恒星到到地球地球到到人类人类漫长的漫长的140140亿年，终于亿年，终于成就了今天的成就了今天的人类人类，人类人类是只有短短几百万年历史的生物是只有短短几百万年历史的生物种群。据最新考古发现，非洲有可能是最早出现种群。据最新考古发现，非洲有可能是最早出现人类人类痕迹痕迹的地方，但即使如此，与宇宙的历史相比，的地方，但即使如此，与宇宙的历史相比，人类人类也只不过也只不过是沧海一粟。是沧海一粟。2121对于对于宇宙的演化宇宙的演化，我们可以注意到，不只是宇宙空，
14、我们可以注意到，不只是宇宙空间的演化，还应包括宇宙所含内容的演化。如间的演化，还应包括宇宙所含内容的演化。如恒星恒星、行星行星以及各种以及各种天体天体的运动，地球上的运动，地球上各种生物种群各种生物种群的不断演化，分子、原子的运动，各种基本粒子的的不断演化，分子、原子的运动，各种基本粒子的产生与湮灭，我们日常生活中所能看到的各种运动产生与湮灭，我们日常生活中所能看到的各种运动与变化等等。与变化等等。2222通过以上内容，我们看到了通过以上内容，我们看到了科学家科学家是如何对是如何对天体天体进行进行观察观察和和研究的研究的。科学家利用光的。科学家利用光的多普勒效应多普勒效应，不仅解决了不仅解决了恒星恒星在径向运动时难以观察的问题在径向运动时难以观察的问题，还发现了，还发现了恒星恒星的的蓝移蓝移和和红移红移现象，并通过假设现象，并通过假设，得出宇宙正在膨胀的结论，反推出宇宙起源的，得出宇宙正在膨胀的结论，反推出宇宙起源的年限，推翻了原来关于宇宙永恒不变的说法，为年限，推翻了原来关于宇宙永恒不变的说法，为人类正确地认识自然，更好地了解我们生存的地人类正确地认识自然，更好地了解我们生存的地球奠定了基础。球奠定了基础。2323
