1、1公共选修课公共选修课现代物理概论现代物理概论 第二讲 宇宙、地球、生命的起源与演化宇宙、地球、生命的起源与演化234567第一节第一节 宇宙概观，宇宙的起源与演化宇宙概观，宇宙的起源与演化宇宙宇宙:泛指天地万物泛指天地万物.中文宇指空间中文宇指空间,宙指时间宙指时间.在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为为100100亿至亿至150150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍
2、然是个新生儿，人生历程才刚刚开始，宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢！历程才刚刚开始，宇宙自身许多的神奇故事还没有上演呢！在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约1111亿年以亿年以后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命的存在而变得一片荒凉。的存在而变得一片荒凉。7070亿年以后，它将成为一个庞大的红巨亿年以后，它将成为一个庞大的红巨星。接着在随后的几亿年的时间里
3、，它将耗尽自己的核能，外壳星。接着在随后的几亿年的时间里，它将耗尽自己的核能，外壳变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。8这些严肃的事实让人不禁会问，是不是天上所有的星星都有一这些严肃的事实让人不禁会问，是不是天上所有的星星都有一天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又灭天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又灭有更多的产生出来？如果所有的星都已逝去了，宇宙中将会发有更多的产生出来？如果所有的星都已逝去了，宇宙中将会发生什么事情？生命会在以个无星的环境中存在吗？生命是否还生什么事情？生命会在以个无
4、星的环境中存在吗？生命是否还有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题：有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题：宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没有？有？以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇宙猛烈的攻击始于宙猛烈的攻击始于19691969年年Martin ReesMartin Rees（现在是英国皇家天文（现在是英国皇家天文
5、学家）的一篇开创性的文章。而后，学家）的一篇开创性的文章。而后，IamalIamal Islam Islam 和和Freeman Freeman DysonDyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。在此，根据在此，根据Rees,Islam,Dyson Rees,Islam,Dyson 的理论以及现在人类对的理论以及现在人类对物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图象。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样，象。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样，随着天文学和物
6、理学的发展，这些描述同样也会被重写。随着天文学和物理学的发展，这些描述同样也会被重写。9一个开放的宇宙一个开放的宇宙 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物质都是由这些轻元素组成的。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
7、宙将永远膨胀下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。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度，一个被宇宙学家称之为的值。平直宇宙，处于准确的平衡的值。平直宇宙，处于准确的平衡状态，其状态，其值被定义为值被定义为1 1。如果。如果大于大于1 1，哪怕仅超过一点点，宇，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
8、，从而靠其自身引力阻止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，如果小于小于1 1，宇宙正以快与其，宇宙正以快与其 逃逸速度逃逸速度 的速度在膨胀，且会继续膨的速度在膨胀，且会继续膨胀下去。胀下去。10我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明在在0.20.2至至0.30.3之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于
9、之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于等于等于1 1。但 不 论 观 测 还 是 理 论 都 没 有 得 出 过 大 于但 不 论 观 测 还 是 理 论 都 没 有 得 出 过 大 于 1 1 的 结 论。的 结 论。如果如果小于或等于小于或等于1 1，那么宇宙将回存活足够长的时间以允许许，那么宇宙将回存活足够长的时间以允许许多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以持续到无穷的时间。持续到无穷的时间。
10、暴胀时代暴胀时代 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。答案归咎于大爆炸。大爆炸宇宙学模型：大爆炸宇宙学模型：19481948年，伽莫夫等在美国年，伽莫夫等在美国物理评论物理评论杂志上发表了关于大爆炸杂志上发表了关于大爆炸宇宙学模型的文章：提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大，宇宙学模型的文章：提出宇宙是由甚早期温度极高且密度极大，体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷、由密到稀，体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷、由密到稀，不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸不断膨胀的
11、过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸11根据这一学说，在宇宙的最早期，即距今大约根据这一学说，在宇宙的最早期，即距今大约150150亿年前，今天亿年前，今天所观测到的全部物质世界统统都集中在一个很小的范围内，温所观测到的全部物质世界统统都集中在一个很小的范围内，温度极高，密度极大大爆炸开始后度极高，密度极大大爆炸开始后0.010.01秒，宇宙的温度约为秒，宇宙的温度约为10001000亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子(如光子、电子或中如光子、电子或中微子微子)，而质子和中子只占十亿分之一所有这些粒子都处于热，而质子和中子只占十亿分之一所有这些粒子都处于热平
12、衡状态由于整个体系在快速膨胀，因此温度很快下降大平衡状态由于整个体系在快速膨胀，因此温度很快下降大爆炸后爆炸后0.10.1秒，温度下降到秒，温度下降到300300亿摄氏度，中子与质子之比从原亿摄氏度，中子与质子之比从原来的来的1 1下降到下降到0 061611 1秒钟后，温度已下降到秒钟后，温度已下降到100100亿摄氏度随亿摄氏度随着密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃着密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃逸电子棗正电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一逸电子棗正电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一步下降到步下降到0.30.3但这时温度还太高，核子仍不足以把
13、中子和质子但这时温度还太高，核子仍不足以把中子和质子束缚在一起大爆炸后束缚在一起大爆炸后13.813.8秒，宇宙温度下降到秒，宇宙温度下降到3030亿摄氏亿摄氏度这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核化度这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核化学元素从这时候开始形成学元素从这时候开始形成 3535分钟后，宇宙温度进一步下降到分钟后，宇宙温度进一步下降到3 3亿摄氏度，核形成停止亿摄氏度，核形成停止了氦和自由质子的质量之比大致保持在了氦和自由质子的质量之比大致保持在0.220.220.280.28这一范围这一范围内由于温度还很高，质子仍不能和电子结合起来形成中性原内由于温度还很高
14、，质子仍不能和电子结合起来形成中性原12子中性原子大约是在大爆炸发生后子中性原子大约是在大爆炸发生后3030万年才开始形成的，这万年才开始形成的，这时的温度已降到时的温度已降到3 0003 000摄氏度，化学结合作用已足以将绝大部分摄氏度，化学结合作用已足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子中到这一阶段，宇宙的主要成份是自由电子束缚在中性原子中到这一阶段，宇宙的主要成份是气态物质，随着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度较气态物质，随着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度较高的气体云，到高的气体云，到109109年后，进一步形成各种星系，年后，进一步形成各种星系，10101010年形成恒年形
15、成恒星系统这些恒星系统又经历了漫长的演化，才形成了我们今星系统这些恒星系统又经历了漫长的演化，才形成了我们今天所看到的宇宙天所看到的宇宙大爆炸宇宙学模型发展至今，特别是关于轻元素丰度的解释和大爆炸宇宙学模型发展至今，特别是关于轻元素丰度的解释和微波背景辐射的测量，说明大爆炸宇宙学模型正在走向成微波背景辐射的测量，说明大爆炸宇宙学模型正在走向成熟但这并不能说明该理论无可挑剔相反，大爆炸理论存在熟但这并不能说明该理论无可挑剔相反，大爆炸理论存在诸多包括视界问题、平坦性问题诸多包括视界问题、平坦性问题(现已被暴涨理论所解释现已被暴涨理论所解释)、奇、奇性问题、磁单极子问题、重子不对称问题、暗物质问题
16、和宇宙性问题、磁单极子问题、重子不对称问题、暗物质问题和宇宙常数等困难，这些有待于进一步研究相信对这些问题的不断常数等困难，这些有待于进一步研究相信对这些问题的不断解决，必将进一步完善大爆炸宇宙学模型解决，必将进一步完善大爆炸宇宙学模型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，并从产成的时空中产生出来，每次大爆炸，宇宙都迅速涨大，并从产13生它的母体中分离，这个新的宇宙与其它
17、宇宙相互隔离并且是生它的母体中分离，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。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：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-4410E-44秒，这个时间称为普朗克时间，被认为是时间的量子单秒，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。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于根据现有理论，时间轴上下一个重要的事件于发生于10E-
18、710E-7量级量级之后，即之后，即10E-3710E-37秒的时候，在此时新生的宇宙具有难以置信的秒的时候，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。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、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
19、种子。在星系团和大尺度结构的种子。在10E-3210E-32秒的时候，这样的暴涨秒的时候，这样的暴涨停止了，随后宇宙膨胀的步子温和多了。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这里要提醒大家注意的是：暴胀理论预言的宇宙00等于等于1 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。生出开放的宇宙来。14辐射为主的时代辐射为主的时代 下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了10E4310E43个数量级，个数量级，直至宇宙的年龄为一万年，在这段时间
20、里，宇宙中除了光滑单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。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。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。残留下
21、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。中最古老的物质的成分是相等的。15当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时，辐射为主当不断减少的辐射
22、能量密度低于物质的能量密度时，辐射为主的时代结束了。的时代结束了。以上情况不久，另一有划时代意义的事件便发生了。在宇以上情况不久，另一有划时代意义的事件便发生了。在宇宙年龄为宙年龄为3030万年时，宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原万年时，宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原子（特别是氢原子）得以形成并保持下来的程度。在此之前，子（特别是氢原子）得以形成并保持下来的程度。在此之前，温度太高了，即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为温度太高了，即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称为“复复
23、合时期合时期”。这个过程很重要，因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出这个过程很重要，因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出来，还之以透明。在此之前，宇宙是不透明的辐射不断地与物来，还之以透明。在此之前，宇宙是不透明的辐射不断地与物质粒子相互作用。由于气体氢是透明的，所以这时的辐射可以质粒子相互作用。由于气体氢是透明的，所以这时的辐射可以自由飞翔了。首次一自由光的形式传播。今天我们观测到的微自由飞翔了。首次一自由光的形式传播。今天我们观测到的微波背景辐射就是复合时期遣留下来的。由于其强度大大减弱，波背景辐射就是复合时期遣留下来的。由于其强度大大减弱，该辐射已经产生了很大的红移。该辐射已经产生了很大的红
24、移。由此开始，那些没有被漫步宇宙的辐射之海所平滑掉的物由此开始，那些没有被漫步宇宙的辐射之海所平滑掉的物质密度的起伏开始产生结构，我们熟悉的天体，像恒星和星系质密度的起伏开始产生结构，我们熟悉的天体，像恒星和星系开始形成。开始形成。16恒星时代恒星时代 恒星时代意味着这是一个恒星时代意味着这是一个 充满恒星充满恒星 的时代，在该时代中，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。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
25、年历史的时候（虽然这第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候（虽然这类属于类属于 星族星族的恒星到目前还没被证实）。在随后的几十亿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烈过程。黑洞会把魔爪的恒星撕裂，并把它们变成由
26、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，大约在约在4545亿年前，这时银河系已经存在了相当长的一段时间了。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，不能不提的一个事件是当太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算
27、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17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。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
28、和目前火星轨道大小差不多。安全些的地方，也许会变得和目前火星轨道大小差不多。与此同时，在更大的尺度上，星系之间的碰撞和合并也在继与此同时，在更大的尺度上，星系之间的碰撞和合并也在继续，然而这对星系中的单个恒星或行星并没有多少影响。据估计，续，然而这对星系中的单个恒星或行星并没有多少影响。据估计，6060亿年后，我们的银河系将与亿年后，我们的银河系将与M31M31，即仙女座大星云产生相互作，即仙女座大星云产生相互作用，即使那次不会合并，在更久远的未来这种命运也是难以逃脱用，即使那次不会合并，在更久远的未来这种命运也是难以逃脱的。这两个星系是很明显地由引力作用束缚在一起的一对儿，两的。这两个星系是
29、很明显地由引力作用束缚在一起的一对儿，两者合并为一个更大的系统仅是一个时间问题。者合并为一个更大的系统仅是一个时间问题。对很多存在与星系团中的星系来说，相似的命运在等待着它对很多存在与星系团中的星系来说，相似的命运在等待着它们。在以后几个宇宙时代里，当时间以太年（即们。在以后几个宇宙时代里，当时间以太年（即10E1210E12年）来计年）来计算时，星系团也将合并，并让位于更大的不定型的类星系系统，算时，星系团也将合并，并让位于更大的不定型的类星系系统，在一些富星系团中，这样的过程已经开始上演了。在一些富星系团中，这样的过程已经开始上演了。18随着恒星时代的继续，一个关键性的角色将落到一类最不起
30、眼、随着恒星时代的继续，一个关键性的角色将落到一类最不起眼、最通常的星体上，这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量最通常的星体上，这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量的一半，但由于其数量庞大，它们的总质量很容易就超过其他的一半，但由于其数量庞大，它们的总质量很容易就超过其他星体质量的总和。尤其需指出的是，这些红矮星在把他们的氢星体质量的总和。尤其需指出的是，这些红矮星在把他们的氢燃烧成氢的过程中，可是真正的吝啬鬼。它们节省着自己的燃燃烧成氢的过程中，可是真正的吝啬鬼。它们节省着自己的燃烧，以至于在九太年之后它们中的最节俭的成员还在闪闪发光。烧，以至于在九太年之后它们中的最节俭的成员还在闪闪发
31、光。到那时，所有大一些的星都早已燃尽而变成象冰冷的白矮星这到那时，所有大一些的星都早已燃尽而变成象冰冷的白矮星这样的残渣或者以超新星的形式炸毁了。红矮星的长期演化与太样的残渣或者以超新星的形式炸毁了。红矮星的长期演化与太阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧成氦的过程中，其亮度和温度都增加得非常缓慢，而不是很快成氦的过程中，其亮度和温度都增加得非常缓慢，而不是很快膨胀并变成红巨星。一个很有趣的巧合：一个膨胀并变成红巨星。一个很有趣的巧合：一个0.20.2太阳质量的恒太阳质量的恒星将经历一个相对平淡的人生，直到将近生命的尽头。
32、在这期星将经历一个相对平淡的人生，直到将近生命的尽头。在这期间，它的大小、温度、光度都几乎不变，其数值与今天的太阳间，它的大小、温度、光度都几乎不变，其数值与今天的太阳差不多。差不多。小质量星将在遥远的未来经历长时间的逐渐加热过程。在以后小质量星将在遥远的未来经历长时间的逐渐加热过程。在以后的某阶段，它们将比现在这种虚弱状态明亮得多。这也许需要的某阶段，它们将比现在这种虚弱状态明亮得多。这也许需要几十亿年的时间，比如，一个几十亿年的时间，比如，一个0.160.16太阳质量的恒星在以后太阳质量的恒星在以后5555亿亿19年期间，其亮度将从现在太阳亮度的年期间，其亮度将从现在太阳亮度的10%10%
33、增加到增加到25%25%，这段时间已，这段时间已足够在所有合适的行星上产生生命，比如我们的地球。在此之前，足够在所有合适的行星上产生生命，比如我们的地球。在此之前，这些行星将在寒冷的状况下呻吟，以为这需要最小的恒星花几太这些行星将在寒冷的状况下呻吟，以为这需要最小的恒星花几太亿年的时间在低温的主序阶段缓慢的进化。我们大胆地设想假如亿年的时间在低温的主序阶段缓慢的进化。我们大胆地设想假如我们能达到这样一个遥远的未来中的行星，我们会发现一个和现我们能达到这样一个遥远的未来中的行星，我们会发现一个和现在地球差不多的世界被照耀在阳光下，但那时的夜晚的空间将是在地球差不多的世界被照耀在阳光下，但那时的夜
34、晚的空间将是一片空白，好象没有一颗星。一片空白，好象没有一颗星。最后，即使是最小质量的红矮星也燃尽了它的氢，而一低质最后，即使是最小质量的红矮星也燃尽了它的氢，而一低质量的白矮星的形式结束它的生命。今天处于主序最低层的星，其量的白矮星的形式结束它的生命。今天处于主序最低层的星，其质量仅有太阳的百分之八，它的主序阶段将持续质量仅有太阳的百分之八，它的主序阶段将持续1010太年，而以后太年，而以后又该如何呢？又该如何呢？一个星系只要它能不断地得到星际气体这种原料，它就能维一个星系只要它能不断地得到星际气体这种原料，它就能维持星系内恒星的不断产生，随着恒星时代星风的减弱，恒星形成持星系内恒星的不断产
35、生，随着恒星时代星风的减弱，恒星形成率也在不断下降。虽然这种趋势相当缓慢，率也在不断下降。虽然这种趋势相当缓慢，1010太年到太年到100100太年之太年之后（这段时间相当于最长寿命的恒星的生命期），宇宙中的氢将后（这段时间相当于最长寿命的恒星的生命期），宇宙中的氢将耗尽，普通恒星的形成过程也永远不会再有了。耗尽，普通恒星的形成过程也永远不会再有了。20最后阶段产生的恒星们将是经历过许多代恒星演化循环的气体最后阶段产生的恒星们将是经历过许多代恒星演化循环的气体聚合而成的。因此，在这些后天恒星中，比氢和氦中的元素的聚合而成的。因此，在这些后天恒星中，比氢和氦中的元素的含量会很高。当氧在恒星混合物
36、中的含量足够高时，具有含量会很高。当氧在恒星混合物中的含量足够高时，具有0.040.04个太阳质量的天体会在它的上层大气中形成厚厚的冰云，从而个太阳质量的天体会在它的上层大气中形成厚厚的冰云，从而停止自身的收缩。核心因微量的核聚变而产生的热与从表面散停止自身的收缩。核心因微量的核聚变而产生的热与从表面散失的能量保持平衡，使云层保持温热。这是些很怪异却真的很失的能量保持平衡，使云层保持温热。这是些很怪异却真的很冷具有冰大气的天体。冷具有冰大气的天体。当最后一颗红矮星也暗淡后，恒星时代也就结束了，这时宇宙当最后一颗红矮星也暗淡后，恒星时代也就结束了，这时宇宙的年龄大约是的年龄大约是10E1410E
37、14年，天空中已没有一颗闪亮的恒星了。年，天空中已没有一颗闪亮的恒星了。21第二节第二节 地球的起源与演化地球的起源与演化 关于太阳系的起源的学说已有关于太阳系的起源的学说已有4040多种。本世纪初期迅速流行多种。本世纪初期迅速流行起来的灾变说，是对康德拉普拉斯星云说的挑战；本世纪中期起来的灾变说，是对康德拉普拉斯星云说的挑战；本世纪中期兴起的新的星云说，是在康德拉普拉斯学说基础上建立起来的兴起的新的星云说，是在康德拉普拉斯学说基础上建立起来的更加完善的解释太阳系起源的学说。人们对地球和太阳系起源的更加完善的解释太阳系起源的学说。人们对地球和太阳系起源的认识也是在这种曲折的发展过程中得以深化的
38、。认识也是在这种曲折的发展过程中得以深化的。地球起源问题自地球起源问题自1818世纪中叶以来同样存在多种学说。目前较流行世纪中叶以来同样存在多种学说。目前较流行的看法是，大约在的看法是，大约在4646亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。原始地球一旦形温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。原始地球一旦形成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当
39、原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质质-能量交换的演化历史。能量交换的演化历史。22形成原始地球的物质主要是上述星云盘的原始物质，其组成主形成原始地球的物质主要是上述星云
40、盘的原始物质，其组成主要是氢和氦，它们约占总质量的要是氢和氦，它们约占总质量的9898。此外，还有固体尘埃和。此外，还有固体尘埃和太阳早期收缩演化阶段抛出的物质。在地球的形成过程中，由太阳早期收缩演化阶段抛出的物质。在地球的形成过程中，由于物质的分化作用，不断有轻物质随氢和氦等挥发性物质分离于物质的分化作用，不断有轻物质随氢和氦等挥发性物质分离出来，并被太阳光压和太阳抛出的物质带到太阳系的外部，因出来，并被太阳光压和太阳抛出的物质带到太阳系的外部，因此，只有重物质或土物质凝聚起来逐渐形成了原始的地球，并此，只有重物质或土物质凝聚起来逐渐形成了原始的地球，并演化为今天的地球。水星、金星和火星与地
41、球一样，由于距离演化为今天的地球。水星、金星和火星与地球一样，由于距离太阳较近，可能有类似的形成方式，它们保留了较多的重物质；太阳较近，可能有类似的形成方式，它们保留了较多的重物质；而木星、土星等外行星，由于离太阳较远，至今还保留着较多而木星、土星等外行星，由于离太阳较远，至今还保留着较多的轻物质。关于形成原始地球的方式，尽管还存在很大的推测的轻物质。关于形成原始地球的方式，尽管还存在很大的推测性，但大部分研究者的看法与戴文赛先生的结论一致，即在上性，但大部分研究者的看法与戴文赛先生的结论一致，即在上述星云盘形成之后，由于引力的作用和引力的不稳定性，星云述星云盘形成之后，由于引力的作用和引力的
42、不稳定性，星云盘内的物质，包括尘埃层，因碰撞吸积，形成许多原小行星或盘内的物质，包括尘埃层，因碰撞吸积，形成许多原小行星或称为星子，又经过逐渐演化，聚成行星，地球亦就在其中称为星子，又经过逐渐演化，聚成行星，地球亦就在其中23诞生了。根据估计，地球的形成所需时间约为诞生了。根据估计，地球的形成所需时间约为1 1千万年至千万年至1 1亿年，亿年，离太阳较近的行星（类地行星），形成时间较短，离太阳越远离太阳较近的行星（类地行星），形成时间较短，离太阳越远的行星，形成时间越长，甚至可达数亿年。的行星，形成时间越长，甚至可达数亿年。至于原始的地球到底是高温的还是低温的，科学家们也有不同至于原始的地球到
43、底是高温的还是低温的，科学家们也有不同的说法。从古老的地球起源学说出发，大多数人曾相信地球起的说法。从古老的地球起源学说出发，大多数人曾相信地球起初是一个熔融体，经过几十亿年的地质演化历程，至今地球仍初是一个熔融体，经过几十亿年的地质演化历程，至今地球仍保持着它的热量。现代研究的结果比较倾向地球低温起源的学保持着它的热量。现代研究的结果比较倾向地球低温起源的学说。地球的早期状态究竟是高温的还是低温的，目前还存在着说。地球的早期状态究竟是高温的还是低温的，目前还存在着争论。然而无论是高温起源说还是低温起源说，地球总体上经争论。然而无论是高温起源说还是低温起源说，地球总体上经历了一个由热变冷的阶段
44、，由于地球内部又含有热源，因此这历了一个由热变冷的阶段，由于地球内部又含有热源，因此这种变冷过程是极其缓慢的，直到今天地球仍处于继续变冷的过种变冷过程是极其缓慢的，直到今天地球仍处于继续变冷的过程中。程中。24地球的历史有地球的历史有4646亿年。如果把这亿年。如果把这4646亿年比作人类的亿年比作人类的1 1年，年，那么，在这一那么，在这一“年年”中，地球形成于中，地球形成于1 1月，地壳于月，地壳于2 2月月凝结，原古海洋在凝结，原古海洋在3 3月产生；最早的生命诞生于月产生；最早的生命诞生于4 4月，月，留下化石则已是留下化石则已是5 5月间了；月间了；1212月月“中旬中旬”时，恐龙成
45、为时，恐龙成为当月的主宰；而灵长类的足迹晚至当月的主宰；而灵长类的足迹晚至1212月月2626日才开始出日才开始出现；作为一代天骄的人的历史，如以现；作为一代天骄的人的历史，如以300300百万年计，则百万年计，则直到这一直到这一“年年”的的1212月月3131日日“下午下午”的的6“6“点点”24“24“分分”，方才姗姗来迟。但却恰好赶在，方才姗姗来迟。但却恰好赶在“除除夕夕”之日的之日的新闻联播新闻联播之前，成为这一之前，成为这一“年年”内最内最具爆炸性的新闻。具爆炸性的新闻。25第三节第三节 生命的起源生命的起源关于生命起源的几个假说：关于生命起源的几个假说：1 1特创论（或神造说）。这
46、一假说认为，现在地球上的各种生特创论（或神造说）。这一假说认为，现在地球上的各种生物都是由神创造出来的，生命是上带或神按照一定的目的，一物都是由神创造出来的，生命是上带或神按照一定的目的，一次性地创造出来的。这一假说极为简单地把生命的起源推到了次性地创造出来的。这一假说极为简单地把生命的起源推到了一个不可知、也无法证明的上帝和神的身上，这是在有科学之一个不可知、也无法证明的上帝和神的身上，这是在有科学之前，由于人类的愚昧无知而提出的。这一假说把生命起源的问前，由于人类的愚昧无知而提出的。这一假说把生命起源的问题，划归神学的范围，因而是极不科学的。题，划归神学的范围，因而是极不科学的。2 2自生
47、论（或自然发生说）。这一假说是很多人根据一些错误自生论（或自然发生说）。这一假说是很多人根据一些错误的观察而提出的，认为生命是自然而然地由非生命物质产生的，的观察而提出的，认为生命是自然而然地由非生命物质产生的，而且是从非生命物质中突然产生出来。例如，中国古代有而且是从非生命物质中突然产生出来。例如，中国古代有“腐腐革化萤革化萤”、“朽木化蝉朽木化蝉”、“白石化羊白石化羊”等说法；希腊有等说法；希腊有“泥泥土变鱼土变鱼”的传说；的传说；1717世纪欧洲有世纪欧洲有“腐肉生蛆腐肉生蛆”的说法等。这一的说法等。这一假说本来出自原始社会人类的自然观，认为生命来自非生命物假说本来出自原始社会人类的自然
48、观，认为生命来自非生命物质，具有朴素的唯物主义因素，但因为是观察粗糙、错误而得质，具有朴素的唯物主义因素，但因为是观察粗糙、错误而得出的结论，所以这一假说实际上又否认了生物与非生物之间的出的结论，所以这一假说实际上又否认了生物与非生物之间的转化条件，因而否认了生物与非生物之间的界限。转化条件，因而否认了生物与非生物之间的界限。263 3生源论（或生生说）。法国微生物学家巴斯德用一系列实验生源论（或生生说）。法国微生物学家巴斯德用一系列实验证明了，生命是不可能自然发生的，生命只能由同类生物通过繁证明了，生命是不可能自然发生的，生命只能由同类生物通过繁殖而产生。这一假说虽然证明了殖而产生。这一假说
49、虽然证明了“自生论自生论”是错误的，但又否认是错误的，但又否认了非生物转化为生物的可能性，从而否认了生物与非生物之间的了非生物转化为生物的可能性，从而否认了生物与非生物之间的联系。按这一假说的看法，生命不能自然发生，只能以繁殖的方联系。按这一假说的看法，生命不能自然发生，只能以繁殖的方式产生，那么地球上最初的生命又是怎样产生的呢？这一假说是式产生，那么地球上最初的生命又是怎样产生的呢？这一假说是无法解释的。无法解释的。4 4宇宙生命论（或泛生说）。这一假说提倡宇宙生命论（或泛生说）。这一假说提倡“一切生命来自生一切生命来自生命命”的观点，认为地球上最初的生命来自宇宙间的其他星球，即的观点，认为
50、地球上最初的生命来自宇宙间的其他星球，即“地上生命，天外飞来地上生命，天外飞来”。这一假说认为，宇宙太空中的。这一假说认为，宇宙太空中的“生命生命胚种胚种”可以随着陨石或其他途径跌落在地球表面，即成为最初的可以随着陨石或其他途径跌落在地球表面，即成为最初的生命起点。现代科学研究表明，在已发现的星球上，自然状况下生命起点。现代科学研究表明，在已发现的星球上，自然状况下是没有保存生命的条件的，因为没有氧气，温度接近绝对零度，是没有保存生命的条件的，因为没有氧气，温度接近绝对零度，又充满具有强大杀伤力的紫外线、又充满具有强大杀伤力的紫外线、X X射线和宇宙射线等，因此任射线和宇宙射线等，因此任何何“
