1、第第1 1节节 人类对宇宙的认识人类对宇宙的认识 一、古代人的宇宙观一、古代人的宇宙观 宇宙是广漠空间和存在的各种宇宙是广漠空间和存在的各种 天体以及弥漫物质的总称。天体以及弥漫物质的总称。 2.宇宙包括：宇宙包括： 1.宇宙概念：宇宙概念： 宇宙中有上千亿的星系，宇宙中有上千亿的星系， 平均每个星系又有上千亿平均每个星系又有上千亿 的恒星和各类天体。的恒星和各类天体。 3.宇宙的传说：宇宙的传说： 1)盘古开天辟地盘古开天辟地 2)女娲补天女娲补天 宇宙原来是混沌的一团气，后来盘古 用神斧把这一团混沌气劈开，轻的上 升为天，重的下降为地，盘古死后， 身体的各个部分成为天地间的万物。 3)上帝
2、创造天地和万物上帝创造天地和万物 为什么古代人会对宇宙有这样的认识？为什么古代人会对宇宙有这样的认识？ 古代观察天空的工具仅仅是眼睛，而现代科学古代观察天空的工具仅仅是眼睛，而现代科学 家能借助更先进的科技手段对宇宙的起源进行家能借助更先进的科技手段对宇宙的起源进行 更深入的研究，才发现了许多关于宇宙起源的更深入的研究，才发现了许多关于宇宙起源的 证据。证据。 所以说人类对自然界的认识水平是和当时的科所以说人类对自然界的认识水平是和当时的科 学技术发展水平相适应的。学技术发展水平相适应的。 二、从地心说到日心说二、从地心说到日心说 人类历史发展到公元前6 世纪，人 类文明进入了理性思考的时代。
3、中国战 国时期的早期盖天说认为，天圆如张盖， 地方如棋盘。早期的古希腊学者也有类 似的看法。盖天说这种宇宙观，虽然已 经摆脱了神话的影响，但远没有揭示宇 宙的本质。 1、盖天说 公元世纪，希腊科学家托勒密在亚里士多德公元世纪，希腊科学家托勒密在亚里士多德 等前人基础上创立了地心说。等前人基础上创立了地心说。 2 2、托勒密托勒密的地心说的地心说 地球 我们看到太阳周而复始地东升西落，好像大我们看到太阳周而复始地东升西落，好像大 地是静止不动的，是太阳在绕地球旋转地是静止不动的，是太阳在绕地球旋转. 为什么人们会感觉到太阳是东升为什么人们会感觉到太阳是东升 西落，而大地是静止不动的？西落，而大地
4、是静止不动的？ 地球绕太阳公转，因为运动是相对的，地球绕太阳公转，因为运动是相对的， 所以地上的人们选地球为参照物时，所以地上的人们选地球为参照物时， 地球是静止不动的，而太阳是运动的。地球是静止不动的，而太阳是运动的。 同时地球也以一定的速度绕地轴自西同时地球也以一定的速度绕地轴自西 向东转，人们选择地球为参照物，则向东转，人们选择地球为参照物，则 太阳是自东向西转，所以人们以为太太阳是自东向西转，所以人们以为太 阳从东边升起，西边落下。从运动的阳从东边升起，西边落下。从运动的 相对性的角度来看这并没有本质上的相对性的角度来看这并没有本质上的 错误。错误。 3、哥白尼的日心说、哥白尼的日心说
5、 1616世纪波兰天文学家哥白尼依据大量精世纪波兰天文学家哥白尼依据大量精 确的观测资料建立了日心说。确的观测资料建立了日心说。 太阳太阳是宇宙的中心是宇宙的中心 最高天 土星 太阳 金星 木星 火星 地球 水星 哥白尼否定了地球是宇宙的中心，认为太阳 是宇宙的中心，地球和行星是绕太阳做圆周 运动的，月球围绕着地球转。 20 世纪1020 年代，美国天文学家哈勃 （Edwin Powell Hubble）等人致力于旋涡星云的测 量。科学家们用先进的科学仪器，研究星系的运动情 况，测出不同星系之间的距离，并通过观察一个星系， 判断出这一星系运动的速度，以及它是远离银河系还 是靠近银河系方向运动。
6、 1929 年，哈勃根据自己的测量数据，分析了24 个星 系的速度和距离，发现距离越大的河外星系，速度越 大。即所有的星系都在远离我们而去，星 系离我们越远，它的退行速度越快；星系 间的距离在不断地扩大。 哈勃的发现告诉我们，星系一直在运动， 一直在变化，宇宙在不断地膨胀 思考： 你是怎样理解哈勃发现的关于星系运动的 特点的？你能想象出宇宙中的星系在怎样运 动吗？ 哈勃星系运动模型：哈勃星系运动模型： 为了帮助我们更好理解那些星系是如何运 动的，我们可以建立星系运动模型，了解 星系运动的特点。 实验表明，在气球胀大的过程中，对气球表实验表明，在气球胀大的过程中，对气球表 面上任何一个小圆点而言
7、，面上任何一个小圆点而言， 其他的小圆点都在不断地离它而去。其他的小圆点都在不断地离它而去。 ：星系运动模型。：星系运动模型。 气球充气后，两点的变化气球充气后，两点的变化 哈勃望远镜的记录：哈勃望远镜的记录： 宇宙中的伽玛射线大爆发宇宙中的伽玛射线大爆发 美国航空航天局科学家们通过测算发现，美国航空航天局科学家们通过测算发现， 宇宙中的星系正在以加速度离我们远去，宇宙中的星系正在以加速度离我们远去， 也就是说，宇宙的确在加速膨胀。也就是说，宇宙的确在加速膨胀。 3.大爆炸宇宙论：大爆炸宇宙论： “大爆炸宇宙论”认为：大爆炸宇宙论”认为：宇宙的起宇宙的起 源于一次大爆炸源于一次大爆炸. . 大
8、约大约137亿年前，我们所处的宇宙被挤压亿年前，我们所处的宇宙被挤压 在一个在一个“原始火球”“原始火球” 中中,那时的宇宙极小、那时的宇宙极小、极极 热、又有极大的密度热、又有极大的密度，宇宙就是在这个火球，宇宙就是在这个火球 的的大爆炸大爆炸中诞生的。中诞生的。 大爆炸使物质四散出击，宇宙空间迅速大爆炸使物质四散出击，宇宙空间迅速 膨胀膨胀，现在的宇宙比，现在的宇宙比100亿年前增大了亿年前增大了100多多 亿倍，爆炸引起的宇宙膨胀一直延续至今，亿倍，爆炸引起的宇宙膨胀一直延续至今， 并仍将延续下去。并仍将延续下去。 乔治乔治 加莫夫加莫夫 1946年，他提出了热大爆 炸宇宙论模型。一直最
9、初开 始于高温高密度的原始物质， 温度超过几十亿度，随着宇 宙的膨胀，温度也相应下降温度也相应下降， 物质逐渐凝聚成星云，后来物质逐渐凝聚成星云，后来 相继出现在宇宙中的所有星相继出现在宇宙中的所有星 系、恒星、行星乃至生命，系、恒星、行星乃至生命， 逐渐演化成今天的各种天体。逐渐演化成今天的各种天体。 大爆炸后物质膨胀，冷却形成星系示意图大爆炸后物质膨胀，冷却形成星系示意图 大爆炸宇宙产生示意图大爆炸宇宙产生示意图 2)2)我我们银们银河河诞生诞生 (50(50亿亿年年) ) 1)1)星星出星星出现现(10(10亿亿年年) ) 3)恒星、银河并演化成我们今日所恒星、银河并演化成我们今日所 知
10、的宇宙知的宇宙 4)4)现在宇宙持续膨胀中现在宇宙持续膨胀中(137(137亿年亿年) ) 大胆猜测：宇宙的将来大胆猜测：宇宙的将来 或者会塌缩而在大挤压处终结或者会塌缩而在大挤压处终结 永远膨胀下去永远膨胀下去，不断地扩大，不断地扩大， 我们将看到所有星系的星球老化、死亡，我们将看到所有星系的星球老化、死亡， 剩下我们孤零零的，在一片黑暗当中。剩下我们孤零零的，在一片黑暗当中。 史蒂芬史蒂芬.霍金霍金 史蒂芬史蒂芬 霍金，广泛尊崇为继爱因斯坦之霍金，广泛尊崇为继爱因斯坦之 后最杰出的科学家。黑洞理论和“大爆炸”理后最杰出的科学家。黑洞理论和“大爆炸”理 论的创立人，著名的论的创立人，著名的时
11、间简史时间简史的作者。的作者。 17岁的霍金患病后只能永远坐在轮椅上岁的霍金患病后只能永远坐在轮椅上 并且失去了语言能力，这位全身只有三个手指并且失去了语言能力，这位全身只有三个手指 能动的残疾人，却依靠惊人的毅力完成了一系能动的残疾人，却依靠惊人的毅力完成了一系 列惊人的关于大爆炸和黑洞的理论。列惊人的关于大爆炸和黑洞的理论。 霍金预言宇宙的两种结霍金预言宇宙的两种结 局局 1、会永远的膨胀下去。、会永远的膨胀下去。 2、或者会塌缩而在大、或者会塌缩而在大 挤压处终结挤压处终结 19421942年年1 1月月8 8日，出生于英国的牛津。日，出生于英国的牛津。19621962年，在年，在 牛津
12、大学完成物理学学位课程，搬到剑桥大学攻读研牛津大学完成物理学学位课程，搬到剑桥大学攻读研 究生。霍金被诊断患有运动神经元疾病。究生。霍金被诊断患有运动神经元疾病。 19651965年，被授予博士学位。他的研究表明：用来年，被授予博士学位。他的研究表明：用来 解释黑洞崩溃的数学方程式，也可以解释从一个点开解释黑洞崩溃的数学方程式，也可以解释从一个点开 始膨涨的宇宙。始膨涨的宇宙。19701970年，霍金研究黑洞的特性。他预年，霍金研究黑洞的特性。他预 言，来自黑洞言，来自黑洞( (现在叫霍金辐射现在叫霍金辐射) )的射线辐射及黑洞的表的射线辐射及黑洞的表 面积永远也不会减少。面积永远也不会减少。
13、19741974年，被选为皇家学会会员。年，被选为皇家学会会员。 他继续证明，黑洞有温度，黑洞发出热辐射，以及气他继续证明，黑洞有温度，黑洞发出热辐射，以及气 化导致质量减少。化导致质量减少。19801980年，任剑桥大学数学鲁卡斯教年，任剑桥大学数学鲁卡斯教 授授( (艾萨克艾萨克牛顿曾任此职牛顿曾任此职) )。19881988年，出版年，出版时间简时间简 史史，成为关于量子物理学与相对论最畅销的书。，成为关于量子物理学与相对论最畅销的书。 19961996年至今，继续在剑桥大学工作。年至今，继续在剑桥大学工作。 小视窗：黑洞理论小视窗：黑洞理论 宇宙中某些恒星能产生巨大宇宙中某些恒星能产生
14、巨大 的引力，使得即使光也无法向的引力，使得即使光也无法向 外射出，从而切断了恒星与外外射出，从而切断了恒星与外 界的一切联系，“黑洞”诞生界的一切联系，“黑洞”诞生 了了 黑洞是怎样产生的呢？黑洞是怎样产生的呢？ 无论地球上观察，无论地球上观察， 还是在其它星球上观察，还是在其它星球上观察， 都可以观察到其它星球都在远离观察都可以观察到其它星球都在远离观察 点而去，这是宇宙膨胀的结果。点而去，这是宇宙膨胀的结果。 其实，大爆炸而产生宇宙的理论其实，大爆炸而产生宇宙的理论 也不能确定起始爆炸中心。也不能确定起始爆炸中心。 在地球上观察到宇宙中的星系都在地球上观察到宇宙中的星系都 在远离地球而去
15、，能否说明地球在远离地球而去，能否说明地球 是宇宙大爆炸的中心？为什么？是宇宙大爆炸的中心？为什么？ 总结：总结： 1 1、星系运动的特点：、星系运动的特点： 所有的星系都在离我们而去，所有的星系都在离我们而去， 星系离我们越远，运动的速度越快，星系离我们越远，运动的速度越快， 星系间的距离在不断地扩大。星系间的距离在不断地扩大。 2 2、现在的宇宙处于、现在的宇宙处于 不断的膨胀之中不断的膨胀之中 3 3、目前被人们广为接受的、目前被人们广为接受的 一种宇宙起源学说是一种宇宙起源学说是 大爆炸宇宙论大爆炸宇宙论 1.1.如果小气球上有图如果小气球上有图，在气球膨胀过程中，每，在气球膨胀过程中
16、，每 一个点间的距离都在不断地一个点间的距离都在不断地_，每一条线条，每一条线条 都不断在都不断在_。 2 2宇宙中星系间的距离在不断地宇宙中星系间的距离在不断地 , ,说明宇宙处说明宇宙处 在不断地在不断地 之中之中, ,这为这为_理论提理论提 供了有力的证据。该学说认为，大约在供了有力的证据。该学说认为，大约在 年年 前，我们所处的宇宙全部被挤压在一个前，我们所处的宇宙全部被挤压在一个 “ ”中，宇宙就是在这个大火球的”中，宇宙就是在这个大火球的 爆炸中产生。爆炸中产生。 扩大扩大 增长增长 扩大扩大 膨胀膨胀 大爆炸宇宙大爆炸宇宙 137137亿亿 原始火球原始火球 3.3.下列关于大爆
17、炸宇宙论的说法正确的是（下列关于大爆炸宇宙论的说法正确的是（ ） A.A.一种已经被证明是正确的科学理论一种已经被证明是正确的科学理论 B.B.一个比较合理的科学假说一个比较合理的科学假说 C.C.一个著名的神话故事一个著名的神话故事 D.D.一段现代科普作品里有趣的描写一段现代科普作品里有趣的描写 4.4.宇宙起源的证据是（宇宙起源的证据是（ ） A.A.哈勃定律哈勃定律 B.B.旧约“创世纪”旧约“创世纪” C.C.盘古开天辟地的神话盘古开天辟地的神话 D.D.女娲补天的传说女娲补天的传说 A A B B 5 5有关宇宙的起源的说法，得不到科学支持的说法是有关宇宙的起源的说法，得不到科学支
18、持的说法是 ( ( ) ) A A、大约在、大约在137137亿年前，我们所处的这个宇宙是被挤压在亿年前，我们所处的这个宇宙是被挤压在 一起的一个“原始火球”一起的一个“原始火球” B B宇宙就是在这个大火球发生的一次大爆炸中诞生的宇宙就是在这个大火球发生的一次大爆炸中诞生的 C C、宇宙是相当近的过去创生的，十七世纪时邬谢尔主、宇宙是相当近的过去创生的，十七世纪时邬谢尔主 教算出宇宙诞生的日期是公元前教算出宇宙诞生的日期是公元前40044004年年 DD大爆炸理论尚不能确切地解释宇宙在“原始火球”大爆炸理论尚不能确切地解释宇宙在“原始火球” 之前到底存在着什么东西之前到底存在着什么东西 C
19、美国科学家美国科学家20042004年年2 2月月1515日宣布，他们借助哈日宣布，他们借助哈 勃望远镜观察到距离地球勃望远镜观察到距离地球130130亿光年的星系。亿光年的星系。 根据科学家的计算，这个新发现的星系是在导根据科学家的计算，这个新发现的星系是在导 致宇宙诞生的“大爆炸”之后致宇宙诞生的“大爆炸”之后7.57.5亿年时形成的。亿年时形成的。 由于它形成在宇宙生命的初期，当时正是星系由于它形成在宇宙生命的初期，当时正是星系 形成的开端。因此科学家希望，研究它可以得形成的开端。因此科学家希望，研究它可以得 到更多有关的信息，从而能更好地了解宇宙是到更多有关的信息，从而能更好地了解宇宙
20、是 如何形成和发展的。在天文学中，“光年”是如何形成和发展的。在天文学中，“光年”是 一个一个 单位；科学家们观察到的光线是单位；科学家们观察到的光线是 这个星系这个星系 发出的（填“观察前发出的（填“观察前 不久”或“不久”或“130130亿年前”）。亿年前”）。 长度长度 130亿年前亿年前 太空中有时会发生恒星爆炸，产生所谓的超新太空中有时会发生恒星爆炸，产生所谓的超新 星，恒星爆炸时会突然变化得比以前亮得多，星，恒星爆炸时会突然变化得比以前亮得多， 恒星离我们很远，它的光要经过多年才能达到恒星离我们很远，它的光要经过多年才能达到 地球。因此，我们看到的恒星爆炸的光一定是地球。因此，我们
21、看到的恒星爆炸的光一定是 在很多年前发出的，从那个时候以来，光一直在很多年前发出的，从那个时候以来，光一直 在向地球传播着。我们年看到的恒星爆炸的光在向地球传播着。我们年看到的恒星爆炸的光 是白光，而不是在不同时间到达的各种色光。是白光，而不是在不同时间到达的各种色光。 根据这一事实，你的推断是不同色光在空气中根据这一事实，你的推断是不同色光在空气中 传播速度传播速度 ( (相等或不相等）相等或不相等） 不相等不相等 天文观测发现，几乎所有的星系都以各自的速度背离天文观测发现，几乎所有的星系都以各自的速度背离 我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速我们而运动，离我们越远的星体，背离我们
22、运动的速 度（称为退行速度）越大，也就是说，宇宙在膨胀，度（称为退行速度）越大，也就是说，宇宙在膨胀， 不同星体的退行速度不同星体的退行速度v v和它们离我们的距离和它们离我们的距离r r成正比，成正比， 即即v=Hrv=Hr，式中，式中HH为一常量，称为哈勃常数，已由天文为一常量，称为哈勃常数，已由天文 观察测定。为解释上述现象，有人提出一种理论，认观察测定。为解释上述现象，有人提出一种理论，认 为宇宙以不同的速度运动，并设想我们就位于其中心，为宇宙以不同的速度运动，并设想我们就位于其中心， 则速度越大的星体现在离我们越远，这一结果与上述则速度越大的星体现在离我们越远，这一结果与上述 天文观察结果一致。天文观察结果一致。 由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙的年龄由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙的年龄T T， 其计算式为其计算式为T=T= 。根据近期观。根据近期观 测，哈勃常数测，哈勃常数H=3H=31010- -2 2米米/ /（秒（秒光年），其中光光年），其中光 年是光在一年中行进的距离，由此估算宇宙的年龄约年是光在一年中行进的距离，由此估算宇宙的年龄约 为为 _ _年。年。 1/H
