自然辩证法课件自然辩证法第3章.ppt

第三章 演化发展的自然界,1,第三章 演化发展的自然界,第一节 宇宙的起源和演化 第二节 地球的起源和演化 第三节 生命的起源和演化 第四节 人类的起源和演化,第三章 演化发展的自然界,2,第一节 宇宙的起源和演化 什么是宇宙？它有没有起源和终结？这个被思考了几千年的古老问题，仍然是今天宇宙学研究的前沿课题在我国的战国时代，尸佼把宇宙定义为时间和空间，他说：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”至今看来，这个定义仍然闪耀着真理的光辉第三章 演化发展的自然界,3,一、现代宇宙模型的发展 1.牛顿静态的宇宙模型 在牛顿的理论中，时间和空间都是无限的，并且时空的性质与物质是没有关系的时间与空间犹如一个大箱子，在这个箱子中，不管放不放东西，也不管放多少东西，箱子的性质是永远不会改变的描述这种时空的几何学是欧几里得几何第三章 演化发展的自然界,4,奥伯斯佯谬 1826年，德国天文学家奥伯斯(H.W.Olbers)指出，牛顿的静止、均匀、无限的宇宙会导致一个重大的矛盾如果宇宙是充满无限数目的星体的欧几里得空间，并假定星体分布是均匀的，那么任何时候射到地球上的辐射总量都应为无限大，这样夜晚应该与白天一样亮。

这个显然与观测事实不符的荒谬结论，被称为奥尔伯斯佯谬第三章 演化发展的自然界,5,在牛顿静宇宙模型里，克服奥伯斯佯谬的办法之一是假设宇宙有限，而且地球位于宇宙中心但是，这在哲学上是不能接受的 另一办法是假设宇宙中的物质分布是不均匀的，即宇宙间的天体和天体系统不仅在小尺度上（如太阳系、星系等）有聚成团的倾向，而且在大尺度上也是这样但是，这些假设都没有获得观察事实的支持第三章 演化发展的自然界,6,2、爱因斯坦的宇宙模型 1916年，爱因斯坦提出广义相对论这一理论主张时间和空间并不像人们一贯认为的那样，只是一个让物体在其中运动而本身却不受影响的容器，而更像是一个形状依赖于其上所载小球的弹性薄膜 这种关于时间、空间和引力的全新理论，不仅正确地预言了日全食时掠过太阳边缘的星光会发生1.75角秒的偏折，而且完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星近日点每百年前移42角秒的现象，因而逐步得到人们的公认第三章 演化发展的自然界,7,1917年，爱因斯坦在“根据广义相对论对宇宙所作的考查”一文中，提出了静态有限无边的宇宙模型这是现代宇宙学的第一个理论模型，由此，揭开了现代宇宙学发展的序幕1879-1955）,第三章 演化发展的自然界,8,在1917年爱因斯坦对宇宙作第一次考察时，他认为宇宙是静态的，在这点上他受了传统观念的束缚。

为了得到静态解，他特意引进一个宇宙因子——一种与引力相耦合的宇宙场，这使他失去了预言宇宙膨胀的良机第三章 演化发展的自然界,9,科学中经常有这样的情况，物理方程所蕴含的意义比创始者所预料的还要广泛和深刻况且，广义相对论的方程给不出静态解，爱因斯坦就着手改变它们若干年后，说起这件事，爱因斯坦非常懊悔，他甚至说：“这是我一生中最大的失策由此可见，哲学思想对科学研究有着多大的影响第三章 演化发展的自然界,10,3. 膨胀宇宙的发现,1922年，核物理学家弗里德曼·肯德尔在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止状态 1927年，比得时天文学家勒梅特再次独立地得到这一模型他在分析模型时指出，在这种宇宙模型里，从任何一点进行观测都会发现，在它周围的天体，或者一致地远离而去，或者一致地向它靠拢；而且，远离或靠拢的速度是和天体与观察者之间的距离成正比的1894-1966）,第三章 演化发展的自然界,11,换言之，只要我们承认爱因斯坦的广义相对论，我们就必须对宇宙做出这样的预言： 宇宙或者在膨胀，或者在收缩，其速度正比于距离 这可能是科学史上一桩最大的预言了一方面，这一预言的范围大到涉及整个天文学的空间，另一方面，这一预言打破了一种非常悠久的传统观念——宇宙是静态的。

第三章 演化发展的自然界,12,河外星系谱线红移最早为斯莱弗所发现，以后观测表明，除本星系外，河外星系的谱线都存在红移并有一定的规律声波多普勒效应,第三章 演化发展的自然界,13,(1889-1953),美国天文学家，星系天文学的奠基人，观测宇宙学的开创者1929年，哈勃在研究了一批星系的光谱之后发现，除了个别例外，绝大多数星系的光谱都表现出红移，而且红移量大致同星系的距离成正比哈勃给出星系退行速度Ｖ和距离Ｄ之间的关系式： Ｖ＝ＨＤ Ｈ是哈勃常数，它由观测确定这一关系称为哈勃定律第三章 演化发展的自然界,14,如果将红移解释为多普勒效应，那就意味着所有星系都在离开我们而去，其退行速度正比于同我们的距离哈勃的这一发现为宇宙膨胀理论提供了直接的观测依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念第三章 演化发展的自然界,15,,第三章 演化发展的自然界,16,４. 热大爆炸宇宙模型 为了解释宇宙膨胀的原因，比利时天文学家勒梅特于1932年首先提出了宇宙起源的大爆炸的概念他认为，整个宇宙的物质最初聚集在一个“原始原子”里，后来发生猛烈爆炸，碎片向四面八方散开，形成今天的宇宙第三章 演化发展的自然界,17,1948年，美国物理学家伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来，发展了大爆炸宇宙模型。

其主要观点是，宇宙不但在膨胀，而且在降温，即宇宙有一个从热到冷的演化历史按伽莫夫等人的计算，作为大爆炸过程的遗迹，目前的宇宙中应普遍存在温度约3K的背景黑体辐射由于这种辐射的峰值波长在1毫米附近，处于微波波段，故又称微波背景辐射第三章 演化发展的自然界,18,这一重要预言在提出的10多年中并未引起人们的关注直到1964年，美国贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时，他们起初也并不清楚自己发现的意义后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息，才认识到这正是他们试图寻找的宇宙背景辐射第三章 演化发展的自然界,19,他们因共同发现微波背景辐射,获1978年诺贝尔物理学奖,第三章 演化发展的自然界,20,几十年来，全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模调查，形势逐渐明朗例如，1989年，美国宇航局发射了宇宙背景探测者卫星，第一批测量数据表明：在从0.5毫米到5毫米的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.735±0.06K的理想黑体完全相合；扣除运动效应以后，天空不同方向的相对温差小于十万分之一这一发现在现代宇宙学史上占有极其重要的地位，它是热大爆炸宇宙模型最令人信服的证据。

第三章 演化发展的自然界,21,宇 宙 背 景 温 度,第三章 演化发展的自然界,22,支持大爆炸宇宙模型的证据，除了上述河外星系的光谱红移和微波背景辐射的科学事实之外，还有宇宙年龄、天体时标、轻元素的起源、重光比、河外天体计数等科学事实第三章 演化发展的自然界,23,宇宙年龄的测量 根据哈勃定律，将星系的距离除以各自的速度，就大致计算出宇宙的年龄为150亿年左右 D 1 宇宙年龄 == —— == —— V H 宇宙起源的时间问题一直是宇宙学领域中最热门又最容易引起争议的研究课题之一据剑桥大学的一个科学研究小组与其他天文学家们合作，在比较了这些天文学家采取5种研究方法后得出了宇宙起源于140亿年前的结论该结果误差为20亿年第三章 演化发展的自然界,24,天体时标 如果上述推论不错，那么宇宙中一切天体的年龄都不应大于这个宇宙年龄利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石、“阿波罗号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本，发现它们的年龄均不超过47亿年根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估计出银河系中最老恒星的年龄为100-150亿年。

用这两种完全不同的方法得到的天体年龄，都有力地支持了大爆炸宇宙模型的对宇宙年龄的推断第三章 演化发展的自然界,25,,轻元素的起源,第三章 演化发展的自然界,26,天文观测表明，无论在宇宙中哪个角落，无论在恒星、星际物质中，氦与氢的质量比大体都为1:4，此外，氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小得多，但它们的丰度（即与氢的比例）也具有类似的普适性这对热大爆炸模型无疑又是一个有力的支持第三章 演化发展的自然界,27,二、宇宙的演化图景 现代天文学为我们勾画出了如下的宇宙演化图景： 宇宙发端于距今150亿年左右的大爆炸，起初不仅没有任何天体，也没有粒子和辐射，只一种单纯而对称的真空状态以指数方式膨胀着（这种膨胀比后来弗里德曼模型中的膨胀剧烈得多，称为暴胀）今天我们所知道的自然界中四种基本相互作用力，即引力、强力、弱力和电磁力，那时是不可区分的第三章 演化发展的自然界,28,随着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列相变（如同水在降到零摄氏度时变成冰那样）：在大爆炸后10-44秒，发生超统一相变，引力作用首先分化出来，但强、弱、电作用仍不可区分，夸克和轻子可以互相转变；到大爆炸后10-36秒，大统一相变发生，强作用同电、弱作用分离，物质和反物质之间不对称性（即质子、电子等这类物质多于反质子、正电子之类反物质的现象）开始出现；10-10秒以后，弱电相变发生，弱作用和电磁作用分离，完成了四种相互作用逐一分化出来的历史。

第三章 演化发展的自然界,29,从3分钟以后经过约70万年，宇宙的温度降到3000K，电子与原子核结合成稳定的原子，光子不再被自由电子散射，从此宇宙变得透明又过了几十亿年，中性原子在引力作用下逐渐凝聚为原星系，并由此揭开了星系、恒星等其它天体的形成和演化史第三章 演化发展的自然界,30,至于宇宙未来的演化，大爆炸宇宙模型认为这要视宇宙现在的平均密度而定若平均密度小于某一临界密度，宇宙就会一直膨胀下去；若宇宙的平均密度大于临界密度，宇宙膨胀速度会减慢，终将停止膨胀，并转为收缩，也许收缩到一定的密度后又再次膨胀这种反复膨胀收缩的宇宙称为振荡宇宙第三章 演化发展的自然界,31,人类对宇宙认识的突飞猛进，使得人们第一次有可能在科学的基础上，对从基本粒子到化学元素、从星系到恒星、从太阳到地球、从原生物到人的长达上百亿年的演化史作出系统的概括这无疑会对当代自然科学以及人类自然观的发展产生深刻的影响第三章 演化发展的自然界,32,三、星系和恒星的演化,第三章 演化发展的自然界,33,在星系的起源问题上，主要存在弥漫说和超密说两种不同的观点 弥漫说，即星云说，由于获得了较为广泛的科学事实的支持，又有比较完整的星系演化理论，所以得到天文学家比较一致的认同。

超密说认为，星系是由超密物质爆炸碎裂后形成的而弥漫说则认为，星系是由星际弥漫物质收缩凝聚而成第三章 演化发展的自然界,34,星际弥漫物质由气体和尘埃组成，以气体为主气体又以氢为主，氦次之，其它元素所占比例很小由于自身引力作用，密度极低的星际弥漫物质会聚集成团块这种团块貌似地球大气中的云块，所以称为星云星云的直径往往有几十光年，并有几十个到几百个太阳质量（Ｍ⊙＝2×1033克）这样大的星云除了收缩外，还要有一个碎裂过程才能形成恒星第三章 演化发展的自然界,35,有些天文学家认为，星云的碎裂是星云中气体不规则的旋转运动，即湍流造成的大块的星云裂碎成大小不等的、质量在0.5Ｍ⊙到20Ｍ⊙的恒星胚胎——原恒星在引力收缩过程中释放出的势能使原恒星逐渐变热，当温度上升到足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了第三章 演化发展的自然界,36,当温度上升到700百万到1000万度时，原恒星内部发生了氢燃烧，即由氢聚变为氦的核反应当这种反应产生的辐射压力达到与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段恒星在这一阶段停留的时间最长，占其生命的主要部分，可以称为“壮年期”第三章 演化发展。