【導(dǎo)讀】科學(xué)的詞原來自拉丁文scientia（知道）。后來演化成英文sciential和?？茖W(xué)是反映客觀事實(shí)和規(guī)律，關(guān)于自然、社會(huì)和思維的知識(shí)體系相關(guān)活動(dòng)的事業(yè)。所以科學(xué)研究是一種神圣的事業(yè)，其最顯著的特點(diǎn)是嚴(yán)肅性、嚴(yán)謹(jǐn)性、客觀性。類所確認(rèn)的公理。科學(xué)另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是要經(jīng)得住歷史的考驗(yàn)，這就要求科學(xué)的發(fā)明、科學(xué)研究的新成果、工藝技術(shù)的新成就，為解決生產(chǎn)中的問題研究出來的新。各種科技信息，科學(xué)技術(shù)要發(fā)展是根本不可能的?，F(xiàn)代科學(xué)的社會(huì)結(jié)構(gòu)，是由科學(xué)研究體系，科研后勤部門和科研管理機(jī)構(gòu)等方面構(gòu)成。會(huì)生產(chǎn)力，而且與人類的文化密切聯(lián)系?？茖W(xué)文化和人文文化一起，共同構(gòu)成社會(huì)文化。他在1871年《原始文化》一書中將“文化”的內(nèi)涵界定為：包括。器物層次的科學(xué)文化形態(tài)，能夠較明顯和較全面地體現(xiàn)出一定社。次的科學(xué)文化形態(tài)對(duì)科學(xué)的發(fā)展能起到促進(jìn)或延緩作用。第三個(gè)特征是技術(shù)是人們改造、控制、利用和保護(hù)自然的一種動(dòng)態(tài)過程。

　　

【正文】 了原子物理的發(fā)展，使這兩個(gè)相關(guān)科學(xué)更加緊密聯(lián)系起來。核子由夸克構(gòu)成以及核力通過膠子交換等概念直接影響了核物理。高能輕子對(duì)核的散射實(shí)驗(yàn)表明，原子核不是一個(gè)簡單的多個(gè)核子的集合體。 粒子物理學(xué)與天體演化研究的相互滲透、巧妙結(jié)合，產(chǎn)生了一些交叉學(xué)科，如中微子天文學(xué)、射電天文學(xué)、高能天體物理學(xué)等，為天體演化的研究開辟了新途徑。 粒子物理中的量子場論的理論方法，已被用來解決固體物理、統(tǒng)計(jì)物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的物理問題，成為這些領(lǐng)域的一 種必要的理論工具。 第四章 宇宙的起源與演化 宇宙概觀 宇宙是空間和時(shí)間及物質(zhì)三者相關(guān)的總體。 中國古代先哲曾提出：“四方上下曰宇，往古來今曰宙”。這是我們的祖先對(duì)宇宙最概要性的界定。 宇宙有沒有起源和終結(jié)，它是永恒的還是演化的？這是每一種宇宙論都必須回答的 26 最根本的問題。各種文明都有自己關(guān)于宇宙起源的看法。但人類對(duì)宇宙的真正認(rèn)識(shí)在有自己幾千年漫長的文明史中，只是最近幾十年的事，而且對(duì)于這一認(rèn)識(shí)還有待于進(jìn)一步 深化。 宇宙的起源 大爆炸宇宙學(xué) 宇宙在遙遠(yuǎn)的過去曾處于極高溫度和極 大密度狀態(tài)的“原始火球”，當(dāng)溫度增大到某一時(shí)刻，火球發(fā)生了大爆炸，物質(zhì)四散飛出，宇宙間充滿光子、電子和中微子等基本粒子。爆炸后的碎片，煙塵不斷向四周擴(kuò)散，溫度很快下降，當(dāng)溫度降到 10 億度左右時(shí)中子開始失去自由存在的條件，它或衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子，或者和質(zhì)子結(jié)合成氘，氦等原子核，化學(xué)元素開始形成。 當(dāng)溫度下降到數(shù)千度時(shí)，輻射作用減退，氣態(tài)物質(zhì)逐漸凝聚成氣云。 此后溫度繼續(xù)下降，各種物質(zhì)因凝聚而收縮，逐漸演變形成星系，物質(zhì)的引力作用形成恒星、行星及其衛(wèi)星、彗星等各種天體。 大爆炸的觀測事實(shí)依據(jù) （Ⅰ）河外 星系的譜線紅移 所謂紅移，可用開普勒效應(yīng)來比擬。 當(dāng)一列離觀測者遠(yuǎn)去的火車，其聲音漸遠(yuǎn)，而另一列離觀察者漸近的火車，其聲音則漸近，這種遠(yuǎn)去的火車與相應(yīng)定點(diǎn)火車聲音的差距稱為“紅移”現(xiàn)象。 面向觀察者的光譜向高頻紫光移動(dòng) h1 行進(jìn)中物 質(zhì)光譜紅光譜線位置 h2 靜止物質(zhì)光譜紅光譜線位置 聲音增強(qiáng) （相對(duì)于靜止） H1 聲音減弱 (相對(duì)于靜止 ) △ H＝ h2－ h1 H2 H2 靜止火車音量 H1 行進(jìn)火車音量 紅 黃 綠 紫 紫 綠 黃 紅 紅 黃 綠 紫 紫 綠 黃 紅 背向觀察者光向低 頻譜線 (紅光 )移動(dòng) h2 h2 觀察者 靜止的光 靜止的光 射向觀察者的光 背向觀察者的光 靜止火車 靜止火車 向觀察者開來的火車 向觀察遠(yuǎn)去的火車 △ h＝ h2－ h1 27 天體光譜中紅光向外位移，說明該天體在遠(yuǎn)離觀察而去 — 向外擴(kuò)充 — 宇宙膨脹，這是大爆炸理論的觀察實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 紅移△ h= h2 h1 的距離 1929 年美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都有紅移現(xiàn)象，紅移星 △ h=Z=(入 0－ 入 e)/入 0（ 入 0 為觀察波長， 入 e為天體發(fā)射波長），折合成運(yùn)動(dòng)速度，可用公式 V=Hr 表示 ——哈勃定律， H— 哈勃常數(shù)。由此可定量算出該天體遠(yuǎn)離我們而去的速度，因?yàn)樗^察大部分星系譜線都有紅移現(xiàn)象，證明確實(shí)宇宙在膨脹，是大爆炸的結(jié)果。 （ II）宇宙 中 He 元素和 H 元素豐度很高（ He 在不同天體中占 25~30%），這是因?yàn)樵诖蟊ê笠粋€(gè)很短時(shí)間內(nèi)，早期溫度高（ 10 億度）中子失去自由存在的條件與質(zhì)子結(jié)合成 He 和 21H（氘）。由于 He 很穩(wěn)定，不易再參與反應(yīng)而在宇宙中保存下來。 H 在宇宙中無氧氣存在條件下， H 也是很穩(wěn)定，所以宇宙中 H 和 He 豐度高，而且 He 的豐度在不同天體中其豐度基本相同。這一事實(shí)也支持了大爆炸理論，各天體都是大爆炸物質(zhì)所凝聚而形成的（按由 2 個(gè)質(zhì)子與 2 個(gè)中子合成 He，推算出 He： H=1： 4）。 （ III）所有天體的年齡都小于 200 億年 —— 宇宙年齡 宇 宙的年齡如何計(jì)算？ 按照哈勃的發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)天體（星系）發(fā)出的光，光譜譜線紅移的事實(shí)，證明許多星系正在彼此遠(yuǎn)離。 哈勃定律對(duì)于我們認(rèn)識(shí)宇宙作出重大貢獻(xiàn) 哈勃的紅移量 入 o－ 入 e Z = = △ h（入 o— 實(shí)驗(yàn)室觀察實(shí)驗(yàn)光源的波長，入 e 某天體同一譜線的波長） 入 o V— 哈勃計(jì)算天體（星系）遠(yuǎn)離我們而去的速度 V=HS 即紅移速度與距離成正比（ H哈勃常數(shù)） 按牛頓力學(xué) S=vt（ S距離， v速度， t時(shí)間） 將星系的距離 S，除以星系運(yùn)行速度，可求出運(yùn)行時(shí)間 S t = ，就得到我們所觀察到的許多星系距今約 100~200 億年， V 這段時(shí)間對(duì)所有星系來說是共同的， 哈勃進(jìn)一步推論 V=CZ=C△入 /入 0（ C—— 光速） 顯然 1 H = （因?yàn)?S=Vt） T 28 由此又算出星系遠(yuǎn)離我們而去的速度 在已觀察到的眾多星系中，用哈勃定律算出其最大年齡都不超過 200 億年，哈勃的推論為我們推斷宇宙起源于大爆炸理論的觀察提供有力的證據(jù)。 （ IV）微波背景輻射 熱火球爆炸的另一個(gè)重要遺跡是微波背 景輻射。大爆炸后的煙塵，彌散物質(zhì)及能量向四周空間擴(kuò)散，隨著宇宙的膨脹，溫度也不斷下降，但只要有能量就有輻射，而且在宇宙空間的能量輻射與其所處溫度有關(guān)。 1964 年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜用一架通訊電話在 波段（波長）處探測到一種來自宇宙空間的強(qiáng)度與方向無關(guān)的信號(hào)，這種信號(hào)因?yàn)槭窃趶挠钪嫔钐幉煌较蚪邮盏酵粋€(gè)強(qiáng)度相同的信號(hào)，是在一定溫度下發(fā)生的能量輻射，由于這種輻射的峰值波長在 1mm 附近，處于微波段，又稱為微波背景輻射。 這種輻射譜線分布與溫度范圍是在 177。 176。（ t=176。 K+C176。），經(jīng)測量宇宙不同方向的微波輻射，其相對(duì)溫度都小于十萬分之一！這再次毋容置疑地證明宇宙起源于同一大火球大爆炸之后形成了宇宙。而且各星系盡管會(huì)有千差萬別的物理化學(xué)因素，但其根本的共性是同一的！ 恒星的一生 大爆炸之后，宇宙空間布滿的彌散物質(zhì)，氣體云，塵埃等靠自身的引力逐漸凝聚，密度逐漸增大。當(dāng)向內(nèi)的引力強(qiáng)到足以抵抗向外壓力時(shí)，它將迅速收縮落向中心，在收縮過程中釋放出的引力能使原始恒星（熾熱氣體云團(tuán)）溫度上升，當(dāng)中心溫度上升到 1000萬 K，足以引發(fā)熱核反應(yīng)時(shí)，一顆恒星就誕生了。恒星的質(zhì) 量則會(huì)由于產(chǎn)生的輻射太大而瓦解。恒星質(zhì)量范圍在 ~100 個(gè)太陽質(zhì)量之間，這類恒星比較穩(wěn)定。近來，紅外天文衛(wèi)星探測到成千上萬個(gè)正處于形成過程中的恒星。 29 恒星的演化 恒星形成之后，光和熱的來源，是其中心由氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)（ 4 個(gè)氫原子聚合成 2 個(gè)氦原子）。當(dāng)這種反應(yīng)產(chǎn)生的輻射壓力達(dá)到與引力平衡時(shí)，恒星的體積和溫度不再明顯變化，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的演化階段，恒星在這一階段停留的時(shí)間最長，占其生命的主要部分，稱為“壯年期”。至目前發(fā)現(xiàn)的恒星有 90%處于這一階段（包括我們的太陽）。這一階段的具體長度取決于恒星質(zhì)量的大 小，對(duì)于我們的太陽約為 100 億年，到目前已經(jīng)有 50 億歲了，大約還有 50 億年！對(duì)于質(zhì)量比太陽大 10 倍的恒星其壽命只有 3000 萬年。 當(dāng)恒星核心部分的氫全部聚變?yōu)楹ひ院螅a(chǎn)能過程停止，輻射壓力下降，星核將在引力作用下收縮。收縮產(chǎn)生的熱將使溫度再次上升，達(dá)到引發(fā)氦燃燒的程度。結(jié)果將 3個(gè) He 核聚變合成一個(gè)碳核，反應(yīng)中釋放的能量使星體大大地膨脹，膨脹過程也不斷消耗能量，表面溫度降低，但體積膨脹到足以把水星、金星、地球都裝進(jìn)去，此時(shí)發(fā)出的輻射主要是紅光，稱為紅巨星，恒星進(jìn)入“中年期”階段。 經(jīng)過紅巨星階段，恒星進(jìn)入“晚 年期”，這時(shí)其核心部分產(chǎn)生一系列熱核反應(yīng)，當(dāng)核心的氦全部變成碳后，又再一次引力收縮，壓力和溫度又再一次升高，于是發(fā)生碳 —— 氧、碳 —— 鎂的反應(yīng)，直至聚變?yōu)榉€(wěn)定的元素鐵為止，這一階段的恒星經(jīng)歷多次的膨脹收縮，光度也周期性變化，因此這一階段的恒星極不穩(wěn)定。 恒星的歸宿 當(dāng)恒星內(nèi)部的核燃料耗盡之后，原來由熱核反應(yīng)維持的輻射壓力消失，星體將在引力作用下再次收縮，于是進(jìn)入老年期。對(duì)于初始質(zhì)量小于太陽８倍的恒星，最終將變成白矮星。白矮星是一種密度極大，體積很小溫度很高的晚年期恒星；質(zhì)量為太陽８～ 5０倍的恒星在 其核燃料耗盡之后會(huì)發(fā)生猛烈的爆發(fā)在短短幾天中亮度陡增千萬倍甚至上億倍，稱為超新生。爆發(fā)后留下的星核的體積只有同質(zhì)量年輕星的百萬分之一，幾乎全由中子緊緊堆成，稱為中子星。我國宋史記載宋仁宗至和元年（ 1054 年）出現(xiàn)的“客星”就是這樣一次超新星爆發(fā)。９００多年后，英國天文學(xué)家在那個(gè)位置發(fā)現(xiàn)的脈沖星（由于快速旋轉(zhuǎn)而發(fā)出脈沖式電波的中子星），就是那次爆發(fā)的遺跡；質(zhì)量更大的恒星在晚年爆發(fā)后變成密度極大，大到足以將光線都吸進(jìn)去，變成看不見但又確實(shí)存在的天體 —— 稱為黑洞。人們只能通過對(duì)它周圍物質(zhì)的影響間接地探知其存在。一 些發(fā)射出Ｘ射線的雙星系統(tǒng)中，那個(gè)質(zhì)量很大而又看不見的成員，其實(shí)就是黑洞。 形形色色的星系 星系是由數(shù)十億至數(shù)千億顆恒星和氣體塵埃等星際物質(zhì)構(gòu)成，占據(jù)幾千光年至幾十 30 萬光年的空間的龐大天體系統(tǒng)，是構(gòu)成宇宙的基本成員。包括太陽系在內(nèi)的由幾千億顆恒星組成的銀河系就是一個(gè)普通的星系。銀河系以外的星系稱為河外星系。恒星之間的引力吸引將星系保持為一整體。 星系具有形形色色的外貌，但基本上可分為旋渦星系和橢圓星系兩大類，還有一些形狀不規(guī)則的稱為不規(guī)則星系。銀河系就是屬于旋渦星系。旋渦星系的質(zhì)量相差懸殊，有比銀河系大 100 多億倍達(dá)到十萬億（ 1013）倍太陽質(zhì)量的巨旋渦星系。也有小到 1 千萬（ 107）倍太陽質(zhì)量的矮旋渦星系。旋渦星系是盤狀的，中間有凸起的核球，像塊體育運(yùn)動(dòng)的鐵餅，旋渦星系的盤繞其中心旋轉(zhuǎn)，由此而形成其具有幾條旋臂的特征形狀，旋臂由許多最年輕、最亮和最熱的恒星“聯(lián)綴”而成，氣體云和塵埃集中在這里，因而也是恒星不斷誕生的區(qū)域。 宇宙是開放的 從哈勃對(duì)星系所發(fā)出的光，譜線紅移的觀察：光波與聲波一樣，也有類似開普勒效應(yīng)，即面向觀察者運(yùn)動(dòng)的光源譜線（與靜止光源相比）將向高頻（光譜藍(lán)端）移動(dòng)，而背向觀察者運(yùn)動(dòng)的光源 譜線（與靜光源相比）將向低頻（光譜紅端）移動(dòng)。得出的哈勃定律，星系光譜紅移量與星系之間的距離成正比，證實(shí)宇宙是開放的、膨脹的。也就是說，所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去，其退行速度正比同我們的距離。哈勃定律對(duì)任何星系來說都是成立的，所以說宇宙中所有星系都在彼此遠(yuǎn)離，即宇宙處于普遍的膨脹之中。 哈勃的這一發(fā)現(xiàn)為弗里德曼宇宙模型提供了直接的觀察依據(jù)，動(dòng)搖了宇宙整體靜止的傳統(tǒng)觀念，為進(jìn)一步研究宇宙的起源和演化奠定了基礎(chǔ)。 現(xiàn)代宇宙學(xué)包涵愛因斯坦關(guān)于空間、時(shí)間（時(shí)空）皆與物質(zhì)和質(zhì)量四維空間密不可分的概念，宇宙作為一個(gè)演化著 的整體被確認(rèn)。在現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展中具有非常重要的意義，現(xiàn)代宇宙學(xué)對(duì)大宇宙的認(rèn)識(shí)，是人類對(duì)自然界無限性認(rèn)識(shí)的一個(gè)里程碑。 第五章 太陽系及其家族 太陽系天體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律 我們的太陽在宇宙中是處在銀河系 4 條旋渦結(jié)構(gòu)中的第 3 條旋臂（由內(nèi)向外）上的一顆光譜型為 G2v 的恒星。以太陽為中心，其周圍由九大行星及其衛(wèi)星、小行星、慧星、隕星及行星際物質(zhì)、星云、宇宙塵等構(gòu)成的天體系統(tǒng)稱為太陽系。 根據(jù)目前對(duì)太陽系所掌握的知識(shí)，可總結(jié)出如下特征： 行星運(yùn)動(dòng)的同向性、同面性和近圓性 31 行星繞太 陽公轉(zhuǎn)的方向大都是自西向東（個(gè)別例外）這稱為同向性；行星公轉(zhuǎn)軌道幾 乎都在同一個(gè)平面上，若取九大行星軌道平面的平均值稱為“不變平面”，九個(gè)大行 星除最內(nèi)的 水星和最外的冥王星其公轉(zhuǎn)軌道面與不變平面交角分別是 6176。 17′和 15176。 33′之外，其余七大行星的傾角都小于 2176。 2′，其中木星的軌道面與不變平面相合得最好，這稱為共面性；大行星公轉(zhuǎn)軌道都接近正圓形的橢圓，只有水星和冥王星軌道偏心率較大 ,分別為 和 ，其余行星的軌道偏心率都小于 ，這可稱為近圓性。大行星的三個(gè)運(yùn)動(dòng)特征表現(xiàn)得最為突出，質(zhì)量越大的行星又 更為明顯。 太陽系行星衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的共性與個(gè)性 在太陽系已發(fā)現(xiàn)的 127 顆天然衛(wèi)星其中 66 顆較大質(zhì)量的衛(wèi)星約有 1/3 個(gè)在繞本行星的軌道運(yùn)動(dòng)也有同向性、共面性和近圓性三個(gè)特征。但我們的月球是屬于不規(guī)則衛(wèi)星，其偏心率 均大于其它八大行星半徑超過 1000km 的衛(wèi)星（木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、土衛(wèi)六、海衛(wèi)一其偏心率分別是 、 、 、 、 、）；此外月球軌道傾角（繞本行星公轉(zhuǎn)軌道與衛(wèi)星赤道交角）也大于其它行星的衛(wèi)星，其傾角 176。（木衛(wèi)一、木衛(wèi)二 、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、土衛(wèi)六的軌道