Question

人类探索宇宙的历程

Answer 1

宇宙观念的发展 宇宙结构观念的发展 远古时代,人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态,他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测.在中国西周时期,生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为,天穹像一口锅,倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说,认为大地的形状也是拱形的.公元前7世纪 ,巴比伦人认为,天和地都是拱形的,大地被海洋所环绕,而其中央则是高山.古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河.古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上,而象则站在巨大的龟背上,公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘,上面笼罩着拱形的天穹.
最早认识到大地是球形的是古希腊人.公元前6世纪,毕达哥拉斯从美学观念出发,认为一切立体图形中最美的是球形,主张天体和我们所居住的大地都是球形的.这一观念为后来许多古希腊学者所继承,但直到1519～1522年,葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ,地球是球形的观念才最终证实.
公元2世纪,C.托勒密提出了一个完整的地心说.这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动,月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转.为了说明行星视运动的不均匀性,他还认为行星在本轮上绕其中心转动,而本轮中心则沿均轮绕地球转动.地心说曾在欧洲流传了1000多年.1543年,N.哥白尼提出科学的日心说,认为太阳位于宇宙中心,而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星.1609年,J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转,发展了哥白尼的日心说,同年,伽利略·伽利雷则率先用望远镜观测天空,用大量观测事实证实了日心说的正确性.1687年,I.牛顿提出了万有引力定律,深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因,使日心说有了牢固的力学基础.在这以后,人们逐渐建立起了科学的太阳系概念.
在哥白尼的宇宙图像中,恒星只是位于最外层恒星天上的光点.1584年,乔尔丹诺·布鲁诺大胆取消了这层恒星天,认为恒星都是遥远的太阳.18世纪上半叶,由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计,布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同.18世纪中叶,T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说,布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统.弗里德里希·威廉·赫歇尔首创用取样统计的方法,用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例,1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图,从而奠定了银河系概念的基础.在此后一个半世纪中,H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转和旋臂,以及许多人对银河系直径、厚度的测定,科学的银河系概念才最终确立.
18世纪中叶,康德等人还提出,在整个宇宙中,存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统.而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统.此后经历了长达170年的曲折的探索历程,直到1924年,才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在.
近半个世纪,人们通过对河外星系的研究,不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统,而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处.
宇宙演化观念的发展在中国,早在西汉时期,《淮南子·俶真训》指出：“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,认为世界有它的开辟之时,有它的开辟以前的时期,也有它的开辟以前的以前的时期.《淮南子·天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程.在古希腊,也存在着类似的见解.例如留基伯就提出,由于原子在空虚的空间中作旋涡运动,结果轻的物质逃逸到外部的虚空,而其余的物质则构成了球形的天体,从而形成了我们的世界.
太阳系概念确立以后,人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源.1644年,R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年,G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年,康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说.现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来.
1911年,E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年,伯特兰?阿瑟?威廉?罗素则绘出了恒星的光谱-光度图,即赫罗图.罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始,先收缩进入主序,后沿主序下滑,最终成为红矮星的恒星演化学说.1924年 ,亚瑟·斯坦利·爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年,C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应.这两个发现导致了罗素理论被否定,并导致了科学的恒星演化理论的诞生.对于星系起源的研究,起步较迟,目前普遍认为,它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的.
1917年,A.阿尔伯特·爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础.1922年,G.D.弗里德曼发现,根据阿尔伯特·爱因斯坦的场方程,宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的,也可以是振荡的.前者对应于开放的宇宙,后者对应于闭合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年 哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律.这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持.20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型,他们还预言,根据这一模型,应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射.1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言.从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型.1980年,美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型.这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实.
宇宙图景 当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统.
层次结构 行星是最基本的天体系统.太阳系中共有九大行星：水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星（目前只有极少数科学家同意开除它,降为矮行星）.除水星和金星外,其他行星都有卫星绕其运转,地球有一个卫星 月球,土星的卫星最多,已确认的有26颗.行星 小行星 彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转,构成太阳系.太阳占太阳系总质量的99.86％,其直径约140万千米,最大的行星木星的直径约14万千米.太阳系的大小约120亿千米（以冥王星作边界）.有证据表明,太阳系外也存在其他行星系统.2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系.银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内,从侧面看很像一个“铁饼”,正面看去?则呈旋涡状.银河系的直径约10万光年,太阳位于银河系的一个旋臂中,距银心约3万光年.银河系外还有许多类似的天体系统,称为河外星系,常简称星系.现已观测到大约有10亿个.星系也聚集成大大小小的集团,叫星系团.平均而言,每个星系团约有百余个星系,直径达上千万光年.现已发现上万个星系团.包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群.若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团.超星系团往往具有扁长的外形,其长径可达数亿光年.通常超星系团内只含有几个星系团,只有少数超星系团拥有几十个星系团.本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团.目前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间,它称为总星系.
多样性 天体千差万别,宇宙物质千姿百态.太阳系天体中,水星、金星表面温度约达700K,遥远的冥王星向日面的温度最高时也只有50K；金星表面笼罩着浓密的二氧化碳大气和硫酸云雾,气压约50个大气压,水星、火星表面大气却极其稀薄,水星的大气压甚至小于2×10-9毫巴；类地行星(水星、金星、火星)都有一个固体表面,类木行星却是一个流体行星；土星的平均密度为0.70克／厘米3,比水的密度还小,木星、天王星、海王星的平均密 度略大于水的密度,而水星、金星、地球等的密度则达到水的密度的5倍以上；多数行星都是顺向自转,而金星是逆向自转；地球表面生机盎然,其他行星则是空寂荒凉的世界.
太阳在恒星世界中是颗普遍而又典型的恒星.已经发现,有些红巨星的直径为太阳直径的几千倍.中子星直径只有太阳的几万分之一；超巨星的光度高达太阳光度的数百万倍,白矮星光度却不到太阳的几十万分之一.红超巨星的物质密度小到只有水的密度的百万分之一,而白矮星、中子星的密度分别可高达水的密度的十万倍和百万亿倍.太阳的表面温度约为6000K,O型星表面温度达30000K,而红外星的表面温度只有约600K.太阳的普遍磁场强度平均为1×10-4特斯拉,有些磁白矮星的磁场通常为几千、几万高斯（1高斯＝10-4特斯拉）,而脉冲星的磁场强度可高达十万亿高斯.有些恒星光度基本不变,有些恒星光度在不断变化,称变星.有的变星光度变化是有周期的,周期从1小时到几百天不等.有些变星的光度变化是突发性的,其中变化最剧烈的是新星和超新星,在几天内,其光度可增加几万倍甚至上亿倍.
恒星在空间常常聚集成双星或三五成群的聚星,它们可能占恒星总数的1／3.也有由几十、几百乃至几十万个恒星聚在一起的星团.宇宙物质除了以密集形式形成恒星、行星等之外,还以弥漫的形式形成星际物质.星际物质包括星际气体和尘埃,平均每立方厘米只有一个原子,其中高度密集的地方形成形状各异的各种星云.宇宙中除发出可见光的恒星、星云等天体外,还存在紫外天体、红外天体、X射线源、γ射线源以及射电源.
星系按形态可分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜星系和不规则星系等类型.60年代又发现许多正在经历着爆炸过程或正在抛射巨量物质的河外天体,统称为活动星系,其中包括各种射电星系、塞佛特星系、N型星系、马卡良星系、蝎虎座BL型天体,以及类星体等等.许多星系核有规模巨大的活动：速度达几千千米／秒的气流,总能量达1055焦耳的能量输出,规模巨大的物质和粒子抛射,强烈的光变等等.在宇宙中有种种极端物理状态：超高温、超高压、超高密、超真空、超强磁场、超高速运动、超高速自转、超大尺度时间和空间、超流、超导等.为我们认识客观物质世界提供了理想的实验环境.
运动和发展 宇宙天体处于永恒的运动和发展之中,天体的运动形式多种多样,例如自转、各自的空间运动(本动)、绕系统中心的公转以及参与整个天体系统的运动等.月球一方面自转一方面围绕地球运转,同时又跟随地球一起围绕太阳运转.太阳一方面自转,一方面又向着武仙座方向以20千米／秒的速度运动,同时又带着整个太阳系以250千米／秒的速度绕银河系中心运转,运转一周约需2.2亿年.银河系也在自转,同时也有相对于邻近的星系的运动.本超星系团也可能在膨胀和自转.总星系也在膨胀.