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1、地球科学概论（地球科学概论（1414讲）讲）第第 1 1 讲讲宇宙及太阳系起源宇宙及太阳系起源1申文斌，徐新禹，霍学深，金涛勇申文斌，徐新禹，霍学深，金涛勇20152015年年3 3月月5 5日日书目1.1.宇宙是如何起源的宇宙是如何起源的2.2.太阳系是如何起源的太阳系是如何起源的3.3.宇宙中有多少种元素宇宙中有多少种元素4.4.宇宙元素是如何起源的宇宙元素是如何起源的5.5.万有引力作用及万有引力常数万有引力作用及万有引力常数GG2西西方方圣圣经经：起起先先，上上帝帝创创建建天天地地【第第一一天天，上上帝帝创创建建光光；其其次次天天，上上帝帝创创建建水水和和水水生生物物;第第三三天天，上
2、上帝帝创创建建陆陆地地和和植植物物;第第四四天天，上上帝帝创创建建日日月月星星辰辰;第第五五天天，上上帝帝创创建建各各种种动动物物;第第六天，上帝创建人类；第六天，上帝创建人类；第7天，安眠日】天，安眠日】东东方方易易经经（周周易易）：太太极极生生两两翼翼（阴阴阳阳），两两翼翼生生四四象象，四四象象生生八八卦卦，八八卦卦生生万万物物（八八卦卦图图：伏伏羲羲受受河河图图、洛洛书书启启示示所所画画）【道道生生一一，一生二，二生三，三生万物（老子）】一生二，二生三，三生万物（老子）】【宇宙起源时间？】【宇宙起源时间？】1 1 宇宙是如何起源的？宇宙是如何起源的？牛牛顿顿（1687）：确确定定时时间间
3、和和空空间间，空空间间呈呈现现静静止止性性、永永恒恒性性和和无无限限性性【确确定定空空间间，就就其其本本性性而而论论与与任任何何外外界界因因素素无无关，始终保持相像和不变】关，始终保持相像和不变】奥奥伯伯斯斯佯佯谬谬（1826）：夜夜晚晚一一片片光光明明【每每个个方方向向都都布布满满恒恒星】星】爱爱因因斯斯坦坦（1917）：引引入入了了宇宇宙宙常常数数项项，以以满满足足宇宇宙宙静静止止性【最大错误】性【最大错误】1 1 宇宙是如何起源的？宇宙是如何起源的？哈哈勃勃膨膨胀胀（1929）：24个个邻邻近近星星系系远远离离我我们们而而去去，v=Hd【光光谱谱比比对对，基基于于多多普普勒勒原原理理推推
4、断断；H=50-80(km/s)/Mpc.距距离离我我们们1Mpc 的的星星系系的的退退行行速速度度是是50-80km/s.哈哈勃勃的的发发觉觉导导致致宇宇宙宙大大爆爆炸炸学学说说（请请推推理理）1pc(秒秒差差距距)=3*10E16 m】微微波波背背景景辐辐射射：伽伽莫莫夫夫（1946？）：理理论论推推演演，假假如如宇宇宙宙起起源源于于大大爆爆炸炸，则则存存在在遗遗留留的的背背景景光光子子温温度度10K。彭彭齐齐亚亚斯斯和威尔逊（和威尔逊（1964）：发觉）：发觉3.5K 背景辐射。现代结果：背景辐射。现代结果：2.7KHoyle and Tayler(1964):大大爆爆炸炸理理论论要要求
5、求氦氦丰丰度度为为23-25%。实际测量值，普遍存在实际测量值，普遍存在24%的氦丰度的氦丰度 1 1 宇宙是如何起源的？宇宙是如何起源的？大爆炸说三大证据大爆炸说三大证据太阳系的起源2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？笛笛卡卡儿儿（R.DescartesR.Descartes，16441644）在在他他的的哲哲学学原原理理一一书书中中提提出出了了第第一一个个太太阳阳系系起起源源的的学学说说，他他认认为为太太阳阳、行行星星和和卫卫星星是是在在宇宇宙宙物物质质涡涡流流式式的的运运动动中中形形成成的的大大小小不不同同的的旋旋涡涡里里形形成的。成的。康康德德-拉拉普普拉拉斯斯假假说说：由
6、由缓缓慢慢旋旋转转的的气气体体星星云云演演化化而而来来【由由于于引引力力作作用用，渐渐渐渐收收缩缩，旋旋转转加加快快，甩甩出出气气体体物物质质，形形成成星星云云环环；冷冷却却聚聚结结，形形成成行行星星，;逐逐级级进进行行，行行星星又又产产生生卫星，卫星，】难题难题1 1：太阳占太阳系总质量的：太阳占太阳系总质量的99.9%,99.9%,但其角动量不到但其角动量不到2%2%难难题题2 2：假假定定角角动动量量全全部部集集中中于于太太阳阳，在在赤赤道道方方向向的的离离心心力只有引力的力只有引力的5%5%左右，难以甩出物质左右，难以甩出物质2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？解解决决方方案
7、案1：角角动动量量通通过过电电磁磁力力传传递递（Alfven），但但须须要要特别强的太阳磁场【与观测不符】特别强的太阳磁场【与观测不符】解决方案解决方案2：原本就是分级环状气体星云：原本就是分级环状气体星云太太阳阳及及星星云云为为何何总总是是向向一一个个方方向向旋旋转转？【给给出出推推理理过过程程，主主要要接接受受磁磁场场、电电离离、洛洛伦伦兹兹力力等等概概念念】【申申文文斌斌（2013）：中中性性原原子子的的核核子子具具有有磁磁矩矩（磁磁场场，假假定定磁磁力力线线从从北北极极出出，南南极极入入），落落向向原原子子核核的的电电子子逆逆时时针针旋旋转转；原原子子产产生生的的磁磁场场是是反反向向的
8、的（南南极极出出，北北极极入入）；粒粒子子落落向向原原子子，粒粒子子被被电电离离，正正电电荷荷离离原原子子更更近近，受受洛洛伦伦兹兹力力较较大大，因因此此逆逆时时钟钟旋旋转转。以以此类推】【世界难题】此类推】【世界难题】2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？地球位于水晶球中心地球位于水晶球中心,球外有球外有9个套层：个套层：围绕地球转动的围绕地球转动的7个天层，个天层，统称统称Plant；第第8层是恒星天层；层是恒星天层；第第9层是原动力层层是原动力层2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？C.Ptolemy补充了行星补充了行星“均轮均轮”和和“本轮本轮”轨道理论假说。轨道理论假
9、说。“原动力天层原动力天层”使上帝成为推动宇宙运动的使上帝成为推动宇宙运动的“第一推动力第一推动力”。这种宇宙结构符合人类的直觉印象，又符合人类中心说的这种宇宙结构符合人类的直觉印象，又符合人类中心说的基督教义，一度成为中世纪欧洲维护神权统论的理论支柱。基督教义，一度成为中世纪欧洲维护神权统论的理论支柱。2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？太阳系的发觉太阳系的发觉N.Copernicus(14731543)N.Copernicus(14731543)G.Bruno(1548-G.Bruno(1548-1600)G.Galileo(1564-1642)1600)G.Galileo(15
10、64-1642)2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？哥白尼为何能提出日心说？太阳系组成太阳系组成恒星：太阳恒星：太阳行星：水星，金星，地球，火星；行星：水星，金星，地球，火星；木星，土星，天王星，海王星，木星，土星，天王星，海王星，冥王星冥王星 阋阋（xi xi）神神星星（编编号号2003 2003 UB313UB313）小行星：小行星：慧星，流星和陨石，行星际物质慧星，流星和陨石，行星际物质【具具有有异异样样自自转转方方向向的的行行星星：金金星星（倒倒转转）；天天王王星星（躺躺着着转转）】
11、【机机理理说说明明：科学难题】科学难题】体积小、质量小，密度大，类地行星体积小、质量小，密度大，类地行星体积大，质量大，密度小，类木行星体积大，质量大，密度小，类木行星2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？太阳系行星的大小比较太阳系行星的大小比较2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？最新消息：距离我们500光年处，发觉了“地球堂兄弟”l太阳太阳l太阳旋转：太阳旋转：l太太阳阳自自转转轴轴与与黄黄道道面面夹夹角角7o15，周周期为期为27天。天。l旋旋转转速速度度不不匀匀整整，赤赤道道周
12、周期期比比极极周周期期小小约约10天天。【赤赤道道物物质质为为什什么么旋旋转转得慢一些？】【练习题】得慢一些？】【练习题】2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？地球接受的太阳能地球接受的太阳能=太阳总辐射能的太阳总辐射能的2222亿分之一亿分之一太阳的温度：表面平均温度太阳的温度：表面平均温度=5770K=5770K（=5500=5500）中中心心温温度度1.5107K 1.5107K 【思思索索：如如何何推断出来的？】推断出来的？】太阳巨大的能量是如何产生的？太阳巨大的能量是如何产生的？2020世纪前的观点：世纪前的观点：化化学学反反应应（燃燃烧烧）说说，重重力力收收缩缩说说，陨陨星
13、星着着陆陆说说，自然放射性等。自然放射性等。爱因斯坦狭义相对论：爱因斯坦狭义相对论：质能方程：质能方程：2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？一克氢聚变为氦的质量消耗一克氢聚变为氦的质量消耗 x x（克）和转化的热（克）和转化的热能能E E 41.0079:1 41.0079:1（克）（克）=0.029=0.029：(x)(x)克克 x=0.0072 x=0.0072（克）（克）x-E:x-E:E=0.0072(310E=0.0072(3101010)2 2=6.510=6.5101818尔格尔格6280.26280.2亿焦耳亿焦耳 1 1克氢核聚变反应产生的热能，相当于燃烧克氢核聚
14、变反应产生的热能，相当于燃烧1515吨吨石油或石油或27002700吨煤所释放的热量吨煤所释放的热量!可使可使15001500吨水从吨水从00加热到加热到100100。2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？太阳寿命估算：【练习题】太阳寿命估算：【练习题】太阳每分钟消耗的质量太阳每分钟消耗的质量m/minm/min：m/min=2.71014m/min=2.71014克克/min=2.7108/min=2.7108吨吨/min/min一年消耗质量一年消耗质量=24603652.7108=24603652.7108吨吨/年年 =1.4191014 =1.4191014吨吨/年（年（140
15、140万亿吨）万亿吨）太太 阳阳 过过 去去 5050亿亿 年年 中中 消消 耗耗 的的 质质 量量=51091.41014=51091.41014吨吨 =7.01023 =7.01023吨吨占全部质量的占全部质量的%=0.03%=0.03%预料太阳的寿命为预料太阳的寿命为100100亿年亿年假定：太阳没有获得宇宙中的质量假定：太阳没有获得宇宙中的质量2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？5050亿年后太阳所剩质量是现在质量的亿年后太阳所剩质量是现在质量的(1.4/1(1.4/1万万)。5050亿亿年年后后太太阳阳将将进进入入“老老年年期期”，直直到到用用完完它它的的氢燃料为止。氢燃料
16、为止。它它将将起起先先运运用用它它的的氦氦；将将转转变变为为红红巨巨星星，比比现现在在光光明明10001000倍倍，尺尺寸寸要要增增大大100100倍倍左左右右。它它将将吞吞噬噬地地球球等行星。等行星。2 2 太太阳阳系系是是如如何何起起源源的的？德德莫莫克克利利特特：原原子子论论（即即物物质质是是由由一一不不行行分分割割的的最最小小粒粒子子所所组组成）成）古希腊四元素说：土，气，水，火古希腊四元素说：土，气，水，火 【万事万物由此构成】【万事万物由此构成】【四四元元素素说说的的发发展展：毕毕达达哥哥拉拉斯斯（PythagorasPythagoras）四四元元素素说说；亚亚里里斯斯多多德德（公
17、公元元前前384384322322）承承认认四四元元素素说说，但但认认为为组组成成天天体体的的元元素素与与地地球球不不同同，是是纯纯粹粹的的“以以太太”，是是第第五五元元素素。亚亚里里斯斯多多德德在在他他老老师师四四元元素素几几何何化化的的基基础础上上，将将四四元元素素说说发发展展成成为为一一种种体体系。这个思想体系有效地支撑了地心说。】系。这个思想体系有效地支撑了地心说。】图示：图示：3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？东东方方五五行行学学说说：金金木木水水火火土土，相相生生相相克克【如如何何相相生生相相克克？关关系系图图？】【练练习习题题：制制作作相相生生相克关系图，并赐予说明
18、】相克关系图，并赐予说明】门门捷捷列列夫夫元元素素周周期期表表：118 个个，至至少少还还有有20-70种元素尚未被发觉种元素尚未被发觉3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？门捷列夫元素周期表门捷列夫元素周期表3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？门捷列夫元素周期表元元素素合合成成理理论论（B2FHB2FH理理论论）：由由E.M.E.M.BurbidgeBurbidge夫夫妇妇，W.A.FowlerW.A.Fowler和和F.HoyleF.Hoyle于于19571957年提出。年提出。宇宙中各种元素并非在一次大爆是在恒星演化的
19、热核宇宙中各种元素并非在一次大爆是在恒星演化的热核红巨星中心温度达到红巨星中心温度达到:108K,3108K,3个氦聚变为个氦聚变为1 1个碳核；个碳核；6 108K,26 108K,2个碳核聚变为个碳核聚变为1 1个氧核；个氧核；109K,109K,氧核聚变为硅核；氧核聚变为硅核；3 109K-4 109K,3 109K-4 109K,硅核聚变为铁核。硅核聚变为铁核。由于铁核及其外围由于铁核及其外围8 8个电子结构特别稳固，更重的个电子结构特别稳固，更重的 元素无法在恒星的正常核聚变过程中形成。元素无法在恒星的正常核聚变过程中形成。超新星爆发成为重元素诞生的唯一途径超新星爆发成为重元素诞生的
20、唯一途径4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？有轻到重，由简洁到困难：电子，质子，中子(1)轻元素的起源 可能最初宇宙只是含有一些简洁的元素，然后这些简洁元素再组合为困难元素。中子、质子、电子？4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？难题1：如何构成困难元素？没有最初的（宇宙、恒星）大爆炸，就没有高温，就难以形成重元素难题2：何以产生最初的大爆炸呢？(2)重元素的产生重元素的产生（a）太阳本身是由原始的太阳星云物质聚集结团形成的，那些原始的星云物质又是由更早期的恒星死亡后喷射出来的残骸,因为太阳温度还不足以产生重元素（b）形成太阳的原料里早已经含有确定的重元素，因此要
21、真正了解在宇宙中重元素的起源，还须要考察宇宙中比太阳更加早期的恒星4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？难题：恒星是如何起源的？(3)陨石记录陨石记录（a）在原始太阳星云的大部分物质结团为现在的太阳及行星时，漂移游荡于太阳系的宇宙尘埃被初生炙热的太阳熔融甚至汽化，然后凝合为矿物质微粒（b）搜集到这样的微粒，可追踪元素在恒星演化过程中的起源真相4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？(4)恒星爆炸恒星爆炸-聚合聚合-重元素重元素（a）在太阳还没有出世的时候，重元素已经在宇宙各处的恒星里面被制造出来（b）当那些恒星接连爆炸、喷射、死亡之后，它们的遗骸散布于原始星云（c）有
22、一些恒星的边角余料形成了象地球这样的行星。这时元素周期表上面的全部稳定元素，都已经准备好了，构成大山，长河，树木花草，最终构成我们万物之灵人4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？元素起源小结：元素起源小结：相继发生在恒星内部的核融合过程通常是氢燃烧（质子-质子链反应或碳氮氧循环）、氦燃烧、碳燃烧、氖燃烧、氧燃烧和硅燃烧。每添加一个alpha粒子（氦核），元素“前进”一步温度条件特别重要！4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？1 万有引力定律：万有引力定律：2 引力常数引力常数G的测定：的测定：3 引力常数引力常数G是衰变的吗？是衰变的吗？5 5 万有引力作用及万有引
23、力常数万有引力作用及万有引力常数G G1 万有引力定律的本质是什么？【世界难题】万有引力定律的本质是什么？【世界难题】2 万万有有引引力力定定律律是是如如何何创创建建的的？【参参考考牛牛顿顿“自自然然哲哲学学的数学原理的数学原理”】【基于开普勒三大定律可导出万有引力定律】【基于开普勒三大定律可导出万有引力定律】5.15.1 万有引力定律万有引力定律 （牛顿（牛顿16871687）1 你有什么方法来测定你有什么方法来测定G？【思索题】【探讨课题？【思索题】【探讨课题】2 卫星探测法能测出什么量？【思索题】卫星探测法能测出什么量？【思索题】5.2 5.2 引力常数引力常数G的测定的测定1 狄狄拉拉
24、克克大大数数假假设设：G 随随宇宇宙宙年年龄龄而而衰衰减减【大大数数之之间间有有关联】关联】2 基基于于G衰衰减减假假设设得得到到的的推推论论：地地球球膨膨胀胀【论论证证题题】；月月球退行【论证题】；地表引力减小【练习，给出量级关系】；球退行【论证题】；地表引力减小【练习，给出量级关系】；3 你你有有什什么么方方法法估估计计G衰衰变变的的量量级级或或给给出出下下限限【探探讨讨课课题题】5.3 5.3 引力常数引力常数G是衰变的吗？是衰变的吗？思索及练习题：思索及练习题：1 1 亚亚里里士士多多德德的的宇宇宙宙观观与与哥哥白白尼尼的的宇宇宙宙观观有什么区分？有什么区分？2 2 宇宇宙宙大大爆爆炸
25、炸学学说说的的主主要要证证据据？该该学学说说有有什么缺陷？什么缺陷？3 3 阐述古中国的宇宙起源观阐述古中国的宇宙起源观4 4 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？5 5 中中国国五五行行学学说说有有什什么么价价值值？说说明明相相生生相相克关系克关系6 6 如何构建太阳系起源及演化模型如何构建太阳系起源及演化模型 7 7 重元素是如何起源的？重元素是如何起源的？8 8 接接受受适适当当观观测测手手段段估估计计引引力力常常数数 G G 衰衰变变的量级的量级 9 9 月球的退行与引力常数月球的退行与引力常数 G G 的衰变的衰变本本讲讲：讲讲授授了了宇宇宙宙、太太阳阳系系起起源源，太太阳阳系系
26、的的形形成成，宇宇宙宙元元素种类、起源，万有引力定律及引力常数。素种类、起源，万有引力定律及引力常数。重点：重点：p宇宙大爆炸的三个证据p太阳系起源的星云假说p哥白尼的日心说p宇宙中各种元素的起源p引力常数G的测定方法行行星星，地地球球，月月球球的的运运行行规规律律如如何何，这这是是下下次次讲讲授的内容：授的内容：第第2 2讲讲 行星及地月系行星及地月系总总 结结联系方式：联系方式：wbshensgg.whu.edu wbshensgg.whu.edu xyxusgg.whu.edu xyxusgg.whu.edu xshuosgg.whu.edu xshuosgg.whu.edu tyjinsgg.whu.edu tyjinsgg.whu.edu 谢谢 谢谢再见再见