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1、自然界的演化发展谷晓芸guxiaoyun_guxiaoyun_1自然界的演化过程 自然界不仅是存在着，而且是生成着并自然界不仅是存在着，而且是生成着并消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的“过程的集合体过程的集合体”，一切事物都有其产生发，一切事物都有其产生发展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明一、宇宙的起源与演化二、恒星的起源与演化三、生命的起源与进化四、人类的产生与发展2一、宇宙的起源与演化 现代宇宙学是以广义相对论为基础的理论，以哈 现代宇宙学是以广义相对论为基础的理论，以哈勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假
2、设下，研究 勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下，研究宇宙整体的结构、运动和演化规律的一门学科。现代 宇宙整体的结构、运动和演化规律的一门学科。现代宇宙学关于宇宙的模型较多，如 宇宙学关于宇宙的模型较多，如 爱因斯坦静态有限无边宇宙模型爱因斯坦静态有限无边宇宙模型弗里德曼膨胀宇宙模型弗里德曼膨胀宇宙模型恒稳态宇宙模型恒稳态宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型 大爆炸宇宙模型为大多数科学家所接受，通常称 大爆炸宇宙模型为大多数科学家所接受，通常称为 为“标准宇宙模型 标准宇宙模型”。这里着重讲这个模型。这里着重讲这个模型3爱因斯坦静态有限无边的宇宙模型（爱因斯坦静态有限无边的宇宙模型（191
3、71917）这是历史上第一个关于宇宙运动自洽而统一的动力学模型。由于当时尚未发现河外星系普遍退行现象，爱因斯坦相信宇宙在大尺度上的特征是不应该随时间而变化的。1929年哈勃红移发现后，这个模型被抛弃。但这个模型开创了现代宇宙学研究。4弗里德曼膨胀宇宙模型（1922）弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时，得到一个均匀、各向同性的宇宙动态时空度规。由此得到宇宙空间随时间膨胀的观念，哈勃红移发现后，这个模型受到重视。奇点是演化态宇宙学的难题。注：哈勃定律：注：哈勃定律：V0=cZ=H0D其中其中VV00是星系退行速度，是星系退行速度，cc是光速，是光速，ZZ是谱线的是谱线的移量，移量，DD是星系离我们的
4、距离，是星系离我们的距离，HH00是哈勃常数。是哈勃常数。HH00=1515（千米（千米/秒）秒）/百万光年百万光年5恒稳态宇宙模型 1948年英国天文学家H邦迪、霍伊尔、戈尔德共同提出。这个模型认为宇宙是不断膨胀的，其密度保持不变，好处在于不存在奇点问题，但困难在于如何说明物质从虚空中产生。这个模型已经证明是错误的。6勒梅特的大爆炸假说 1927年，比利时天文学家勒梅特发表大爆炸(Big Bang)理论，认为宇宙在此之前是零体积，就是说宇宙内任何两点之间是零距离，物质密度是无限大，宇宙在此之前没有“从前”。突然间，这个零体积的原始原子发生爆炸(点无大小)，不仅物质出现，时间空间的结构也存在了
5、。勒梅特的假说是大爆炸理论的开始。7伽莫夫的大爆炸假说19481948年，美国物理学家伽年，美国物理学家伽莫夫等人受奥本海默的核莫夫等人受奥本海默的核爆炸研究工作的启发，把爆炸研究工作的启发，把核物理知识与宇宙膨胀理核物理知识与宇宙膨胀理论结合起来，提出宇宙起论结合起来，提出宇宙起源于一个温度极高（约源于一个温度极高（约150150亿度）、密度极大、由中亿度）、密度极大、由中子组成的子组成的原始火球原始火球的假的假说，这个假说发展了勒梅说，这个假说发展了勒梅特的大爆炸理论，并说明特的大爆炸理论，并说明了化学元素的起源。了化学元素的起源。伽莫夫 伽莫夫8伽莫夫的大爆炸假说 伽莫夫 伽莫夫认为：认
6、为：“原始火 原始火球 球”充满了辐射和基本 充满了辐射和基本粒子，后来由于球内的 粒子，后来由于球内的基本粒子的相互作用发 基本粒子的相互作用发生核聚变反应，引起了 生核聚变反应，引起了爆炸，并向外膨胀；后 爆炸，并向外膨胀；后来辐射温度和物质密度 来辐射温度和物质密度急速下降，热核反应停 急速下降，热核反应停止，其间产生了各种元 止，其间产生了各种元素，这些元素的演变便 素，这些元素的演变便形成了今天宇宙中的各 形成了今天宇宙中的各种物质。种物质。9根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几个阶段：个阶段：11）、基本粒子形成阶段）、基本粒子形成阶段2
7、2）、辐射或核合成阶段）、辐射或核合成阶段33）、实物阶段）、实物阶段 从从19481948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：这样一部宇宙历史：大爆炸宇宙论大爆炸宇宙论（big-bang cosmology big-bang cosmology）：10 大爆炸开始时 大爆炸开始时 150 150 200 200亿年前，极小体 亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。积，极高密度，极高温度。大爆炸后 大爆炸后10 10-43-43秒 秒 宇宙从量子背景出现。宇宙从量子背景
8、出现。大爆炸后 大爆炸后10 10-35-35秒 秒 同一场分解为强力、电力、弱力和 同一场分解为强力、电力、弱力和引力。引力。大爆炸后 大爆炸后10 10-5-5秒 秒 10 10万亿度（万亿度（10 1013 13 K K），质子和中子形，质子和中子形成。成。大爆炸后 大爆炸后0.01 0.01秒 秒 1000 1000亿度（亿度（10 1011 11 K K），光子、电子、中微子为主，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占 质子中子仅占10 10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。温度和密度不断下降。大爆炸后 大爆炸后0.1 0.1秒后
9、秒后 300 300亿度（亿度（310 31010 10 K K），中子质子比从，中子质子比从1.0 1.0下降到 下降到0.61 0.61。11 大爆炸后 大爆炸后1 1秒后 秒后 100 100亿度（亿度（10 1010 10 K K），中微子向外逃逸，正负电子，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。大爆炸后 大爆炸后13.8 13.8秒后 秒后 30 30亿度（亿度（310 3109 9 K K），氘、氦类稳定原子核（化，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。学元素）形成。大爆炸后 大爆炸后35 35分钟后 分钟后 3 3亿
10、度（亿度（310 3108 8 K K），核过程停止，尚不能形成中，核过程停止，尚不能形成中性原子。性原子。大爆炸后 大爆炸后30 30万年后 万年后 3000 3000度（度（310 3103 3 K K），化学结合作用使中性原子，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作 形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系 用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。统。12大爆炸理论中宇宙的演化历程 大爆炸理论中宇宙的演化历程13 大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：11）河外星系的谱线红移河外星系的谱线红移。
11、观测到河外天体有系统。观测到河外天体有系统性的谱线红移性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。胀的反映。22）3K3K宇宙宇宙微波背景辐射微波背景辐射。（彭齐斯、威尔逊）彭齐斯、威尔逊）33）氦的丰度。在各种不同天体上，氦丰度相当大，）氦的丰度。在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是而且大都是30%30%。用恒星核反应机制不足以说明。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则
12、可以说期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。明这一事实。44）天体的年龄。大爆炸理论主张所有恒星都是在）天体的年龄。大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于于200200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。14二、恒星的起源与演化 根据弥漫说的理论（星云说），恒星的起根据弥漫说的理论（星云说），恒星的起源与演化可划分为引力收缩、主序星、红巨星、源与演化可划分为引力收缩、主序星、红巨星、高密恒星
13、等几个阶段。高密恒星等几个阶段。1、引力收缩阶段（原恒星）星星云云物物质质在在演演化化过过程程中中，由由于于自自身身的的引引力力而而收收缩缩。在在收收缩缩过过程程中中内内部部温温度度升升高高，当当云云团团中中心心温温度度达达到到20002000KK时时，中中心心形形成成内内核核，来来自自恒恒星星内内部部的的辐辐射射压压将将周周围围物物质质驱驱散散，恒恒星星逐逐渐渐露出，恒星露出，恒星“婴儿婴儿”“”“红外星红外星”就诞生了。就诞生了。152 2、主序星阶段、主序星阶段 当 当恒 恒星 星中 中心 心温 温度 度达 达到 到700 700万 万度 度以 以上 上时 时，开 开始 始核 核聚 聚变
14、 变反 反应 应，氢 氢聚 聚变 变为 为氦 氦，恒 恒星 星停 停止 止收 收缩 缩，形 形成 成了 了正 正常 常的 的恒 恒星 星，进 进入 入了 了主 主序 序星 星阶 阶段 段。主 主序 序星 星阶 阶段 段占 占恒 恒星 星一 一生 生寿 寿命 命的 的90%90%，是 是恒 恒星 星最 最稳 稳定 定的 的阶 阶段 段。质 质量 量不 不同 同的 的恒 恒星 星，主 主序 序星 星阶 阶段 段长 长短不同。质量越大寿命越短。太阳约为 短不同。质量越大寿命越短。太阳约为100 100亿年。亿年。33、红巨星阶段、红巨星阶段 随 随着 着核 核聚 聚变 变的 的进 进行 行，恒 恒星
15、 星中 中心 心的 的氦 氦核 核越 越来 来越 越多 多，氦 氦核 核周 周围 围的 的氢 氢越 越来 来越 越少 少，当 当氦 氦核 核质 质量 量占 占到 到恒 恒星 星质 质量 量的 的12%12%时 时，反 反应 应便 便逐 逐渐 渐从 从中 中心 心区 区向 向外 外停 停止 止，从 从而 而辐 辐射 射压 压力 力减 减少 少，恒 恒星 星再 再次 次出 出现 现“引 引力 力坍 坍缩 缩”，释 释放 放出 出巨 巨大 大的 的引 引力 力势 势能 能，使 使中 中心 心温 温度 度升 升高 高至 至上 上亿 亿度 度，引 引起 起三 三个 个氦 氦核 核聚 聚变 变为 为一 一
16、个 个碳 碳核 核的 的新 新的 的核 核反 反应 应。恒 恒星 星外 外层 层膨 膨胀 胀，体 体积 积急 急剧 剧增 增大 大，表 表面 面温 温度 度降 降低 低，内 内部 部的 的引 引力 力和 和斥 斥力 力又 又达 达到 到平 平衡 衡。恒 恒星 星脱 脱离 离主 主序 序星 星阶 阶段 段，进 进入 入了 了老 老年 年期 期 红 红巨 巨星 星。太 太阳 阳将 将在 在这 这阶 阶段 段停 停留约 留约10 10亿年。亿年。164 4、高密恒星阶段、高密恒星阶段 质 质量 量小 小于 于1.44 1.44太 太阳 阳质 质量 量的 的恒 恒星 星则 则比 比较 较平 平稳 稳地
17、 地抛 抛出 出物 物质 质，形 形成 成行 行星 星状 状星 星云 云，中 中央 央残 残核 核留 留有 有一 一颗 颗致 致密 密天 天体 体 白 白矮 矮星 星。质 质量 量1.44 1.44m3.2 m3.2太 太阳 阳质 质量 量的 的恒 恒星 星就 就可 可能 能演 演化 化为 为中 中子 子星 星；更 更大 大质 质量 量的 的恒 恒星 星后 后期 期要 要发 发生 生塌 塌缩 缩或 或大 大爆发，中心成为黑洞。爆发，中心成为黑洞。171819三、生命的起源与进化11、生命的起源、生命的起源 生命的起源是通过化学的途径实现的。目前生命的起源是通过化学的途径实现的。目前认为生命的化
18、学演化过程大致经历了三个阶段：认为生命的化学演化过程大致经历了三个阶段：（11）、从无机分子到有机小分子）、从无机分子到有机小分子 地球的原始大气中含有氨 地球的原始大气中含有氨(NH NH3 3)、甲烷 甲烷(CH CH4 4)、氰化氢 氰化氢(HCN)HCN)、硫化氢 硫化氢(H H2 2S)S)、二氧化碳 二氧化碳(CO CO2 2)、氢气 氢气(H H2 2)、水 水(H H2 2O)O)等成分，但没有游离的氧气。在宇宙射线、太阳紫 等成分，但没有游离的氧气。在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等的作用下而自然合成了一系列的小 外线、闪电、高温等的作用下而自然合成了一系列的小分子有机化合
19、物，例如氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶、分子有机化合物，例如氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶、单糖、脂肪酸等。单糖、脂肪酸等。20 1953 1953年，米勒用水（年，米勒用水（H H2 2O O）、）、甲烷（甲烷（CH CH4 4）、）、氨气（氨气（NH NH3 3）和氢气（和氢气（H H2 2）但是不包括氧 但是不包括氧 气（气（O O2 2）共同混合，他假定 共同混合，他假定 该混合物的成分类似于原始 该混合物的成分类似于原始 大气，然后一起灌入到一个 大气，然后一起灌入到一个 特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加 特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加热，使之不断沸腾，产生气体。气体 热，使之不断沸腾，产
20、生气体。气体经过一个装有两个电极的小室，室内 经过一个装有两个电极的小室，室内连续产生火花，犹如大自然的闪电和 连续产生火花，犹如大自然的闪电和火山爆发，然后经过冷却又变成液体 火山爆发，然后经过冷却又变成液体回到原处。经过一个星期后，米勒使 回到原处。经过一个星期后，米勒使用纸套色版证明了瓶中现在含有几个 用纸套色版证明了瓶中现在含有几个氨基酸和一些其它有机物。氨基酸和一些其它有机物。21（2 2）、从有机小分子到生物大分子）、从有机小分子到生物大分子 当氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪 当氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪 酸等有机小分子物质形成之后，在适 酸等有机小分子物质形成之后，在适 当的条件下，
21、它们可以进一步形成复 当的条件下，它们可以进一步形成复 杂的有机物质。例如蛋白质、核酸、杂的有机物质。例如蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子物质。多糖、类脂等大分子物质。其中蛋白质和核酸的形 其中蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用。对于它们的形成 成对于生命现象具有非常重要的作用。对于它们的形成主要有两种观点。主要有两种观点。、陆相起源。他们认为聚合反应是发生在火山的局部、陆相起源。他们认为聚合反应是发生在火山的局部高温地区，聚合生成的生物大分子经雨水冲刷汇集到海 高温地区，聚合生成的生物大分子经雨水冲刷汇集到海洋，并在一定的条件作用下，继续发展成为复杂的有机 洋，并在一定的条件作
22、用下，继续发展成为复杂的有机物质。物质。（如福克斯）（如福克斯）、海相起源。认为在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸、海相起源。认为在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸等小分子有机物可以被吸附于粘土一类的物质的活性表 等小分子有机物可以被吸附于粘土一类的物质的活性表面，而在适当缩合剂（如羟胺类化合物）存在时，可以 面，而在适当缩合剂（如羟胺类化合物）存在时，可以发生聚合反应。发生聚合反应。（如奥巴林）（如奥巴林）22（3 3）、从生物大分子到原始生命体系的诞生）、从生物大分子到原始生命体系的诞生 生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成 生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成了众多的、乃至成百万的以
23、蛋白质、核酸为基础的多 了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶 分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出 液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表 现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促 面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐 使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，提高的长期过程
24、，其结构、机能便愈益复杂和完善，由此产生出原始生命。由此产生出原始生命。这种原始生命是如何形 这种原始生命是如何形 成的，大致有两种理论：一 成的，大致有两种理论：一 是奥巴林的团聚体假说；另 是奥巴林的团聚体假说；另 一种是福克斯的微球体假说。一种是福克斯的微球体假说。2322、生命的进化、生命的进化（1 1）、从非细胞形态到细胞形态的进化）、从非细胞形态到细胞形态的进化、由原始生命到原始细胞、由原始生命到原始细胞、由原始细胞到原核细胞、由原始细胞到原核细胞、由原核细胞到真核细胞、由原核细胞到真核细胞24（22）、从低等生物到高等生物的进化）、从低等生物到高等生物的进化 真核细胞产生后，生物
25、界分化为两大支，出现了原 真核细胞产生后，生物界分化为两大支，出现了原始的单细胞植物和动物。始的单细胞植物和动物。、植物界的进化、植物界的进化 菌藻植物 菌藻植物 苔藓植物和蕨类植物 苔藓植物和蕨类植物 裸 裸子植物 子植物 被子植物 被子植物(蓝藻是地球上最古老的绿色植物 蓝藻是地球上最古老的绿色植物)25、动物界的进化、动物界的进化 1 1）、从单细胞到多细胞）、从单细胞到多细胞 2 2）、从二胚层到三胚层）、从二胚层到三胚层 3 3）、从无脊椎到有脊椎）、从无脊椎到有脊椎 4 4）、从水生到陆生）、从水生到陆生无脊椎动物 无脊椎动物 脊椎动物 脊椎动物 哺乳动物 哺乳动物 灵长类动物 灵
26、长类动物 猿猴类动物 猿猴类动物 人类 人类动物进化一览表鸟类起源于恐龙2627四、人类的产生与发展11、人类的起源、人类的起源 人类起源于动物 人类起源于动物界。大约在 界。大约在2300 2300万年 万年至 至1800 1800万年前。在热 万年前。在热带雨林地区和广阔的 带雨林地区和广阔的草原上，有一种古代 草原上，有一种古代灵长类动物 灵长类动物 森林 森林古猿活跃在那里，它 古猿活跃在那里，它们是人类最早的祖先。们是人类最早的祖先。而后来的腊玛古猿和 而后来的腊玛古猿和南方古猿是演化到人 南方古猿是演化到人类的过渡阶段。类的过渡阶段。28腊玛古猿：腊玛古猿：腊玛古猿大约生活在腊玛古
27、猿大约生活在14001400万万800800万年前，万年前，身高仅身高仅11米多一点，体重在米多一点，体重在15201520公斤左右。公斤左右。腊玛古猿的地位：腊玛古猿的地位：现代人类 现代人类 现代猿类 现代猿类 南方古猿 南方古猿 腊玛古猿 腊玛古猿 森林古猿 森林古猿 29 南方古猿：南方古猿：南方古猿大约生活在距今 南方古猿大约生活在距今500 500万 万100 100万年以前。我 万年以前。我们人类就是由南方古猿的一支演化而来的。大约 们人类就是由南方古猿的一支演化而来的。大约200 200万 万300 300万年前，南方古猿的一支脱离了古猿类，朝着人 万年前，南方古猿的一支脱离了
28、古猿类，朝着人类的方向演化。类的方向演化。南方古猿的地位：南方古猿的地位：关于南方古猿在人科进化中扮演的角色 关于南方古猿在人科进化中扮演的角色,有三种不 有三种不同的观点，如下图所示：同的观点，如下图所示：3022、人类的发展、人类的发展 可以把史前人类的发展粗可以把史前人类的发展粗 略地分为四个阶段：略地分为四个阶段：（11）、能人阶段）、能人阶段 约在 约在200 200万年前出现在非洲，万年前出现在非洲，身高大约 身高大约150 150公分左右，以树上的 公分左右，以树上的 浆果为食，也会找寻兽尸或捕猎 浆果为食，也会找寻兽尸或捕猎 一些小动物。一些小动物。（22）、直立人阶段）、直立
29、人阶段 约 约200 200万年（或 万年（或150 150万年）开始到 万年）开始到40 40万年期间，其身 万年期间，其身高、体型和现代人差不多。已经开始技术性狩猎，并已 高、体型和现代人差不多。已经开始技术性狩猎，并已经知道用火。经知道用火。东非猿人31北京人32（33）、早期智人（古人）阶段）、早期智人（古人）阶段 大约 大约20 20万一 万一5 5万年前。特征是脑量进一步增大，已 万年前。特征是脑量进一步增大，已经达到现代人的水平，脑结构比猿人复杂得多，其打制 经达到现代人的水平，脑结构比猿人复杂得多，其打制的石器也比猿人规整，有石球和各种尖状的石器，能人 的石器也比猿人规整，有石
30、球和各种尖状的石器，能人工生火，开始有埋葬的习俗，已经开始穿所谓的衣服，工生火，开始有埋葬的习俗，已经开始穿所谓的衣服，不再是赤身裸体。不再是赤身裸体。尼人的葬礼尼安德特人33大荔人（陕西）马坝人（广东）34（4 4）、）、晚期智人（新人）晚期智人（新人）阶段 阶段 大约开始于 大约开始于5 5万年以前，新人在体态上与现代人几 万年以前，新人在体态上与现代人几乎没有什么区别，其打制的石器相当精致，器形多样，乎没有什么区别，其打制的石器相当精致，器形多样，各种石器在使用上已有分工，并且出现了骨器和角器。各种石器在使用上已有分工，并且出现了骨器和角器。新人甚至已会制造装饰品，进行绘画、雕刻等艺术活
31、动。新人甚至已会制造装饰品，进行绘画、雕刻等艺术活动。此后，人类便进入了现代人的发展阶段。此后，人类便进入了现代人的发展阶段。克罗马农人35山顶洞人柳江人（广西）资阳人（四川）36人种的差异:多数人类学家现在将全世界人类分作蒙古人种（黄色人种）、欧罗巴人种(白色人种)和尼格鲁人种(又称尼格罗-澳大利亚人种、赤道人种，即黑色人种）三大人种。也有人认为应当分为黄色人种、白色人种、黑色人种、棕色人种（从黑色人种中划分出来）四大人种。37自然界演化的方向 自然界任何物质系统都要经历产生、发展、衰落、灭亡的历史过程。所有这些演化均可以归为两大类：进化与退化。一般认为：进化对物质世界更具有积极意义，而人类
32、最早精确认识并深入研究的演化现象却是退化。38进化与退化 退化:是是指指物物质质系系统统由由有有序序向向无无序序、由由高高序序向向低低序序的的演演化化过过程程和和趋趋势势。退退化化的的理理论论根根据据就就是是热热力力学学第第二二定定律律。这这一一定定律律指指出出，在在一一个个孤孤立立系系统统中中，任任何何物物理理过过程程或或化化学学过过程程总总是是导导致致熵熵的的增增加加，系系统统最最终终达达到到一一个个具具有有极极大大熵熵值值的的平平衡衡态态，而而且且这这种种熵熵增增过过程程是是一一个个不不可可逆逆的的自自发发过过程程。可可见见，退退化化过过程程就就是是熵熵增增过过程程。克劳修斯的克劳修斯的
33、热寂说热寂说。39进化与退化 进化:进化是指物质系统由无序到有序、由低序到进化是指物质系统由无序到有序、由低序到高序的演化过程和趋势。进化的根据则是生高序的演化过程和趋势。进化的根据则是生物进化论与自组织理论。根据物进化论与自组织理论。根据自组织理论自组织理论，一个系统具备以下条件就会进入有序状态。一个系统具备以下条件就会进入有序状态。必须是一个开放系统；必须是一个开放系统；必须处于远离平衡的状态；必须处于远离平衡的状态；各要素之间存在着非线性的相互作用；各要素之间存在着非线性的相互作用；涨落和突变是产生有序状态的条件。涨落和突变是产生有序状态的条件。40进化与退化的关系 进化和退化是自然界中
34、广为存在的两种趋势和过程。当代科学研究表明，进化与退化是不可分割、辩证统一的。进化与退化相互包含；进化与退化相互包含；进化与退化互为条件；进化与退化互为条件；通过引进负熵和正反馈循环通过引进负熵和正反馈循环进化与退化依据一定条件以互相转化。进化与退化依据一定条件以互相转化。41有序与无序的 熵增原理指出世界无序增加的一面；自组织理论指出，物质系统除了熵增的一面，同样也存在熵减的一面。既存在着无序增加的退化，同时也存在着有序增加的进化。地球作 地球作为 为 一个开放系 一个开放系统 统，与外界不断，与外界不断进 进 行物 行物质 质 和能 和能量的交 量的交换 换，本身也有一定的自，本身也有一定
35、的自净 净 能力。特 能力。特别 别 是地球 是地球是人 是人类 类 活 活动 动 的 的场 场 所，人 所，人类 类 可以根据自己的生存需要 可以根据自己的生存需要有目的地利用和改造自然 有目的地利用和改造自然环 环 境，境，实现 实现 自然、社会的 自然、社会的可持 可持续发 续发 展。因此，即使按照 展。因此，即使按照熵 熵 增原理，地球也不 增原理，地球也不会越来越走向无序。会越来越走向无序。42自然界演化的规律性矛盾是自然界运动与演化的根本动力矛盾是自然界运动与演化的根本动力 吸引和排斥的矛盾是非生命世界运动发展的动力；吸引和排斥的矛盾是非生命世界运动发展的动力；生物和环境的相互作用
36、是生物进化的动力。生物和环境的相互作用是生物进化的动力。渐变与突变是自然界演化发展的基本方式渐变与突变是自然界演化发展的基本方式自然界运动转化的守恒性自然界运动转化的守恒性 各种运动形式之间的转化；各种运动形式之间的转化；量上的守恒；量上的守恒；质上的守恒。质上的守恒。自然界演化的周期性自然界演化的周期性43结语 有关研究终将揭示弥散的物质和能量重新聚集起来的途径，从而从根本上揭示自然界的演化不但存在周期性，而且存在无限循环的可能。如恩格斯指出，当自然科学的发展水平难以解决这个问题的时候，必须借助哲学思维的帮助才能使自己的自然观成为一个和谐的整体。如果我们从质的不灭性方面来理解物质不灭原理和运
37、动不灭原理，自然界的演化图景就只能是周期性的无限循环发展。441028 K10-35 s1012 K10-6 s1011 K10-2 s1s108 K3 分钟以后 3103 K100万年10亿年100亿年 101亿年 120亿年 138亿年 140亿年109 K4s以后爆涨 强子时代轻子时代 中子14质子86遗留大量的中子和质子核合成 退耦代 星系、恒星开始形成银河系、太阳系形成始生代 原生代 中生代 智人基本粒子形成阶段核合成阶段实物阶段温度 时间 01032 K10-43 s奇点真空场45宇宙的未来：宇宙的未来：宇宙临界密度的估计值是：宇宙临界密度的估计值是：cc=4.710 4.710-
38、27-27/m/m3 3 若 若c c；震荡式或脉动式宇宙。震荡式或脉动式宇宙。若 若c c；开放式宇宙 开放式宇宙46宇宙和天体的起源和演化 多普勒效应：光源远离我们时，光谱线会红移（波长变长，光源远离我们时，光谱线会红移（波长变长，频率变小，能量变小），反之紫移（波长变频率变小，能量变小），反之紫移（波长变短，频率变大，能量变大）。这一效应在天短，频率变大，能量变大）。这一效应在天文学上应用很广泛，是测量天体运动速度的文学上应用很广泛，是测量天体运动速度的手段。手段。47宇宙和天体的起源和演化 宇宙膨胀19291929年，美国天文学家，埃德温年，美国天文学家，埃德温哈勃作出哈勃作出了一个具
39、有里程碑意义的发现，即不管你往了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早而去，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约大约100100亿至亿至200200亿年之前的某一时刻，它们亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。48宇宙和天体的起源和演化 哈勃常数哈勃哈勃通过测量星云的光
40、谱红移计算它们的速通过测量星云的光谱红移计算它们的速率，并于年代末提出了著名的哈勃常数。率，并于年代末提出了著名的哈勃常数。哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比值；星云与地球的距离越远，其远离速度越值；星云与地球的距离越远，其远离速度越高。随着对宇宙的探测范围越来越广，哈勃高。随着对宇宙的探测范围越来越广，哈勃获得了一项更大的发现：所有的星系都在远获得了一项更大的发现：所有的星系都在远离我们而去。宇宙在日益膨胀，似乎是在曾离我们而去。宇宙在日益膨胀，似乎是在曾经是高度集中的基础上彼此分离而去（膨胀经是高度集中的基础上彼此分离而去（膨胀理论）。理论）。49
41、宇宙和天体的起源和演化 爱因斯坦的遗憾当时天文学家普遍认为宇宙是静止的。因此，当时天文学家普遍认为宇宙是静止的。因此，当爱因斯坦提出广义相对论假设的时候，为当爱因斯坦提出广义相对论假设的时候，为了回避争论，他在自己的理论中加进了宇宙了回避争论，他在自己的理论中加进了宇宙静止论，尽管其理论本身也表明宇宙必须是静止论，尽管其理论本身也表明宇宙必须是日益膨胀或收缩的。日益膨胀或收缩的。19311931年，爱因斯坦在威年，爱因斯坦在威尔逊山天文台参观的时候紧紧握住哈勃的手，尔逊山天文台参观的时候紧紧握住哈勃的手，承认他犯了一生中最大的错误。承认他犯了一生中最大的错误。50宇宙和天体的起源和演化 哈勃的
42、遗憾哈勃在天文学研究方面取得的巨大成就，使哈勃在天文学研究方面取得的巨大成就，使他获许多荣誉，甚至连罗马教皇庇护他获许多荣誉，甚至连罗马教皇庇护1212世也世也对他的成就给予高度评价。哈勃渴望能获得对他的成就给予高度评价。哈勃渴望能获得诺贝尔奖，终因该奖未设天文学奖项而未能诺贝尔奖，终因该奖未设天文学奖项而未能如愿。在他如愿。在他19531953年逝世的时候，诺贝尔评奖年逝世的时候，诺贝尔评奖委员会正考虑授予他诺贝尔物理学奖。人们委员会正考虑授予他诺贝尔物理学奖。人们在他逝世以后授予他多种荣誉，其中包括在他逝世以后授予他多种荣誉，其中包括19901990年发射的以他的名字命名的哈勃大空天年发射
43、的以他的名字命名的哈勃大空天文望远镜。文望远镜。51“哈勃 哈勃”太空望远镜 太空望远镜哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。52伽莫夫的大爆炸假说 宇宙微波背景辐射预言 19481948年科学家伽莫夫在一篇和拉夫年科学家伽莫夫在一篇和拉夫阿尔法合阿尔法合作的论文中作出惊人的预言，宇宙形成早期阶作的论文中作出惊
44、人的预言，宇宙形成早期阶段的辐射迄今还应该留在周围。段的辐射迄今还应该留在周围。就是说，我们就是说，我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，其温度约为其温度约为6K6K。正如一个火炉虽然不再有火了，。正如一个火炉虽然不再有火了，还可以冒一点热气。还可以冒一点热气。53伽莫夫的大爆炸假说 宇宙微波背景辐射证实19641964年，美国贝尔电话公司的工程师彭齐亚斯和威年，美国贝尔电话公司的工程师彭齐亚斯和威尔逊，在调试他们那巨大的喇叭形天线时，出乎尔逊，在调试他们那巨大的喇叭形天线时，出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声，各个方向上意料地接收到一种无线电干扰
45、噪声，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无边化。难信号的强度都一样，而且历时数月而无边化。难道是仪器本生有毛病吗？或者是栖息在天线上的道是仪器本生有毛病吗？或者是栖息在天线上的鸽子引起的？他们把天线拆开重新组装，依然接鸽子引起的？他们把天线拆开重新组装，依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声不是来自人收到那种无法解释的噪声。这种噪声不是来自人造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终星系射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终不变。后来，经过进一步测量和计算。得出辐射不变。后来，经过进一步测量和计算。得出
46、辐射温度是温度是2.7K2.7K，一般称之为，一般称之为3K3K宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射。54伽莫夫的大爆炸假说 3K宇宙微波背景辐射发现的意义 因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持！这是继一个非常有力的支持！这是继19291929年哈勃发现年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇宙微波背景辐射的发现，为观测宇宙开辟了一宙微波背景辐射的发现，为观测宇宙开辟了一个新领域，也为各种宇宙模型提供了一个新的
47、个新领域，也为各种宇宙模型提供了一个新的观测约束，它因此被列为观测约束，它因此被列为2020世纪世纪6060年代天文学年代天文学四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于19781978年获年获得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定中指出：这一发现，使我们能够获得很久以前中指出：这一发现，使我们能够获得很久以前宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。55恒星的起源与演化：恒星的起源与演化：原始星云 原始星云原恒星 原恒星恒星 恒星引力收缩 约1万度，开始发光。8105 K，氢燃烧生成氦。8106 K
48、，稳定。主序星稳定阶段，氢燃烧生成氦。红巨星较重的元素形成。高密恒星白矮星（M1.44 M）弥漫状星云超新星爆炸中子星（1.44MM3.2M）黑洞（M3.2M）中子星和白矮星红矮星黑矮星56肽键氨基酸蛋白质的形成：蛋白质的形成：57DNADNA的结构：的结构：A：腺嘌呤；G：鸟嘌呤；C：胞嘧啶；T：胸腺嘧啶58热力学第一定律 热力学第一定律即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能无形消失，自然界中能量可以从一种形式转无形消失，自然界中能量可以从一种形式转化为另一种形式，总能量不变。违背热力学化为另一种形式，总能量不变。违背热力学第一定律的过程都不可能发生，第
49、一类永动第一定律的过程都不可能发生，第一类永动机是不能造成的。机是不能造成的。高温物体低温物体Q不会自动发生高温物体低温物体Q会自动发生 59热力学第一定律 热力学第一定律即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能无形消失，自然界中能量可以从一种形式转无形消失，自然界中能量可以从一种形式转化为另一种形式，总能量不变。违背热力学化为另一种形式，总能量不变。违背热力学第一定律的过程都不可能发生，第一类永动第一定律的过程都不可能发生，第一类永动机是不能造成的。机是不能造成的。气体自由膨胀会自动发生气体自动收缩不会自动发生60热力学第一定律 热力学第一定律即能量守恒定
50、律能量不能无中生有，也不能即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能无形消失，自然界中能量可以从一种形式转无形消失，自然界中能量可以从一种形式转化为另一种形式，总能量不变。违背热力学化为另一种形式，总能量不变。违背热力学第一定律的过程都不可能发生，第一类永动第一定律的过程都不可能发生，第一类永动机是不能造成的。机是不能造成的。功转变成热量会自动发生热量自行转变成功不会自动发生61第一类永动机魔轮:右侧重垂在重力作用下远离转动轴，力矩随之增大，驱动魔轮转动，但由于左侧重垂数量更多，平衡了系统力矩，永动无法实现。上世纪20 年代德国的一张明信片，拿爱因斯坦开玩笑。62可逆与不可逆过程可逆过程可逆过程一