資源簡介

(共38張PPT)
第5章
科學進步無止境
第3節
探索宇宙的奧秘
人類第一次將目光投向太空時，就想知道這浩瀚無垠的宇宙從哪里來，又將去向何處。本節我們將一起探索宇宙起源和演化的奧秘。
宇 宙
的
起 源
1
自古以來，人們通過對日月星辰及周圍事物的觀察，設想著宇宙的模樣。例如，我國有古人認為大地是平的，日月星辰在天空中運行，其上方扣著穹頂(圖 5－8)。
在古希臘，德謀克利特提出了“天體演化說”，即在原子碰撞等原因形成的原始旋渦運動中，較大的原子被趕到旋渦的中心相互聚集形成地球，較小的原子被趕到外圍環繞地球做旋轉運動，變得干燥后燃燒，形成各個天體。德國哲學家康德則提出了“星云假說”，用引力和斥力的觀點描述天體的形成和運動。
在探索宇宙奧秘的過程中，愛因斯坦發現根據廣義相對論建立的宇宙模型不是靜態的，因此引入宇宙學常數進行修正，提出了“有限無界的靜態宇宙”模型。
1929年，哈勃 ( E. Hubble，1889－1953)做了一個具有里程碑意義的觀測：遙遠的恒星發出的光譜與地球上同種物質的光譜相比，波長變長，即向紅光方向偏移( 圖 5－9)。
這一現象說明：不管往哪個方向看，遠處的星系都正在急速地遠離我們而去，并且距離我們越遠的星系離開我們的速度越快。
人類從此走出了靜態絕對的宇宙觀，開始用膨脹的宇宙觀探索宇宙的起源。美國科學家伽莫夫 (G. Gamow，1904—1968) 將微觀的核物理、化學元素的起源與宏觀的膨脹宇宙聯系在一起，提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型，認為宇宙從一個溫度無限高、物質密度無限大的“奇點”爆炸而成(圖 5－10)。
大爆炸宇宙模型不僅能解釋宇宙光譜的紅移現象，而且預言在大爆炸的特殊宇宙背景下產生的微波輻射至今存在于宇宙空間中。
1965 年，威爾森和彭齊亞斯觀測到了宇宙背景微波輻射，大爆炸宇宙模型得到了有力的支持。
宇 宙
的
演 化
2
宇宙將會一直膨脹下去嗎 宇宙的未來將走向何處 根據愛因斯坦廣義相對論的預言宇宙的未來在很大程度上依賴于宇宙中的物質分布( 宇宙物質的平均密度 )。如果宇宙物質的平均密度大于某個臨界值，星系間的引力將最終使膨脹停止并使宇宙開始重新收縮，最終坍縮；如果宇宙物質的平均密度小于該臨界值，宇宙將會繼續膨脹。
但對宇宙物質平均密度的觀測非常困難，因為宇宙中除了可見的發光天體之外，還有大量的暗物質和暗能量。
暗物質是一種不能釋放任何電磁輻射的物質，自20 世紀 70 年代以來，科學家根據對星系之間引力效果的觀測發現，常規物質不可能產生如此大的引力，因此暗物質的存在理論被廣泛認同。
1998 年，科學家索爾·珀爾馬特 (S. Perlmutter)、布萊恩·施密特 (B. Schmidt) 和亞當·里斯 (A. Ricss)通過觀測遙遠的超新星，發現宇宙正在加速膨脹，并且證明了暗能量的存在，因而獲得 2011 年諾貝爾物理學獎。通過觀測和理論分析，科學家推測宇宙的大部分都是由暗物質和暗能量組成的，但人類對暗物質和暗能量的本質至今仍不了解，現有的天文觀測資料還不能確定宇宙的未來將走向何處，這有待于人類的進一步探索。
霍金與天體物理
科學書屋
史蒂芬·霍金( S. Hawking，1942－2018，圖 5－11)出生于英國牛津，17 歲入讀牛津大學，畢業后前往劍橋大學攻讀宇宙學。
他在 21 歲被診斷為患運動神經細胞萎縮癥后，曾一度打算放棄科學研究。但后來他重拾信心，勇敢面對病痛，繼續潛心研究。20 世紀 70 年代，他與羅杰·彭羅斯 ( R. Penrose) 一起提出:愛因斯坦的廣義相對論暗示了空間和時間是從大爆炸“奇點”開始而至黑洞結束。這就是著名的奇性定理。他們因此在 1988 年共獲沃爾夫物理學獎。
霍金發現黑洞不完全是“黑”的，而是有向外的輻射，黑洞的溫度會隨其輻射而升高，最終會爆炸而消失。這就是著名的“霍金輻射”。霍金全身癱瘓，蜷縮于輪椅的狹小空間，他的思想卻在無垠宇宙的最深處飛揚，穿越時間與空間，追尋宇宙的源頭，探索黑洞的奧秘。
永不停息的探索
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16 世紀初，意大利科學家伽利略用望遠鏡觀測天空，從此人類的視野更加開闊。
從伽利略開始人類一直在通過不斷增加電磁波譜的范圍來探索宇宙的奧秘，每一種新的電磁波譜的拓展都意味著打開一扇通向宇宙的新的窗口。
射電望遠鏡是主要接收天體射電波段輻射的望遠鏡。1939 年，美國科學家雷伯利用世界上第一架專門用于天文觀測的射電望遠鏡接收到了來自銀河系中心的無線電波，根據觀測結果繪制了第一張射電圖。2016 年，我國落成啟用的世界上最大單口徑、最靈敏、具有我國自主知識產權的射電望遠鏡(圖 5－12)，是人類探索宇宙深處奧秘的神奇“眼睛”——“中國天眼”。
為了擺脫大氣層對天文觀測的影響，人類還先后發射了許多人造衛星及宇宙飛行器用于天文觀測。著名的哈勃太空望遠鏡自1990年4月24 日升空以來，為人類源源不斷地提供震撼人心的星際圖像，如恒星的誕生和死亡等(圖 5－13)。人們把它的誕生視為天文學走向空間時代的一個里程碑。
引力波開啟了探索宇宙的新窗口，它可讓我們傾聽宇宙，了解宇宙。1916 年，愛因斯坦依據廣義相對論預言，大質量天體發生碰撞、恒星爆炸、中子星合并、黑洞合并等極端天文事件發生時，時空會產生漣漪并產生“引力波”，以光速向外擴張。由于產生引力波的天體離我們過于遙遠，引力波到達地球時就變得極其微弱。2015 年，人類首次直接探測到引力波的存在。
這是由兩個黑洞合并為一個更大黑洞時產生的持續不到1s的引力波信號，被激光干涉引力波天文臺(圖5－14)的兩個探測器以 7ms 的時間差先后捕捉到。
之后，人類多次探測到引力波，但信號皆產生于雙黑洞合并。2017 年8月 17日，人們探測到來自雙中子星合并所產生的引力波信號，這標志著天文學進入了一個新時代。雷納·韋斯(R. Weiss)、巴里·巴里什 (B. Barish) 和基普·索恩 (K. Thorne) 這三位科學家因對 LIGO 探測器和引力波探測的重大貢獻而獲得 2017 年諾貝爾物理學獎。
宇宙茫茫無際，人類的探索將永不停歇。人類這一大自然的精靈，定會把視野擴至宇宙的更深處。
能體會人類對自然界的探索是不斷深入的，能從牛頓力學的局限性體會科學理論既具有相對持久性和穩定性，也存在局限性，人類對自然的探索永無止境；具有探索自然、造福人類的志趣，有關注宇宙起源與演化研究進展的意愿；能體會科學·技術·社會存在相互聯系，需要協調發展。
——科學態度與責任
“中國天眼”與天文學家南仁東
科學書屋
被譽為“中國天眼”的射電望遠鏡 (Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope，FAST)由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。
從 1994年提出構想到 2016 年落成啟用，歷時 22 年，是我國具有自主知識產權，世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。目前“中國天眼”已發現若干脈沖星，人們期待其有進一步的天文發現。
“中國天眼”的首席科學家兼總工程師南仁東 (1945—2017)，為選擇最佳臺址，帶著300 多幅衛星遙感圖，跋涉在中國西南的大山里，先后對比了1 000 多個洼地。
工程建設中，他克服了技術、資金等重重困難，為工程的順利完成作出了卓越的貢獻。他用人生最后的 22 年，精益求精、堅毅執著地實現了一個夢想，用生命鑄就了世人矚目的“中國天眼”。
節練習
1. 查閱資料，了解關于宇宙起源的理論，說說每種理論的內容及科學依據。
略
2. 查閱資料，了解典型的恒星演化過程，并與同學們交流。
略
3. 查閱資料，了解宇宙學的新發展，以小論文或幻燈片等形式進行班級展示，
略
請提問
本課結束
This lesson is over
THANKS!

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