1-1   近代宇宙创生说

 

  随着科学和技术的快速发展，人类对宇宙的观测分析和总结认识日新月异，不同的时期、不同的学派有着不同的解释。

  在现代，关于宇宙是如何形成的。到目前为止有着多种不同的解释。

 

一、牛顿静态态宇宙学说

 这种宇宙学术观点不单指牛顿先生持有这种看法。而是在牛顿经典力学体系兴盛的那个时代所形成的基本观念。这种静态宇宙观有两个基本的信条：

一是宇宙没有开始；

二是宇宙没有结束。

 这种宇宙观的支撑理论是：

 时间和空间是绝对的、相互独立的。

 时间和空间都是无限的。

 所以，宇宙是没有变化的。

 

二、爱因斯坦有限无界宇宙理论

 1917年，爱因斯坦发表了一篇题为《根据广义相对论对宇宙学所作的考察”》的重要文章。爱先生以他的《相对论》引力场方程为依据，提出了一个有

 限无界的静止的宇宙学说。

 他的理论根据是：

 现实的三维空间是一个无界空间。无论哪个方向都没有边界。

 宇宙的三维空间是弯曲的。一个有曲率的三维空间只能是有限的。

 有界，还是没界。有限，还是无限。至今没有定论。

 

三、伽莫夫的大爆炸宇宙理论

   弗里德曼（1888年6月16日－1925年9月16日）出生于俄国的圣彼得堡，原苏联数学家、气象学家、宇宙学家。

 弗里德曼1924年在发表的论中阐述了膨胀宇宙的思想，称为弗里德曼宇宙模型。这一观点1924年被美国天文学家埃德温·哈勃所证实。

 1927年比利时数学家勒梅特认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的宇宙蛋里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今天的宇宙。

 伽莫夫，俄国人，生于1904年,弗里德曼的学生。是核物理学家兼天文物理学家。留学哥本哈根和剑桥的卡文迪许实验室。由于提出了恒星能量来自内

 部热核反应的理论被授予1967年诺贝尔物理学奖。

 1948年，伽莫夫与他的学生先后发表了《宇宙的演化》、《化学元素的起源》等著名文章。把核物理学和天文物理学两个学科对宇宙的相关理论结合起

 来。提出了一种全新的宇宙创生理论；

 宇宙是在超高温超高压下，由于空间膨胀，原始粒子随着空间膨胀不断降温降压而逐渐变成质子、中子、电子等，再聚合成各种原子，直到后来演变成

 不同恒星、星系以及各种天体而形成的。

 这一理论的突出之处是：

 宇宙有开始。

 宇宙在不断的演变。

 宇宙创生时由于高温高压高速膨胀，应当遗留下温度为5—10开的宇宙背景辐射。

 由于伽莫夫的宇宙创生理论由高温高压高速膨胀形成，持反对意见的人就嘲讽为“大爆炸”。伽莫夫认为“大爆炸”一词十分贴切，便欣然接受。因此，

 伽莫夫的宇宙理论便叫做“大爆炸宇宙理论”。

 

四、稳恒态宇宙理论

 伽莫夫的大爆炸膨胀宇宙理论并没有被人们所接受。尽管膨胀宇宙已经得到美国天文学家哈勃的实测验证。因为那时有一个无法解释的矛盾：根据当时

 数据计算的宇宙年龄还不到20亿年。而已测得的地球年龄和恒星年龄都已经超过了40亿年——这当然是不可能的。伽莫夫的大爆炸膨胀宇宙理论遭到了

 必然的冷落。

 正是在这种情况下，英国天文学家邦迪、霍伊尔和戈尔德共同提出了稳恒态宇宙学说。这种宇宙观的主要理论是：

 宇宙物质的空间分布在大尺度上是均匀的且具有相同性。

 宇宙是永恒稳定的，不存在演化问题。

 这一理论认为：宇宙既不是静态的也不是膨胀演化的。而是永恒稳定的。但是，这一理论随着天文学理论和天文观测水平的不断提高，却暴露出越来

 越多与基本物理定律相违背的问题。

 

五、标准宇宙模型——大爆炸宇宙模型

  彭齐亚斯和威尔逊都是为贝尔实验室工作的美国科学家。在1963至1964年间为了改进卫星通讯，建立高灵敏度的接收天线系统。他们在测量银晕气

 体射电强度时，发现一个来自各个方向的总有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K的热辐射，应该

 是宇宙背景微弱的辐射。1965年他们又将其修正为3K，并将这重大发现公布。为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖——宇宙微波背景辐射终于被发现了。

 

  哈勃发现《红移》，而证实宇宙确实在膨胀。

  彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射。

  哈勃常数值的重新测定解决了宇宙年龄问题。

  基本粒子物理学的飞速发展。

  天文观测有了越来越多的新发现。

  ······

  随着时间的推移，不断有新的证据证明大爆炸宇宙理论可能是正确的。并且被大多数宇宙科学家接受。也逐渐为世界所公认。

  伽莫夫的“大爆炸”膨胀宇宙理论成了今天解释宇宙变化的“标准宇宙模型”。

  大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：

  物理定律的普适性和宇宙学原理。

  宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。

  宇宙大爆炸理论是现代宇宙学的一个主要流派，它能较满意地解释宇宙中的一些根本问题。是关于宇宙形成的最有影响的一种学说。

  大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段温度从热变冷、物体从密变稀、空间从小变大、构造从简变繁的演化史。在这个时间内，宇宙体

 系并不是静止的，而是在不断地膨胀、不断地变化。

 

 

 

 

  我们试图综合几种相关说法，根据学术界目前流行的主要宇宙模型和相关资料来描述宇宙演化的梗概；

1、宇宙诞生； 

  约137亿年前，由密度极高、体积极小的所谓“奇点”爆炸。温度大于1万亿度。 

 

2、暴胀时代：

  爆炸后的宇宙，仅在1秒的1万亿分之1的1万亿分之1、再1万亿分之1的超极短报时间（10^-36）内，便膨胀到了1万亿的1万亿、再1万亿的1000万倍

 （10⁴³）的大小。暴胀结束时，基本粒子产生 。

 

3、粒子时代：

  宇宙诞生1万分之1（10^-4）秒后，由于宇宙膨胀，温度下降到约1万亿度。质子、中子产生。这意味着天字第一号的氢元素出世了。

 

4、聚变时代：

  宇宙诞生约3分钟后，温度下降到约10亿度，核聚变反应开始。质子和中子碰撞组合形成最早的原子核。

 

5、原子时代：

  宇宙诞生约38万年后，温度继续下降到了3000度左右。由于电子被原子核所“俘获”生成原子。宇宙内最早的原子终于诞生了。

  原子的诞生使刚刚形成的宇宙进入了一个深刻变化的时期：

  一是各类不同的原子逐渐产生。

  二是宇宙空间密度差异变大。

  三是能量梯度不断扩大。

  从宇宙诞生直到恒星产生这段约3亿年的时间内，整个宇宙一直是黑暗的。被称为“黑暗年代”。

 

6、恒星时代：

  宇宙诞生约3亿年后，温度仍在降低。随着宇宙空间密度、能量梯度的聚合变化，宇宙产生了它诞生以来的天体——第一代恒星。首批恒星的质量大

  约是今天太阳质量的数十倍到100倍。

  由于原始恒星开始进行核聚变反应，其亮度大概是太阳的数十万倍到100万倍。从此宇宙告别了黑暗因为恒星的发光而变得明亮。星光灿烂的宇宙辉

  煌时期开始了。

 

7、星系时代：

  宇宙诞生约5亿年后，由于能量的梯度作用，那些在宇宙膨胀时期气体密集的部分在恒星演变中逐渐变成了星系。这是宇宙上最早的星系。有的成球状，

  有的成圆盘状，有的则成为不规则的形状。原始星系经过数亿或数十亿年漫长岁月的缓慢演变，小星系终于变成了大行星。

 

8、宇宙诞生约8亿年后，恒星、星系、超新星、黑洞···等演出角色竞相出场。一个逐渐成熟、不断壮大的宇宙正在日趋发展、日渐稳定。

 

  137亿年来，在宇宙这个变幻莫测的舞台上，不断上演着千变万化、精彩震撼的实景活剧。

  我们生活的地球位于太阳家族——也称太阳系，而太阳系又处在银河系中。

 

 

1-2   银河系内的太阳家族

 

 

——银河系

  我知道的银河，是儿时听奶奶讲那个家喻户晓的牛郎织女故事的时候。不过，奶奶指着天空那条奶白色的长带告诉我的不是银河，而是天河。

  天河后来变成了银河，即银河系，这一变化是人类努力求索不懈奋斗的结果。

  牛郎星和织女星距离地球十分遥远，分别是16光年和26.3光年，它们之间的距离也十分遥远，是16.4光年。它们看起来只是两颗小小的光点，其实

牛郎星和织女星都是巨大的星球。

  织女星的直径是太阳直径的3.2倍，体积为太阳的33倍，质量为太阳2.6倍。

  牛郎星的直径为太阳直径的1.6倍。其赤道半径为极半径的1.5倍，发光比太阳强大8倍。

  织女星的体积是牛郎星的8倍，质量约是牛郎星的1.5倍，其表面温度高达8900℃，比牛郎星高出近2000℃。

 

  银河系，诞生在宇宙形成后的星系时代。是一个大约由几千亿颗恒星、数千个星团和星云组成的棒旋星系。银河系的直径约为120000光年，中心厚

度约为6000光年。

   银河系的中心区域是一个高档豪宅小区，这里居住的是高密度的、年龄都在100亿年以上的老年白矮星、红色恒星。

        中心是银核，可能是一个质量巨大的黑洞。

          银盘，是银河系的基本区域。他占有银河系中90%的质量。

        银河系有4条旋臂：分别是人马臂，猎户臂，英仙臂，天鹅臂。太阳系位于猎户臂内侧。太阳到银河中心的距离大约26,000光年。

        太阳系围绕银河中心旋转，大约每2.5亿年在其公转轨道上绕行一周，2.5亿年即等于一银河年。

 

  太阳家族就居住在银河系。

 

——太阳系

  太阳系形成于宇宙诞生后约91亿年。即距今46亿年。

  太阳系到底怎么样形成的呢？

  人类自古以来就没有停止对太阳诞生原因追寻的脚步。由于太阳与地球上的人类有着生死相关的联系，人类对太阳的观测、探索可以追溯极为久远。

  到有文字记载后，中国古代的典籍《尚书》中，记载了发生在公元前2000年前后夏代的一次日食中出现的太阳黑子，这是目前已知人类最早的相关

记录：

 “日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”

  公元前400年，希腊人曾经看到过太阳黑子。

  1239年，俄罗斯的编年史中曾提到过日珥，称其为“火舌”，

  1605年，伽利略通过望远镜也发现了太阳黑子。

  1644年，法国哲学家和数学家笛卡儿在《哲学原理》中提出涡流学说。

  1842年，在一次日食中重新发现了日珥。

  1745年，法国动物学家布丰提出第一个灾变说，

  1843年，Schwab施瓦本发现了太阳活动的11年周期。

  1851年，在一次日食中拍摄到了第一张日冕的照片。

  1859年，人们发现了太阳耀斑。

  1824年，夫琅禾费发现了太阳光谱中的谱线。

  1868年，又在太阳光谱中发现了一种新的元素，取名为氦。

  1908年，美国天文学家海耳发现黑子具有很强的磁场。

  1938年，汉斯·贝特提出了恒星内部质子-质子链反应和碳氮氧循环两种核反应过程，阐明了太阳能源的运行机制。

  1944年，以斯米特为首的学派提出了吸积假说，其思想在50年代得到尤里等科学家的进一步发展 。

  德国的魏扎克于1945年、英国的霍伊尔于是955年、瑞典的阿尔文于1962年先后提出了新星云说。我国已故著名天文学家戴文赛也于1978年提出了一

个能比较全面、系统、有内在联系地论述太阳系起源的星云学说。

  1975年，美国的天空实验室搭载的X射线望远镜观测了太阳的X射线辐射。

  1980年，CMM卫星首次在硬X射线波段对耀斑进行了成像。
  1990年，美国发射了尤里西斯号探测器观测太阳的极区。

  以后，其他一些国家也陆续发射了观测卫星，对太阳进行专门的科学研究。
  由于科学的深入发展和观测仪器地不断提高，今天对太阳的研究进入到了一个高峰时代。

 

  根据人类承前启后的不断求索，总结出多种太阳系起源的理论：

1、慧星碰撞说：

  早期太阳与一颗巨大的慧星相撞，慧星破裂成碎片飞散到太空，形成太阳系中地球和其它行星。

 

2、星云收缩说：

  是18世纪后半叶德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出来的。星云说认为，太阳系是由一团巨大、灼热而又转动着的原始太阳星云在引力作用

 下演化而成的。

 

3、气体圆盘说：

  是康德和拉普拉斯进一步推广的假说，既然星云中一团正常收缩的气旋越转越快，其结果就会围绕着中心星云在垂直自转轴的平面内形成一个巨大

 的气体圆盘。尔后圆盘在快速旋转中收缩变成太阳，一些被甩出去的环状气团和遗物则变成地球等行星和它们的卫星。

 

4、密度扰动说：

  原始太阳星云在银河系内不停旋转并不断收缩。随着离它不远的一颗超新星爆发，冲击波夹裹着爆炸形成的抛撒物以每秒上万公里的速度冲向原始

 太阳星云。太阳星云由于受到扰动其密度发生突变。在其密度最高的中心区经过不停运动终于形成了太阳。

  还有：星云吸积说、二力作用说等等。

  自1755年康德提出第一个太阳系起源的星云说以来，已有四十多种学说。

 

  可以把太阳系起源各种学说分为三类：

一是灾变说，认为行星物质是因某一偶然的巨变事件从太阳中分出的。

二是俘获说，认为太阳从恒星际空间俘获物质，后来演变成行星。

三是共同形成说，认为整个太阳系所有天体都是由同一个原始星云形成的。中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。

 

  到目前为上止比较主流的太阳系起源现代星云假学是这样的： 

 大约在50亿年前，宇宙空间存在着许多巨大的星际云，在盘状的银河系中，存在着无数由气体和尘埃组成的星云团，其中有一个就是体积很大的原始太

 阳星云。这个星云结构的主要成份是氢分子，同时含有少量的氦分子和其他元素。整个是一能产生聚变的星云气团。因为旋转、吸附、梯度等组合作用，

 星云结构开始迅速收缩。

  大约数亿年之后，在云团中心形成了一个高温、高压、高密度的气体球，并在其核心触发了核聚变反应，释放出大量的热和光。

  它就是太阳。

  在太阳形成以后，残存在太阳周围的一些气体和尘埃，由于能量作用形成了围绕太阳旋转的地球等行星、行星的卫星、彗星等其他太阳系的诸多天体。

  我们的地球和卫星——月球，都是这次巨大变化的产物。

  刚刚诞生的太阳系经过长时间的自我组织、自我调整，最后达到平衡状态。太阳系逐渐进入了稳定期——今天的太阳系：

  它位于银河星系一条叫做猎户臂的旋臂上。距离银河系中心约25000光年——28000光年。绕银心旋转一周约需要2.5亿年。

  我们的太阳系，正位于银河系所谓的银河生命带上。

 

太阳系的组织结构：

  太阳系共有八大行星：按照离太阳的距离从近到远，它们依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

  太阳系曾经有过 “九大行星”的历史。老九就是冥王星。但是，在2006年8月24日布拉格举行的第26届国际天文联会中通过的第5号决议中,冥王星

 被划为矮行星——从太阳系九大行星中被除名。

  按照相关国际组织的行星的定义：

一是必须围绕恒星运转的天体；

二是质量足够大，能依靠自身引力使天体呈圆球状；

三是其轨道附近应该没有其他物体。

  冥王星符合其中第一、二条标准，但是冥王星没有能够清空其轨道上的其他物体，因此降级为“矮行星”。

  而矮行星的标准是：具有足够质量、成圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体。冥王星恰好符合矮行星的全部标准。

  从此，老九走了。

 

 

1-3   地球演化简史

 

 

  数千年来，人类都认为地球是宇宙的中心。地球作为中心是不动的。包括太阳在内的宇宙中所有其它天体都围绕地球运行。

  但是，哥白尼、伽利略、开普勒和牛顿等一代代探寻科学的前辈们，前赴后继、执着追“星“。先后发现了我们居住的地球并不是宇宙的中心，地

球是绕着太阳这颗恒星旋转着的行星。

 以太阳为中心，仍是17世纪最前瞻性的概念。

经过接力赛式的科学研究和宇宙观测，人们掌握了越来越多的证据。才逐渐接受地球不仅自己转动，还绕着太阳公转的事实。

 但是，关于地球到底是如何形成的却有着种种不同的假说。

 

 

——关于地球起源的种种假说：

灾变说

  认为是太阳与另外一颗恒星或是快速运动的慧星发生了严重的碰撞 。碰撞出的材料经过变化形成了地球等行星。

俘获说
  这一假学认为太阳形成后俘获了周围的或宇宙空间里的其它星际材料而形成了地球等行星。

  还有形形色色的诸如共同说、伴星说、抛射说···等等几十种假说。

  但是，现行比较主流的假说还是星云说。

 

星云说

  太阳系是在银河系内由原始星云逐渐演化而形成的。而太阳系内的行星是在太阳系诞生的演变过程中由其星云材料逐步构成的；

  原始太阳星云在体积收缩变小，温度、密度变大，旋转速度变高的不断运动中，终于在其核心部分爆发了核聚变反应：

  一个高温、高压、高亮度的巨大火球爆发形成———我们的太阳正式诞生了。

 

  原始太阳星云中心部分变成新生的太阳后，其余边际残留的星云部分由于新太阳的高能、高温、高压核聚变也随着发生了巨变——星云中的尘、气、

冰、石等各种组分反复进行着碰撞、吞并、组合——不断聚集：

  聚集体体积不断变大：

  聚集体数量不断变少；

  随着太阳自组织功能逐步完善、稳定，由尘、气、冰、石等组成的聚集体按照质量和能量结构等分类排队，也完成了从聚集体到星核，到星胚胎和

  早期行星的变化过程——最早的原始地球完全成了它的聚集阶段。

 

  由于早期原始地球的成长受到太阳系整个家族环境的制约——它仅仅是一个受太阳超高能量控制、系族间互相影响的一个组分——行星。这时的地球，

 其自身温度还比较低，是一个相对均匀、尚无分层结构的球形组织。

 刚刚形成的地球运行在自己的轨道上与其它的行星和正在变成行星的哥们一道接受着尘、气、冰、石等多种材料的碰撞。并因为自身质量的不断壮大而

 加大吸附和吞并着尘、气、冰、石等各种材料。如此不断循环，加之陨石物体长时间、大数量轰击。太阳、放射物高能致热，可能还有某一颗超新星爆

 发抛散出来的重元素或其它什么材料造成的冲击、扰动。使原始地球收缩而温度逐渐升高，最后成为粘稠的熔融状态。地球内部结构开始分层：较重的

 物体渐渐地积聚到中心从而形成地核；较轻的物体包裹在表层成为地壳；其它的物体则构成液状夹在中间变成了地幔。

  至此，地球的层圈结构演变完成。原始地球终于形成。

 

——地球形成以来的年代划分及相关节点;

  地球的形成是一个漫长连续的过程。人们为了方便研究，将这一过程按其特点划分为不同的发展阶段。各个阶段的划分既考虑了地球的进化发展、

地质变化、气候环境，也注意和考虑到了生命的产生、进化的不同变化，一般叫地质年代。

  地质年代，是指地壳上不同时期的岩层在形成过程中的时间顺序。

  其中时间表述单位包括宙、代、纪、世、期、时；

  地层表述单位包括宇、界、系、统、阶、带。

 

 

太古宙

  约45亿年-25亿年前。

  这个时期的原始地球，初期地壳变化剧烈，火山喷发、陨石墜落，正经历着炼狱形成时期，不久水和大气相继产生,后原始大陆逐渐形成。中晚期开

始有了原始菌类和原始藻类。

元古宙

  约25亿年-5.7亿年前。

  这一时期的地壳变化仍然剧烈，含碳的岩石大量出现。藻类和菌类开始繁盛，无脊椎动物在晚期偶有出现。

显生宙

  显生宙可分为古生代、中生代和新生代。

古生代

  约5.7亿年-2.5亿年前。

  分为寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪。

 

寒武纪

  约5.7亿年-5.1亿年前。这个时期陆地下沉，地球大部被海水淹没。以三叶虫、低等腕足类生物为主，藻类植物开始繁盛。

 

奥陶纪

  约5.1亿年-4.38亿年前。石灰岩和页岩构成。以三叶虫、笔石、腕足类生物群为主，出现珊瑚,藻类繁盛。

 

志留纪

  约4.38亿年-4.1亿年前。这一时期地壳相对稳定，末期发生造山运动。三叶虫和笔石仍繁盛，无颌类发育，到晚期出现原始鱼类，原始陆生植物裸

 蕨在末期出现。

 

泥盆纪

  约4.1亿年-3.55亿年前。初期发生大的海退，后期海进,海水大量淹没陆地.昆虫和原始两栖类已有发现，鱼类发展，蕨类和原始裸子植物出现。

石炭纪

  约3.55亿年-2.9亿年前。这个时期气候温暖而湿润，动物中出现了两栖类，植物中出现了羊齿植物和松柏。

二叠纪

  约2.9亿年-2.5亿年前。在这个时期里，地壳发生强烈的构造运动。动物中的菊石类、原始爬虫动物，植物中的松柏、苏铁等在这个时期发展起来。

中生代

  分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪。

  约2.5亿年-6500万年前。这时期的主要动物是爬行动物，恐龙繁盛，哺乳类和鸟类开始出现。植物主要是银杏、苏铁和松柏。

 

三叠纪

  约2.5亿年-2.05亿年前。

  这个时期地质构造变化比较小，动物多为头足类、甲壳类、鱼类、两栖类、爬行动物。植物主要是苏铁、松柏、银杏、木贼和蕨类。

 

侏罗纪

  约2.05亿年-1.35亿年前。

  这个时期有造山运动和剧烈的火山活动。爬行动物非常发达，出现了巨大的恐龙、空中飞龙和始祖鸟，植物中苏铁、银杏最繁盛。

 

白垩纪

  约1.35亿年-6500万年前。

  这个时期造山运动非常剧烈，我国许多山脉都在这时形成。恐龙在末期逐渐灭绝。鱼类和鸟类很发达，哺乳动物开始出现。被子植物出现。

新生代

  分为古近纪、新近纪、第四纪

  约从6500万年前至今。

  地壳有强烈的造山运动，哺乳动物繁盛，生物达到高度发展阶段，后期有人类出现。

古近纪

  约6500万年-2300万年前。

  哺乳动物除陆地生活的以外，还有空中飞的蝙蝠、水里游的鲸类等。被子植物繁盛。

新近纪

  约2300万年-160万年前。

  地球气候发生较大变化，哺乳动物和高等植物继续快速发展。

第四纪

  约开始于160万年前，直到今天。

  这一时期多次发生冰川和海进海退事件。引起气候与地球环境较大变化。各类生物继续逐渐进化。初期开始出现的人类祖先经过百多万年多阶段进

化后，成为了今天的你、我、他。