13　宇宙的边疆ppt配用优秀获奖教案

圆学子梦想

铸金字品牌

13.宇宙的边疆

【备课资料】

一、宇宙年龄知多少（王家骥）

在很长一段时间里，科学家对于宇宙大爆炸的发生距离现在有多久，也就是所谓的宇宙年龄问题，争论得很激烈。几年前，一些科学家综合多种方法，初步把宇宙的年龄确定在140亿年左右，误差大约为10亿年。

另外，天文学家还特别关心另一个问题：宇宙中最早的恒星是什么时候诞生的？对于这个问题的答案，在以前几年里，理论和观测结果并没有取得统一。根据对一些离我们最远的类星体的观测，最早的恒星应该出现在大爆炸之后8亿年左右，但宇宙学理论认为应该更早一些。

现在，这些问题已经被美国国家航空航天局的一颗太空探测卫星基本上解决了。这颗名为“微波各向异性探测器”（MAP）的卫星，是在2001年6月发射升空的，被定位于离地球150万千米远的所谓“第二拉格朗日点”处。在这一点处，地球对这颗卫星的引力与太阳对这颗卫星的引力相等。因此，这颗卫星被固定在这个点附近，以与地球相同的角速度，与地球、太阳构成一条直线，围绕太阳转动。由于它永远处在地球的阴影中，因此，它的观测不会受到太阳光的任何影响。 这颗卫星的任务是对宇宙微波背景辐射进行观测。宇宙微波背景辐射是宇宙在大爆炸之后38万年，随着温度冷却到3 000开左右，原来处于电离状态的原子核（主要是氢原子核）与自由电子复合成为中性的原子之前所存在的大爆炸剩余辐射。这种剩余辐射的波长随着宇宙膨胀而变长，至今已属于微波范围，因此被称为宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射强度在全天空范围的分布非常均匀，如果把微波背景辐射强度的差别换算成温度的差别，只有百万分之几开上下。然而，正是这种微小的起伏，成了后来宇宙中恒星和星系以及星系团等结构形成的“种子”。这种起伏称为宇宙微波背景辐射各向异性。因此，对宇宙微波背景辐射各向异性的观测，对于我们了解早期宇宙有着特别重要的意义。

“微波各向异性探测器”就是一颗专门观测这种现象的卫星。利用这颗卫星的观测数据，科学家们绘制了一幅全天空宇宙微波背景辐射的图像。这幅图像，就像地理学家绘制全地球的图像一样，采用了一种投影方法，把全天空画成了一个椭圆形，并用蓝色表示温度较低的区域，红色表示温度较高的区域，绿色和黄色则表示温度居中的区域。

科学家并不是现在才开始观测宇宙微波背景辐射各向异性现象的。不过，只有利用“微

圆学子梦想

铸金字品牌

波各向异性探测器”进行观测，利用它的数据画出的图像才达到了空前的清晰程度。利用这些观测数据，科学家极其准确地定出了宇宙的年龄为137亿年，上下误差仅为1%，还证实了宇宙膨胀的速率与几年前由哈勃空间望远镜观测的数值完全一致。

新的观测数据还表明了宇宙的几何特征是平坦的，并且在加速膨胀，从而更为坚实地证明了科学家在近几年得出的一些关于宇宙中物质和能量含量的不可思议的结果。它们表明，在我们的宇宙中，占73%的是一种所谓的“暗能量”。这种暗能量具有与万有引力相抗衡的斥力作用，使宇宙不断地加速膨胀。然而，天文学家至今仍然不能直接观测到这种能量究竟是一种什么能量，是怎样产生的。

宇宙中占23%的是“暗物质”。这种暗物质是一大类粒子，天文学家和高能物理学家迄今还没能够检测到它们究竟是一些怎样的粒子，只能通过它们对星系、恒星产生的万有引力作用以及对遥远星体的光产生的“引力透镜”现象发现它们的存在。

宇宙中剩下的4%才是我们日常见到的寻常物质，它们包括星系、恒星、星际气体、行星等以及类似我们地球这样的行星上所存在的各种生物，包括我们人类。这些物质都是由原子和其他某些基本粒子组成的。

“微波各向异性探测器”的另一个重要成果是探明了宇宙中最早的恒星在宇宙大爆炸后2亿年就已经形成。这比过去的观测结果早了很多。这有可能表明，早在类星体和星系开始形成之前，一些质量远远比今天我们能够看到的恒星大的超大质量的恒星，就已经迸发出了活力。这些恒星照亮了早期的宇宙，并使早期宇宙中弥漫在广袤空间内的中性氢原子再次发生电离，如果情况真是如此，那么对于宇宙学的研究将具有重大的意义。二、当代人类对宇宙的探索

宇宙究竟是什么样子？这是科学家长期以来探索的重要课题。至今人们还处在不断地认识过程中，并取得了一些新的进展。

1957年10月4日,前苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星。1961年4月12日，前苏联成功发射了第一艘载人航天器——“东方一号”宇宙飞船，宇航员加加林成为进入太空的第一人。

1969年7月21日，美国发射的“阿波罗”11号载人宇宙飞船首次着陆月球，宇航员阿姆斯特朗成为踏上月球的第一人。

1981年4月21日，美国“哥伦比亚”号航天飞机试航成功，标志着航天运载器技术进入新的发展阶段。

圆学子梦想

铸金字品牌

1986年2月20日，前苏联“和平号”空间站进入轨道。

1986年10月，美国发射的“先驱者”10号，越过冥王星的平均轨道，成为第一个飞出太阳系的航天器。

2003年10月16日，中国载人宇宙飞船“神舟”五号顺利返回地面，首次载人航天圆满成功。

2004年1月5日，美国“勇气”号火星探测器抵达火星，开始了对火星的探索。2004年1月23日，欧洲航天局宣布：“火星快车”探测器提供了火星南极终年存在冰冻水的红外线证据。

2004年1月25日，美国“机遇”号火星探测器抵达火星，开始了对火星的新探索。2005年10月17日凌晨，中国载人宇宙飞船“神舟”六号顺利返回地面，第二次载人航天圆满成功。

2006年7月17日9点，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机在佛罗里达州肯尼迪航天中心成功着陆。

2007年10月24日18时05分，中国首颗探月卫星嫦娥一号升空，顺利进入绕月轨道并传回月球三维影像，标志着中国首次月球探测工程取得圆满成功。

2009年发现迄今最大质量黑洞，这个目前居于统治地位的重量级吞噬物的质量居然有太阳的64亿倍。

三、宇宙大爆炸

人们是怎样推测出曾经可能有过宇宙大爆炸的呢？这就要依赖天文学的观测和研究。我们的太阳只是银河系中的一两千亿个恒星中的一个。像我们银河系同类的恒星系——河外星系还有千千万万。从观测中发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，离我们越远的星系，飞奔的速度越快，因而形成了膨胀的宇宙。 对此，人们开始反思，如果把这些向四面八方远离中的星系运动倒过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是不是在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？后来又观测到了充满宇宙的微波背景辐射，就是说大约在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波虽然是微弱的，但确实存在。这一发现对宇宙大爆炸是个有力的支持。

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。宇宙大爆炸理论虽然在20世纪40年代才提出，但20世纪20年代以来就有了萌芽。20世纪20年代时，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的谱线相

圆学子梦想

铸金字品牌

比，都有波长变化，即红移现象。

到了1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比的规律。他在理论中指出：如果认为谱线红移是多普勒效应的结果，则意味着河外星系都在离开我们向远方退行，而且距离越远的星系远离我们的速度越快。这正是一幅宇宙膨胀的图像。

1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。

大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，但一直寂寞无闻。20世纪40年代美国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论。该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形象地称为“原始火球”。所谓“原始火球”也就是一个无限小的点，现在的宇宙仍会继续膨胀，也就是无限大，有可能宇宙爆炸的能量散发到极限的时候，宇宙又会变成一个原始火焰即无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。直到20世纪50年代，人们才开始广泛注意这个理论。

20世纪60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证据，他们发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们在测定银晕气体射电强度时，在7.35 cm波长上，意外探测到一种微波噪声，无论天线转向何方，无论白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声都持续和稳定。相当于三K摄氏度的黑体发出的辐射。这一发现使天文学家们异常兴奋，他们早就估计到当年大爆炸后，今天总会留下点什么，每一个阶段的平衡状态，都应该有一个对应的等效温度，作为时间前进的嘀嗒声。彭齐亚斯和威尔逊也因此获1978年诺贝尔物理学奖。

20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10～43秒以来的宇宙演化图景作了清晰地阐释。宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。