第01章 宇宙的起源和演化

地球的成分
氢和氦的含量都很少 而是铁占了第一位，其次是氧和硅，还 有很多镁、镍和铝等金属 地球的化学组成为何如此不同？

形成地球的星云，在万有引力的作用下，物质的微粒互相 吸引，形成小的团块，也叫做星子

星子再互相吸引，大的吸积小的，不断碰撞 、不断吸积，直至成为地球和其他行星的前 身。这个原始的地球是一个比今日的地球大 得多的尘埃的集合体，大致沿着今天的地球 轨道自转
第一章
宇宙的起源和演化
第一节 宇宙、太阳与地球的一般特点 第二节 宇宙的起源
一、宇宙的起源
混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天 ，重浊者下凝为地”。
——中国古代的贤哲
作为自然科学研究的具体对象，宇 宙是一个有限的客观存在。这样一个宇 宙，应该有它的开端。
宇宙是怎样开端的呢？
20世纪初，天文学家斯里弗尔 （V.M. Slipher, 1875-1969)
最初的大气成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、 甲烷、氨、硫化氢和氯化氢等 (温度在400-500℃左右)

直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸 性的

随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低（低于 100°C），大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成了 广阔的海洋，海水中也缺少氧，而且也含有许多酸 性物质
－－ 古生代，中生代，新生代 最近5亿多年来,543-0 Ma


大气圈的成分渐渐接近目前的状况 大气和海洋中，原为酸性的水在与岩石相互作用时， 将硅酸盐物质中的钠，钾，钙，镁，铝，铁等金属元 素夺取出来，形成多种盐类（以氯化物为主），海水 的成分也慢慢变成与今天相近的了 在这种环境中，生命加速发展，海洋中的生物迅速繁 荣起来（化石证据较多）

1669年，出生于哥本哈根的斯特诺(Nicolaus Steno ，1638-1686)总结出在岩层之间，存在着如下的规 律：岩层在形成后，如未受到强烈的地壳运动的影 响而颠倒原来的位臵，应该是先沉积的在下，后沉 积的在上，一层压一层，保持近于水平的状态，延 展到远处才渐渐尖灭。
沉积披盖构造
譬如积薪，后来居上” －中国古代贤哲
爱因斯坦
(Albert Einstien, 1879-1955) 在1916年提出的广义相对论
演绎出宇宙在膨胀的理论。 哈勃的发现被认为是对这些理论的验证。以 后的天文观测继续有新的发现，证明宇宙在 膨胀，曾测到有的河外星系之间，正以每小 时2,500,000km的速度在拉开距离。

比利时天文学家勒梅特 (G.E.Lematre,1894-1966) 1927年就提出：
当时的星云说不能解决 太阳系中许多问题
太阳和行星的单位质量的角动量应该是一
样的，但实际上相差近100倍 (不知道电磁能量的辐射)
20世纪初期－中期
灾变说 俘获说（苏联 斯密特〕： 原始太阳随银河系公转，在经过有大量星 际物质弥漫的空间时，将它们吸引在周 围，成为行星的物质来源的，用外来物 质形成的行星，角动量可以和太阳不同
依次聚合而成(达到1%以上的元素铁 钴镍为极限)
爆炸后100万年到20亿年
逐步形成各类天体星系
怎麽能证明150亿年前发生过这样的大 爆炸呢？

爆炸形成的宇宙一直在降温，恒星是在降到 40000°K 以下时才开始形成 现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年，符合 这个理论的推断。 特别是盖莫夫(G.Gamow，1904-1968)预言：在大爆 炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射，至今还 存在于宇宙空间中，其温度应已降低到只有绝对温 度几度。
地球的形成
在太阳系内，由于接受的太阳辐射多，温度高 ，轻的气体被辐射到远处，散失到太阳系的外 部 远处构成 类木行星 近太阳的地区，以尘埃中的固体物质为主，化 学组成当然和原来的星云有显著的不同（铁、 硅、镁、氧为主） 近处构成 类地行星

原始地球内的“ 星子”
受到引力的作用向中心聚集，体积逐渐缩
彭兹亚斯(A.A.Penzias,1933- )和威 尔逊(R.W.Wilson,1936- )发现：


1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文 望远镜，在各个方向都测得一种3°K的微波背 景辐射。大爆炸理论得到了有力的支持。 为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金。
其它证据：


天，积气也；无处无气。地，积块（土）也； 充塞四虚，无处无块” － 列子 · 天瑞 天是气的集合，地是土的集合 古代贤哲的卓识

20世纪30年代末天文观测证实



在银河系中，有许多气体和尘埃存在 这些气体主要是氢和氦。气体在这些星际物质中，按 质量计要占到98%左右 尘埃里主要是水、甲烷和氨等液体、气体冻结而成的 固体微粒；还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形 成的化合物等固体材料。固体物质不及2%，颗粒细微 ，半径只有0.0001(万分之一)厘米左右，微粒弥漫在 整个太空中

遗憾的是，仅将它用来说明人事，并不用它去观 察山野间的岩石，他们甚至也未想到过需要对自 然作些什么观察。因为“ 天下之物本无可格者 ，其格物之功，只在身心上做”；因为“ 岂但 禽兽草木，虽天地也与我同体，鬼神也与我同体 。” －明，王守仁,
英国 郝顿 (James Hutton,1726-1797)
在观测银河系外的仙女座大星云时，取
得15个星系的光谱资料，经过研究，发 现其中13个正在以每秒数十万米的高速 退行，即离开我们愈来愈远。
1929年，哈勃 (E.P. Hubble,1889-1953)

根据观测到的河外星系正在退行的资料，提出： 一个星系退行的速度和它与我们(地球)的距离成 正比，即离得愈远退行愈快。这个发现告诉我们 ，我们周围的星系正在四散离开，也可以说我们 已知的宇宙正在膨胀。
各类岩石的块体（以星子为基础）各不相 属地分布在地球的表面 后来构成大陆的地壳


冥古宙（46－38亿年前）

大约在40亿年前后，越来越多的较轻的硅
酸盐成分迁移到上部冷凝 地球终于有了一个虽然还比较薄的、但 已是连续完整的地壳
原始地球表层


一些处于熔融状态的物质向上挤入地壳中凝结，或 涌出地面，表现为广泛分布的火山活动 另一方面物质又在向下流动，把上面已固结的地壳 撕裂，并将其部分碎块拽向深处，使它再次熔入地 幔物质之中 与此同时，薄弱的地壳还在陨石的撞击下，形成大 量陨击坑
百度文库 地质年代表





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1942年瑞典物理学家阿尔文 (H.O.G.Alfven, 1908- )
太阳可以通过磁场的作用，把自己的一部分角 动量转移给形成行星和卫星的云团 电磁场的作用能说明在太阳系形成的过程中， 从中心抛出物质的质量虽不多，但带走的角动 量可以很多

太阳系内 太阳质量最大, 角动量最小,约1%
三、地球的诞生
宙(宇)
代(界) 新生代(界)
同位素年龄(百万年) 0 65
248
543
1000
2500
五、怎样知道地球的过去？
那些发生在亿万年以前的往事，你
们是怎样知道的？

地球的历史就记录在岩石身上
沈括(1031-1095) 《梦溪笔谈》
对于地球表面的许多自然现象进行了科学的解释 谈到了流水的侵蚀与沉积作用，推断华北平原表 面的泥砂是由西部山区经过河流搬运而堆积下来 的 根据太行山山崖间所见海生螺蚌化石推断现在距 大海约千里的该地在古代曾经是海滨 他是我国首先认识并命名“石油”的人
大爆炸发生约80亿年之后
太阳系出现
哲学家康德(Immanuel Kant, 17241804) － 星云说


在献给普鲁士国王的《自然通史和天体理论》中假 定：最初“整个宇宙的物质都处于分散的状态，并 由此造成一种完全的混沌”，“ 构成我们太阳系的 星球的物质，在太初时都分解为基本微粒，充满整 个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运 转”。 他认为是万有引力的作用，使这些原始的弥漫物质 逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体。
拉普拉斯(P.S.Laplace, 1749-1827)


在一本科普读物《宇宙体系论述》的附录中，对太阳系 的形成，作出了自己的解释并广为流传 拉普拉斯虽没看到过康德的书，但他自己独立提出的见 解却与康德大同小异，而且充实了星云说 旋转星云析出圆环，圆环一次又一次地被分出来，并分 别凝聚结成行星，行星周围的卫星也有着类似的形成过 程 星云中心部分则收缩成为太阳（不知热核反应）

冷 － 热 － 冷
地球圈层的形成
重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发 生部分熔融，使重者下沉，轻者上浮， 出现了大规模的物质分异和迁移， 形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结 构

地核-地幔-地壳的分异
四、现代地球环境的逐渐形成

46亿年前，整个地球的温度都很高，表面 也接近于熔融的状态
元 古 宙 Proterozoic
1.8-0.6 Ba,距今18亿年前到6亿年



大陆不断扩大 大气变成以二氧化碳为最多 海洋里的生物最多的是菌藻植物，它们的活动 促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合， 碳酸钙镁等物质沉淀在海底，使大气中的二氧 化碳减少，氧和氮的含量逐步增加
显生宙, Phanerozoic
宇宙为什么会膨胀呢？ 膨胀的宇宙会不会是爆炸的产物呢
？
《BIG BANG》－大爆炸
宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子 ”(或称宇宙蛋)里，异常紧密 温度约1032°K，绝对温度1亿亿亿亿度 显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦平衡破坏 ，就发生大爆炸，原始原子迅速膨胀，逐渐扩展 成为我们的宇宙
太 古 宙 Archean 3.8-2.5 Ba,38－25亿年前
38亿年前，陆壳开始形成, 海洋中开始有了生命的活 动。从出现最原始的原核细胞生物--蓝绿藻 32-29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖，后者能消 耗二氧化碳，产生出氧气 大约到27亿年前，游离氧在海洋中出现。绿色植物的 大量繁殖，更加快了大气和海洋环境的变化，使其 有利于高等喜氧生物的发展
根据自己在野外考察的实际经验和
前人的认识，把时空统一的地质思 维，形象地表述为 “ 在地球现在 的构造中，可以看到旧世界的废墟 ” (地球论,1785)

现在认识：
大爆炸后1秒钟，温度降到1010°K，粒子 间的强相互作用、弱相互作用、电磁力 和引力开始分开。 在高温下处于基本粒子状态的物质，随 着温度的降低，聚合成各类原子

约在大爆炸后50 - 100万年
热核爆炸 首先由电子和质子合成氢原子 接着是氦原子也大量生成
随后其他所有元素的原子从轻到重

意大利著名的艺术家、知识渊博的学者达 · 芬奇 (Leonado Da VinciI，1452 -1519)


亚平宁山脉上发现的海生介壳化石，本是生活在海滨 的生物，是河流带来泥土把它们掩埋，并且渗入了它 们的内部。 他推论，后来这里的地势升高，所以这些海洋生物的 遗体就会出现在山上。
地层层序律
小，物质的密度越来越大 收缩不是无限的，因为物质还要受到自转 所产生的惯性离心力的作用，而离心力是 要随着体积缩小，导致自转速度加快而增 大，当离心力增大到能抵消引力时，就达 到平衡
尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体 积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射 性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能 尽管原始的星云物质是冷的，后来地球曾经历过 一个高温时期，至少是局部物质处於热的熔融状 态，以后收缩停止，才又逐渐冷却凝结

现在测得的不同天体上氦的丰度，即它在天体中的 含量，一般都达到30%左右，仅仅太阳上那种氢合 成氦的作用，是不能造出这么多氦的，而大爆炸能 做到 因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实 天文观测中已多次记录到超新星爆炸 另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息，都可以 作为佐证。
二、太阳系的起源