自然界的演化发展讲义(PPT 84页)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,自然界的演化发展,谷晓芸,guxiaoyun_2006,1,自然界的演,化,化过程,自然界不仅,是,是存在着，,而,而且是生成,着,着并消逝着,。,。自然界是,由,由一系列转,化,化过程构成,的,的“,过程的集合,体,体,”，一切事,物,物都有其产,生,生发展灭亡,的,的过程。这,里,里以下面几,个,个为例来说,明,明,一、宇宙的,起,起源与演化,二、恒星的,起,起源与演化,三、生命的,起,起源与进化,四、人类的,产,产生与发展,2,一、宇宙的,起,起源与演化,现代宇宙学,是,是以广义相,对,对论为基础,的,的理论，以,哈,哈勃定律为,观,观测依据，,并,并在宇宙学,原,原理的假设,下,下，研究宇,宙,宙整体的结,构,构、运动和,演,演化规律的,一,一门学科。,现,现代宇宙学,关,关于宇宙的,模,模型较多，,如,如,爱因斯坦静,态,态有限无边,宇,宇宙模型,弗里德曼膨,胀,胀宇宙模型,恒稳态宇宙,模,模型,大爆炸宇宙,模,模型,大爆炸宇宙,模,模型为大多,数,数科学家所,接,接受，通常,称,称为“标准,宇,宇宙模型”,。,。这里着重,讲,讲这个模型,3,爱因斯坦静,态,态有限无边,的,的宇宙模型,（,（1917,）,）,这是历史上,第,第一个关于,宇,宇宙运动自,洽,洽而统一的,动,动力学模型,。,。由于当时,尚,尚未发现河,外,外星系普遍,退,退行现象，,爱,爱因斯坦相,信,信宇宙在大,尺,尺度上的特,征,征是不应该,随,随时间而变,化,化的。,1929年哈勃,红,红移发现后，这,个,个模型被抛弃。,但,但这个模型开创,了,了现代宇宙学研,究,究。,4,弗里德曼膨胀宇,宙,宙模型（1922）,弗里德曼在解爱,因,因斯坦引力场方,程,程时，得到一个,均,均匀、各向同性,的,的宇宙动态时空,度,度规。由此得到,宇,宇宙空间随时间,膨,膨胀的观念，哈,勃,勃红移发现后，,这,这个模型受到重,视,视。,奇点是演化态宇,宙,宙学的难题。,注：哈勃定律：,V,0,=cZ=H,0,D,其中,V,0,是星系退行速度,，,，,c,是光速，,Z,是谱线的移量，,D,是星系离我们的,距,距离，,H,0,是哈勃常数。,H,0,=,15,（千米,/,秒）,/,百万光年,5,恒稳态宇宙模型,1948年英国,天,天文学家,H,邦迪、霍伊尔、,戈,戈尔德共同提出,。,。,这个模型认为宇,宙,宙是不断膨胀的,，,，其密度保持不,变,变，好处在于不,存,存在奇点问题，,但,但困难在于如何,说,说明物质从虚空,中,中产生。,这个模型已经证,明,明是错误的。,6,勒梅特的大爆炸,假,假说,1927,年，比利时天文,学,学家勒梅特发表,大,大爆炸,(Big Bang),理论，认为宇宙,在,在此之前是零体,积,积，就是说宇宙,内,内任何两点之间,是,是零距离，物质,密,密度是无限大，,宇,宇宙在此之前没,有,有“从前”。突,然,然间，这个零体,积,积的原始原子发,生,生爆炸,(,点无大小,),，不仅物质出现,，,，时间空间的,结,结构也存在了。,勒,勒梅特的假说是,大,大爆炸理论的开,始,始。,7,伽莫夫的大爆炸,假,假说,1948,年，美国物理学,家,家伽莫夫等人受,奥,奥本海默的核爆,炸,炸研究工作的启,发,发，把核物理知,识,识与宇宙膨胀理,论,论结合起来，提,出,出宇宙起源于一,个,个温度极高（约,150,亿度）、密度极,大,大、由中子组成,的,的,原始火球,的假说，这个假,说,说发展了勒梅特,的,的大爆炸理论，,并,并说明了化学元,素,素的起源。,伽莫夫,8,伽莫夫的大爆炸,假,假说,伽莫夫,认为：“原始火,球,球”充满了辐射,和,和基本粒子，后,来,来由于球内的基,本,本粒子的相互作,用,用发生核聚变反,应,应，引起了爆炸,，,，并向外膨胀；,后,后来辐射温度和,物,物质密度急速下,降,降，热核反应停,止,止，其间产生了,各,各种元素，这些,元,元素的演变便形,成,成了今天宇宙中,的,的各种物质。,9,根据大爆炸宇宙,论,论，宇宙的演化,经,经历了以下几,个阶段：,1）、基本粒子,形,形成阶段,2）、辐射或核,合,合成阶段,3）、实物阶段,从1948年伽,莫,莫夫建立热大爆,炸,炸的观念以来，,通,通过几十年的努,力,力，宇宙学家们,为,为我们勾画出这,样,样一部宇宙历史,：,：,大爆炸宇宙论,（,big-bang cosmology ）,：,10,大爆炸开始时,150200,亿,亿年前，极小体,积，极高密度，,极,极高温度。,大爆炸后10,-43,秒,宇宙从量子背景,出,出现。,大爆炸后10,-35,秒 同一场,分,分解为强力、电,力,力、弱力和引力,。,。,大爆炸后10,-5,秒 10万,亿,亿度（10,13,K,）,，质子和中子形,成,成。,大爆炸后0.01秒,1000亿度（10,11,K,）,，光子、电子、,中,中微子为主，质,子,子中子仅占10,亿,亿分之一，热平,衡,衡态，体系急剧,膨,膨胀，温度和密,度,度不断下降。,大爆炸后0.1,秒,秒后,300亿度（3,10,10,K,）,，中子质子比从1.0下降到0.61。,11,大爆炸后1秒后,100亿度（10,10,K,）,，中微子向外逃,逸,逸，正负电子湮,没,没反应出现，核,力,力尚不足束缚中,子,子和质子。,大爆炸后13.8秒后,30亿度（310,9,K,）,，氘、氦类稳定,原,原子核（化学元,素,素）形成。,大爆炸后35分,钟,钟后,3亿度（310,8,K,）,，核过程停止，,尚,尚不能形成中性,原,原子。,大爆炸后30万,年,年后,3000度（3,10,3,K,）,，化学结合作用,使,使中性原子形成,，,，宇宙主要成分,为,为气态物质，并,逐,逐步在自引力作,用,用下凝聚成密度,较,较高的气体云块,，,，直至恒星和恒,星,星系统。,12,大爆炸理论中宇,宙,宙的演化历程,13,大爆炸模型能统,一,一地说明以下几,个,个观测事实：,1）河外星系的谱线,红,红移。观测到河外天,体,体有系统性的谱,线,线红移,而且红,移,移与距离大体成,正,正比。如果用多,普,普勒效应来解释,，,，那么红移就是,宇,宇宙膨胀的反映,。,。,2）,3K,宇宙,微波背景辐射,。（,彭齐斯、威尔逊,）,）,3）氦的丰度。,在,在各种不同天体,上,上，氦丰度相当,大,大，而且大都是30%。用恒星,核,核反应机制不足,以,以说明为什么有,如,如此多的氦。而,根,根据大爆炸理论,，,，早期温度很高,，,，产生氦的效率,也,也很高，则可以,说,说明这一事实。,4）天体的年龄,。,。大爆炸理论主,张,张所有恒星都是,在,在温度下降后产,生,生的，因而任何,天,天体的年龄都应,比,比自温度下降至,今,今天这一段时间,为,为短，即应小于200亿年。各,种,种天体年龄的测,量,量证明了这一点,。,。,14,二、恒星,的,的起源与,演,演化,根据弥漫,说,说的理论,（,（星云说,）,），恒星,的,的起源与,演,演化可划,分,分为引力,收,收缩、主,序,序星、红,巨,巨星、高,密,密恒星等,几,几个阶段,。,。,1、引力,收,收缩阶段,（,（原恒星,）,）,星云物质,在,在演化过,程,程中，由,于,于自身的,引,引力而收,缩,缩。在收,缩,缩过程中,内,内部温度,升,升高，当,云,云团中心,温,温度达到2000,K,时，中心,形,形成内核,，,，来自恒,星,星内部的,辐,辐射压将,周,周围物质,驱,驱散，恒,星,星逐渐露,出,出，恒星,“,“婴儿”,“红,外,外星”就,诞,诞生了。,15,2、主序,星,星阶段,当恒星中,心,心温度达,到,到,700万,度,度,以上时，,开,开始核聚,变,变反应，,氢,氢聚变为,氦,氦，恒星,停,停止收缩,，,，形成了,正,正常的恒,星,星，进入,了,了主序星,阶,阶段。主,序,序星阶段,占,占恒星一,生,生寿命的90%，,是,是恒星最,稳,稳定的阶,段,段。质量,不,不同的恒,星,星，主序,星,星阶段长,短,短不同。,质,质量越大,寿,寿命越短,。,。太阳约,为,为100,亿,亿年。,3、红巨,星,星阶段,随着核聚,变,变的进行,，,，恒星中,心,心的氦核,越,越来越多,，,，氦核周,围,围的氢越,来,来越少，,当,当氦核质,量,量占到恒,星,星质量的12%时,，,，反应便,逐,逐渐从中,心,心区向外,停,停止，从,而,而辐射压,力,力减少，,恒,恒星再次,出,出现“引,力,力坍缩”,，,，释放出,巨,巨大的引,力,力势能，,使,使中心温,度,度升高至,上,上亿度，,引,引起三个,氦,氦核聚变,为,为一个碳,核,核的新的,核,核反应。,恒,恒星外层,膨,膨胀，体,积,积急剧增,大,大，表面,温,温度降低,，,，内部的,引,引力和斥,力,力又达到,平,平衡。恒,星,星脱离主,序,序星阶段,，,，进入了,老,老年期,红巨星,。,。太阳将,在,在这阶段,停,停留约10亿年。,16,4、高,密,密恒星,阶,阶段,质量小,于,于1.44太,阳,阳质量,的,的恒星,则,则比较,平,平稳地,抛,抛出物,质,质，形,成,成行星,状,状星云,，,，中央,残,残核留,有,有一颗,致,致密天,体,体,白,白矮星,。,。质量1.44,m”,可逆过程取“,=”,克劳修斯熵公式,只,只对系统的,平,平衡态才有意义,；,；克劳修斯熵是,玻,玻耳兹曼,熵的,最大值。,r,s,d,s,T,A,B,Q,d,s,d,Q,d,T,s,d,0,72,墒增原理,熵是反映一个系,统,统宏观态所具有,的,的微观态数目，,它,它与热力学几率,的,的对数成正比，,由,由于热力学几率,愈,愈大表示系统处,于,于愈混乱的状态,，,，所以,熵是系统无序的,量,量度。,孤立系统与外界无物质和,能,能量交换，,因而，系统从一,个,个平衡态经一绝,热,热过程到达另一,平,平衡态，它的熵,永,永不减少。如果,过,过程是可逆的，,则,则熵的数值不变,；,；如果过程是不,可,可逆的，则熵的,数,数值增加。,73,宇宙热,寂,寂说,1867,年，,克劳修,斯,斯,关于热,力,力学第,二,二定律,一文把,熵,熵增原,理,理推广,到,到整个,宇,宇宙，,指,指出整,个,个宇宙,中,中的热,运,运动，,必,必然遵,循,循熵增,原,原理，,宇,宇宙中,的,的熵总,是,是只增,不,不减，,随,随着时,间,间的推,移,移，总,有,有一天,会,会达到,最,最大值,，,，到那,时,时，宇,宙,宙中的,一,一切变,化,化都不,会,会发生,，,，就会,进,进入一,个,个死寂,的,的永恒,状,状态。,此,此即所,谓,谓的,宇宙热,寂,寂说,。,74,熵的哲,学,学理解,熵的增,加,加是能,量,量退化,的,的量度,退化的,能,能量是,与,与熵成,正,正比的,；,；热源,温,温度愈,高,高它所,输,输出的,热,热能转,变,变为功,的,的潜力,就,就愈大,，,，即较,高,高温度,的,的热能,有,有较高,的,的品质,。,。当热,量,量从高,温,温热源,不,不可逆,的,的传到,低,低温热,源,源时，,尽,尽管能,量,量在数,量,量上守,恒,恒，但,能,能量品,质,质降低,。,。一切,不,不可逆,过,过程实,际,际上都,是,是能量,品,品质降,低,低的过,程,程，热,力,力学第,二,二定律,提,提供了,估,估计能,量,量品质,的,的方法,。,。,自然界,的,的实际,过,过程都,是,是不可,逆,逆过程,，,，即熵,增,增加的,过,过程，,大,大量能,源,源的使,用,用加速,了,了这一,过,过程。,而,而熵的,增,增加导,致,致了世,界,界混乱,度,度的增,加,加。每,利,利用一,份,份能量,，,，就会,得,得到一,定,定的惩,罚,罚,把一部,分,分本来,可,可以利,用,用的能,量,量变为,退,退化的,能,能量；,可,可以证,明,明：退,化,化的能,量,量实际,上,上就是,环,环境污,染,染的代,名,名词。,节,节约能,源,源就是,保,保护环,境,境。而,保,保护环,境,境就是,保,保护人,类,类的生,存,存条件,，,，非同,小,小可。,75,熵的哲,学,学理解,熵是事,物,物无序,度,度的量,度,度,熵与微,观,观状态,的,的对数,成,成正比,的,的，微,观,观状态,数,数越大,，,，混乱,度,度就越,大,大。相,反,反熵减,小,小则有,序,序度增,加,加。以,一,一个,N,个分子,的,的物质,系,系统为,例,例：让,其,其冷却,，,，放出,热,热量，,先,先是碰,撞,撞次数,减,减少，,引,引起混,乱,乱的平,均,均速率,减,减小。,继,继而变,为,为液体,时,时这时,分,分子以,振,振动为,主,主，平,动,动为辅,，,，位置,相,相对固,定,定，有,序,序度增,加,加，温,度,度再降,低,低时，,分,分子在,平,平衡位,置,置附近,振,振动更,加,加序。,事,事实上,平,平衡态,是,是最无,序,序。,76,熵与耗散,结,结构,无机界、,无,无生命的,世,世界总是,从,从有序向,无,无序变化,，,，但生命,现,现象却越,来,来越有序,，,，生物由,低,低级向高,级,级发展、,进,进化。以,致,致出现人,类,类这样高,度,度有序的,生,生物。,意大利科,学,学家普里,高,高津提出,了,了耗散结,构,构理论，,解,解释了这,个,个问题。,原,原来生命,是,是一开放,系,系统。其,熵,熵变由两,部,部分组成,，,，开放系,统,统,-,与外界有,物,物质和能,量,量的交换,的,的系统系,统,统自身产,生,生的熵，,总,总为正值,。,。与外界,交,交换的熵,流,流，其值,可,可正可负,。,。当系统,远,远离平衡,态,态时系统,不,不断消耗,能,能源与物,质,质，从熵,流,流中获取,负,负熵，从,而,而使系统,在,在较高层,次,次保持有,序,序。,薛定谔指,出,出来的：,“,“生命之,所,所以免于,死,死亡，其,主,主要原因,就,就在于他,能,能不断地,获,获得负熵,”,”。,77,自组织理,论,论,统科学理,论,论包括,“老三论,”,”：信息,论,论、系统,论,论、控制,论,论；,“新三论,”,”：耗散,结,结构论、,协,协同论、,突,突变论；,自组织理,论,论：,20,世纪,70,年代以后,兴,兴起，研,究,究自然物,质,质系统演,化,化过程中,普,普遍存在,的,的无序状,态,态和有序,状,状态相互,转,转化的机,制,制和条件,问,问题。研,究,究一个混,乱,乱无序的,系,系统，在,什,什么条件,下,下，通过,什,什么样的,方,方式，会,形,形成有序,状,状态。,自组织理论是一,个,个学科群：,耗散结构理论（,比,比利时化学家普,利,利高津，,1977,年诺贝尔化学奖,）,）；,协同学（德国物,理,理学家哈肯）；,混沌,理,理论,、,、超,循,循环,理,理论,（,（,德国,科,科学,家,家,艾根,）,）；,突变,论,论（,法,法国,数,数学,家,家托,姆,姆,）,）。,78,耗散,结,结构,理,理论,耗散,结,结构,理,理论,可,可概,括,括为,：,：一,个,个远,离,离平,衡,衡态,的,的非,线,线性,的,的开,放,放系,统,统,(,物理,、,、化,学,学、,生,生物,、,、社,会,会、,经,经济,系,系统,),通过,不,不断,与,与外,界,界交,换,换物,质,质和,能,能量,，,，在,系,系统,内,内部,某,某个,参,参量,的,的变,化,化达,到,到一,定,定阈,值,值时,，,，通,过,过涨,落,落，,系,系统,可,可能,发,发生,突,突变,即,即非,平,平衡,相,相变,，,，由,原,原来,的,的混,沌,沌无,序,序状,态,态转,变,变为,一,一种,在,在时,间,间、,空,空间,或,或功,能,能上,的,的有,序,序状,态,态。,这,这种,在,在远,离,离平,衡,衡的,非,非线,性,性区,形,形成,的,的新,的,的稳,定,定的,宏,宏观,有,有序,结,结构,，,，需,要,要不,断,断与,外,外界,交,交换,物,物质,或,或能,量,量才,能,能维,持,持，,因,因此,称,称为,