生命中的化学元素 - 复旦大学通识教育课(2)

第二章 化学元素的起源

宇宙如何创生——传说和思考2-1

生命孕育于宇宙，宇宙又是如何创生的？

人在成其为人并具有可思索的理性思维后，恐怕就一直在探寻着这一与人“性命攸关” 的宇宙生成的问题，最初自然是猜测，后来就形成了传说。

有关宇宙创始时的描述，我国古代的传说认为宇宙在创生时“混沌如鸡子” 的是，

即宇宙诞生的最初是混沌一片的。1927年比利时数学家勒梅策（Georges Edouard Lemaitre） 提出了他的宇宙说，他认为，一切物质起初大概都来自一个极端致密的“宇宙蛋” 宙蛋”发生了爆炸，于是就诞生出我们这个宇宙。当然，他的这个说法与古代的传说是有着 区别的，因为他的认识是有着大量的科学认识的基础的。

科学家的发现：宇宙是在膨胀中

1.夜里的天空为什么是黑的？这好象是每一个人都能回答的问题，其实不然。大多数人

都会回答：因为夜里太阳下山了。但是浩大的宇宙是有着无限多的恒星的，也就是还有着无 数个太阳！

可是，既然是无穷尽的宇宙有着无穷多的星星，那么数学上就可以证明，这无穷多的星光完 全足以照亮整个夜空。

早在1826年，德国天文学家奥伯斯（H.W.M.Olbers）就提出了著名的奥伯斯佯谬。他 指出：如果宇宙是无限的，并且在这个无限的宇宙中分布着无限多颗像太阳一样的恒星，那 么夜空就不应该是黑暗的，相反，应该到处象太阳一样明亮。因此，宇宙的无限性和均匀性 其中至少有一个是错的，或者两者全错。 2多谱勒效应

我们都有这样的经验：在公路旁，我们可以听到两种截然不同声音的感受，当汽车高 速向我们驶来时，马达声响的音调在不断升高（即声音的频率在升高） 远离而去时，其音调却不断变低（也即声音的频率在降低）

谱勒（Christian Johann Doppler）最早于1842年提出的，并发现了运动着的物体的声音频率 在变化的这一效应，这在物理学上就称之为多普勒效应。

多普勒效应不仅适用于声波，也适用于光波，同样，一个天体所发射的光的频率，也 会因其运动与观察者的关系而改变，如该天体接近我们的话，其光的频率会升高，反之，则 会变低。因此，这一重要发现也就帮助了人类认识了天体的运动。 3.分光学定律

1835年法国著名的实证主义哲学家孔德（Auguste Comte）曾提出了“天体不可知论” 声称“无论用什么方法，我们都无从了解它们的化学组成”

是错误的。1859年，德国物理学家基尔霍夫发现并提出了分光学的几条基本定律：

1）每一种化学元素都有它自己的、具有特征的光谱线；

2）每一种化学元素可以吸收掉它自己能够发射的那些光谱线；

3）灼热状态的固体和液体都发射连续光谱，气体发射不连续的明线光谱，但高压下的 气体也发射连续光谱。

天文学家对天体的光谱进行了长期的研究，他们将某一恒星射来的光用望远镜捕捉后， 通过棱镜的分光，

是在暗黑的背景上有一些亮线，

位置，这个位置即表示一定的波长（或者频率） 的“条形码” 4.太阳的光谱

天体光谱学的诞生，就此宣告了不可知论的破产。基尔霍夫在1861年又发表了《太阳 光谱论》一书，书中附载了一张划时代的太阳光谱图，长2.4米，他指出只要将图上的吸收

图 2-5 太阳的光谱图（局部）

线的位置与元素的标准光谱相比较，就不难辨认出太阳上究竟存在哪些元素了。 对遥远天体的光谱图作研究的时候，

它们原来应在的位置，移向了低频率，也就是光谱的红色部分，因此被称为红移。天文学家 经过研究认为，根据多谱勒效应，正常光谱线向光谱紫端或红端的偏移，意味着该天体正朝 向地球而来或远离地球而去。

多谱勒效应的计算公式为：Z+1 = c??V c ???V

Z —红移量 c —光速

V—观察者与光源之间的相对速度

1868年，英国天文学家哈金斯（William Huggins）根据多谱勒效应宣布了天狼星正以 每秒46.5公里退离地球而去。 5. 哈勃定理

1929年美国天文学家哈勃（E.P. Hubble）研究了银河系之外的24个星系，结果发现这

些星系都在远离我们而去， 离我们的距离成正比，即

V= HD V—退行速度

H—哈勃常数，约为15千米/秒·百万光年 D—距地球的距离，光年

这一定理后来得到了很多天文学家的证实。 6. 宇宙在膨胀

宇宙是在膨胀中，这就是很多天文学家研究的结果。可以设想，一个气球在充气膨胀 时，它上面的各点彼此之间将会四散分开，对于这气球表面或是气球当中的任何一点（假定 每一点是代表一个星球）来说，其它各点似乎都是在退离它而去。

于是，1927年比利时数学家勒梅特将已观测到的银河外星系红移解释为宇宙膨胀的结 果，并在此基础上提出了他的“宇宙蛋”的假说，我们这个宇宙原来是起源于“宇宙蛋”的 大爆炸。

1948年，苏联出生的美籍物理学家伽莫夫（George Gamow）和其他两位科学家一起提 出了宇宙大爆炸的理论。

2.7K背景辐射

1933年伽莫夫离开苏联来到美国工作，1948年，美国《物理评论》发表了伽莫夫（姓 名起首的希腊字母为γ）和其助手（姓名起首的希腊字母为α）及德国物理学家汉斯（起首 字母为β）一起署名的文章（亦即Alpher、Bethe、Gamov） 一理论认为， 引起的，

时大爆炸产生的辐射还遗留到今天，这种辐射应该同处于5K（-268℃）温度下的物质所具 有的辐射

伽莫夫的大爆炸理论由于当时缺乏证据，后来就渐渐地被人遗忘了。

我们在收听广播时，常会遇上噪声，导电电子的无规则热运动就会产生噪声，因此噪 声的水平是可以用温度来标志的，例如当地面温度为300K（23℃）时，在无线电接收机中 就会产生20-30K的噪声，这20-30K就是用来度量噪声的噪声温度。1964年5月，美国的 贝尔电话实验室的两位科研人员彭齐亚斯和威尔逊在进行消除噪声的研究中，

的有效噪声温度为6.7K，他们在扣除了地面噪声和大气吸收的影响之后，得到了3.5K的背 景辐射，在此后近一年的研究中，无论他们如何改进仪器都无法消除这一残余噪声温度，而 且他们还发现，

各向同性的，而且季节的变化也不影响它。这两位科学家感到迷惑不解，因为这种辐射不可 能来自某个特定的辐射源，

论文，根据这一理论，宇宙应遗留着“大爆炸”后的遗迹——宇宙的背景辐射，在深入的研 究之后，他们确信他们的“发现” 宙的背景辐射。

年度的诺贝尔物理学奖，宇宙大爆炸理论因此获得了强有力的支持。1989年11月，美国宇

航局首次发射的“宇宙背景探测器”COBE）发现宇宙的温度为2.7K，为大爆炸理论提供 了最有力的证据。 2-3.宇宙大爆炸理论

随着宇宙大爆炸理论得到科学界的广泛赞同，大爆炸宇宙模型（Big—bang model）也 得到了深入的研究。

天体物理学家一般地推测：大爆炸后的宇宙大约经历了以下八个阶段：

第一阶段：根据大爆炸理论，科学家们推算出，大爆炸一瞬时（10 ??43秒）的温度极高， 大于10 32 K，可以用公式T=1.5×10 10 /t来近似估计（T为温度，K ；t 为时间，秒） 时的温度，任何物质都不可能承受，科学家们无法描述当时的宇宙状态，这一段时间的秘密 很可能就需要物质与引力的统一理论来揭示。

第二阶段：大爆炸 …… 此处隐藏：3443字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……