現(xiàn)代化學(xué)與天文學(xué)

1、 一、現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)一、現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以結(jié)構(gòu)測定和化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)為主 1結(jié)構(gòu)測定實(shí)驗(yàn) 結(jié)構(gòu)測定實(shí)驗(yàn)源于人們對陰極放電現(xiàn)象微觀本質(zhì)的探討。早在1836年，法拉第就曾研究過低壓氣體中的放電現(xiàn)象。1869年，德國化學(xué)家希托夫(J.W.Hittorf，18241914)發(fā)現(xiàn)真空放電于陰極，并以直線傳播。1876年，戈?duì)柎奶?E.Coldstein，18501930)將這種射線命名為“陰極射線”。1878年，英國化學(xué)家克魯克斯(Sir W.Crookes，18321919)發(fā)現(xiàn)陰極射線能推動小風(fēng)車，被磁場推斥或牽引，是帶電的粒子流。1897年，克魯克斯的學(xué)生英國物理學(xué)家J.J.湯姆生(J.J.Th

2、omson，18561940)對陰極射線作了定性和定量的研究，測定了陰極射線中粒子的荷質(zhì)比。這種比原子還小的粒子被命名為“電子”。 電子的發(fā)現(xiàn)，動搖了“原子不可分”的傳統(tǒng)化學(xué)觀。 1895年，德國物理學(xué)家倫琴(W.C.Rönt-gen，18451923)在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線。1896年，法國物理學(xué)家貝克勒(A.H.Becquerel，18521908)發(fā)現(xiàn)了“鈾射線”。次年，法國著名化學(xué)家瑪麗居里(M.Curie，18671934)又發(fā)現(xiàn)了釷也能產(chǎn)生射線，于是她把這種現(xiàn)象稱為“放射性”，把具有這種性質(zhì)的元素稱為放射性元素。居里夫婦經(jīng)過極其艱苦的努力，于1898年先后發(fā)現(xiàn)了具有

3、更強(qiáng)放射性的新元素釙和鐳。隨后，又花費(fèi)了幾年時間，從兩噸鈾的廢礦渣中分離出0.1克光譜純的氯化鐳，并測定了鐳的原子量。 鐳曾被稱為“偉大的革命家”，克魯克斯尖銳地評論說：“十分之幾克的鐳就破壞了化學(xué)中的原子論”?？梢娺@一成果意義的重大。為此，居里夫人獲得了1911年的諾貝爾化學(xué)獎。 1901年盧瑟福和英國年青的化學(xué)家索迪(F.Soddy，18771956)進(jìn)行了一系列合作實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鐳和釷等放射性元素都具有蛻變現(xiàn)象。據(jù)此，他們提出了著名的元素蛻變假說，認(rèn)為放射性的產(chǎn)生是由于一種元素蛻變成另一種元素所引起的。這一成果具有革命意義，打破了“元素不能變”的傳統(tǒng)化學(xué)觀。盧瑟福也因此榮獲1908年的諾

4、貝爾化學(xué)獎。 1898年，J.J.湯姆生的學(xué)生E.盧瑟福(F.Rutherford，18711937)發(fā)現(xiàn)鈾和鈾的化合物發(fā)出的射線有兩種不同的類型，一種是射線，一種是射線；2年后，法國化學(xué)家維拉爾(P.Villard，18601934)又發(fā)現(xiàn)了第三種射線射線。 電子、放射性和元素蛻變理論奠定了化學(xué)結(jié)構(gòu)測定實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。 1912年，德國物理學(xué)家勞埃(M.von Laue，18791960)發(fā)現(xiàn)X射線通過硫酸銅、硫化鋅、銅、氯化鈉、鐵和螢石等晶體時可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)提供了一種在原子-分子水平上對無機(jī)物和有機(jī)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定的重要實(shí)驗(yàn)方法，即X射線衍射法。 無機(jī)物的結(jié)構(gòu)測定的真正開始是X射

5、線衍射線發(fā)現(xiàn)以后。在此之前，象氯化鈉這樣簡單的離子化合物的結(jié)構(gòu)問題，對化學(xué)家來說都是一個難題，但運(yùn)用這種方法之后，化學(xué)家才恍然大悟，原來其結(jié)構(gòu)是如此簡單。20世紀(jì)2030年代，人們運(yùn)用X射線衍射法分析測定了數(shù)以百計(jì)的無機(jī)鹽、金屬配合物和一系列硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)。 有機(jī)物的晶體結(jié)構(gòu)測定始于20世紀(jì)20年代。在此期間，人們測定了六次甲基四胺、簡單的聚苯環(huán)系、己鏈烴、尿素、一些甾族化合物、鎳鈦菁、纖維素以及一系列天然高分子和人工聚合物的結(jié)構(gòu)。 4050年代，有機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)分析工作更加蓬勃發(fā)展，最突出的是1949年青霉素晶體結(jié)構(gòu)、1952年二茂鐵(金屬有機(jī)化合物)結(jié)構(gòu)和1957年維生素B12結(jié)構(gòu)的測定。

6、 另外，人們應(yīng)用X射線衍射法還對一系列復(fù)雜蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定，取得了許多重大突破，為分子生物學(xué)理論的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2化學(xué)合成實(shí)驗(yàn) 化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個非?；钴S的領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備和方法的飛速發(fā)展，人們創(chuàng)造了很多過去根本無法創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)條件，合成了大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。 制備硼的氫化物，一直是久未攻克的化學(xué)難題。1912年，德國化學(xué)家斯托克(A.Stock，18761946)對硼烷進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作，發(fā)明了一種專門的真空設(shè)備，采取低溫方法合成了一系列硼的氫化物(從B2H6到B10H14)，并研究了它們的分子量和化學(xué)性質(zhì)。 1940年，斯托克的學(xué)生E.威伯

7、格用氨與硼烷作用制成了結(jié)構(gòu)與苯相似的“無機(jī)苯”B3N3H6。1962年，英國化學(xué)家巴特利特(N.Bartlett，1932)合成了第一種稀有氣體化合物六氟鉑酸氙，打破了統(tǒng)治化學(xué)達(dá)80年之久的稀有氣體“不能參加化學(xué)反應(yīng)”的傳統(tǒng)化學(xué)觀，開辟了新的化學(xué)合成領(lǐng)域。 有機(jī)合成在本世紀(jì)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，合成了許多高分子化合物，如酚醛樹脂(1907年)、丁鈉橡膠(1910年)、尼龍纖維(1934年)。 對有機(jī)天然產(chǎn)物合成貢獻(xiàn)較大的化學(xué)家，應(yīng)首推美國化學(xué)家伍德沃德(R.B.Woodward，19171979)。他先后合成了奎寧(1944年)、包括膽甾醇(膽固醇)和皮質(zhì)酮(可的松)在內(nèi)的甾族化合物(1951

8、年)、利血平(1956年)、葉綠素(1960年)以及維生素B12(1972年)等。為表彰他的杰出貢獻(xiàn)，他獲得了1965年的諾貝爾化學(xué)獎，被譽(yù)為“當(dāng)代的有機(jī)化學(xué)大師”。 1965年，我國科學(xué)家第一次實(shí)現(xiàn)了具有生物活性的結(jié)晶牛胰島素蛋白質(zhì)的人工合成，這對揭示生命奧秘具有重要意義； 1972年美國化學(xué)家科勒拉(H.G.Khorana，1922)等人使用模板技藝合成了具有77個核苷酸片斷的DNA，其后又合成了含有207個堿基對的具有生物活性的大腸桿菌DNA； 1981年我國科學(xué)家又實(shí)現(xiàn)了具有生物活性的酵母丙氨酸t(yī)RNA的首次全合成，取得了又一突破。 現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)除上述兩方面以外，還在溶液理論的發(fā)展和化

9、學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的建立等方面發(fā)揮了重要作用。 二 化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段的現(xiàn)代化 近30年來，計(jì)算機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到了卓有成效的應(yīng)用，正逐步成為重要的化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段。目前出現(xiàn)的各種儀器的聯(lián)機(jī)使用和自動化，不僅用于電分析化學(xué)、譜學(xué)、微觀反應(yīng)動力學(xué)、平衡常數(shù)的測定、分析儀器的控制、數(shù)據(jù)的存貯與處理、以及化學(xué)文獻(xiàn)檢索等，而且還能使經(jīng)典化學(xué)操作達(dá)到控制的自動化。 三 化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的現(xiàn)代化 隨著現(xiàn)代化學(xué)科學(xué)研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深入，以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法日趨現(xiàn)代化。1現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法 現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，是在滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和化學(xué)科學(xué)技術(shù)對化學(xué)試樣中微量乃至痕量組分如何進(jìn)行快速、靈敏、準(zhǔn)確檢

10、測的要求基礎(chǔ)上建立和發(fā)展起來的。這些方法從原理上看，都超越了經(jīng)典方法的局限性，幾乎都不再是通過定量化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量，而是根據(jù)被檢測組分的某種物理的或物理化學(xué)的特性(如光學(xué)、電學(xué)和放射性等方面的特性)，因而具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確性。 光學(xué)分析法。 光度法 ,光譜法 極譜法 色譜法。 質(zhì)譜法 質(zhì)譜法的基本原理是使化學(xué)試樣中的各種組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷的離子，經(jīng)過加速電場的作用，形成了離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場，使其發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。這種方法在同位素質(zhì)量的測定中被廣泛應(yīng)用。四 化學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)模和研究方

11、式的變化 現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)規(guī)模和研究方式上發(fā)生了很大變化。 最早的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室大概要算煉丹術(shù)士的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件極其粗糙和簡陋。 到了17世紀(jì)至19世紀(jì)初期，當(dāng)化學(xué)成為一門獨(dú)立的科學(xué)以后，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室才逐漸多了起來。但這些實(shí)驗(yàn)室都屬于私人所有，如波義耳在他姐姐家建立的實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)大師貝采里烏斯的實(shí)驗(yàn)室是他的廚房，在那里化學(xué)實(shí)驗(yàn)和烹調(diào)一起進(jìn)行。私人實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模比較小，除實(shí)驗(yàn)室的主人外，最多只能容納12個助手或12名學(xué)生。 這個時期的化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本上屬于個體式研究，個別的科學(xué)家獨(dú)居樓閣，擺弄著燒瓶、量筒、天平等儀器，其規(guī)模和形式近似于手工業(yè)作坊。化學(xué)與社會的密切關(guān)系 現(xiàn)代化學(xué)的興起使化

12、學(xué)從無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)上，發(fā)展成為多分支學(xué)科的科學(xué)，開始建立了以無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)和高分子化學(xué)為分支學(xué)科的化學(xué)學(xué)科。 化學(xué)與能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)的結(jié)合以及學(xué)科間的互相滲透已經(jīng)取得非常顯著的成績。 至于化學(xué)對化學(xué)工程的技術(shù)革命的作用，如利用新的廉價(jià)原料，選用效率更高、能耗更低的新工藝以及開發(fā)全新的催化體系等幾個方面，化學(xué)家都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和可以一顯身手的眾多機(jī)會。 二、現(xiàn)代天文學(xué)二、現(xiàn)代天文學(xué) 1. 1. 天體物理學(xué)的發(fā)展天體物理學(xué)的發(fā)展 2. 2. 觀測手段的進(jìn)步觀測手段的進(jìn)步 3. 3. 宇宙學(xué)的發(fā)展宇宙學(xué)的發(fā)展 4. 4. 黑洞與宇宙黑洞與宇宙

13、一、天體物理學(xué)的發(fā)展一、天體物理學(xué)的發(fā)展 分光術(shù)應(yīng)用于天文學(xué)產(chǎn)生了天體分光學(xué)分光術(shù)應(yīng)用于天文學(xué)產(chǎn)生了天體分光學(xué) 測光術(shù)在天文學(xué)上的應(yīng)用測光術(shù)在天文學(xué)上的應(yīng)用1. 18571. 1857年，英國人普格森年，英國人普格森建立了光度與星等的基建立了光度與星等的基本關(guān)系式，從此開始了本關(guān)系式，從此開始了科學(xué)的測光工作?？茖W(xué)的測光工作。2. 18592. 1859年，德國天文學(xué)家年，德國天文學(xué)家澤內(nèi)爾制作了第一架近澤內(nèi)爾制作了第一架近代光度計(jì)，并于代光度計(jì)，并于18611861年年公布了用這架儀器測量公布了用這架儀器測量到的到的226226顆亮星的第一個顆亮星的第一個近代光度星表。近代光度星表。照相術(shù)在

14、天文學(xué)上的應(yīng)用照相術(shù)在天文學(xué)上的應(yīng)用1 1. 1840. 1840年，美國的德雷伯最先把照相術(shù)應(yīng)用于天年，美國的德雷伯最先把照相術(shù)應(yīng)用于天文觀測，拍攝了月亮的照片。文觀測，拍攝了月亮的照片。2. 18802. 1880年開始，美國哈佛大學(xué)天文臺用物端棱鏡年開始，美國哈佛大學(xué)天文臺用物端棱鏡拍攝了拍攝了225225，000000多顆恒星的光譜照片，并按光譜多顆恒星的光譜照片，并按光譜把這些星分類，成為著名的哈佛光譜分類。把這些星分類，成為著名的哈佛光譜分類。3. 3. 當(dāng)前，天體物理學(xué)和理論物理學(xué)迅速發(fā)展，以當(dāng)前，天體物理學(xué)和理論物理學(xué)迅速發(fā)展，以及它們之間日益廣泛而深入地互相結(jié)合、滲透的及它們

15、之間日益廣泛而深入地互相結(jié)合、滲透的新趨勢，使天體物理學(xué)出現(xiàn)許多分支，為人們更新趨勢，使天體物理學(xué)出現(xiàn)許多分支，為人們更深刻認(rèn)識天體運(yùn)行規(guī)律提供了新的理論武器。深刻認(rèn)識天體運(yùn)行規(guī)律提供了新的理論武器。二、觀測手段的進(jìn)步二、觀測手段的進(jìn)步1. 1. 由于天文學(xué)研究對象的特殊性，它的現(xiàn)代由于天文學(xué)研究對象的特殊性，它的現(xiàn)代發(fā)展離不開觀測手段的改進(jìn)，這里主要指射發(fā)展離不開觀測手段的改進(jìn)，這里主要指射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展和應(yīng)用。電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展和應(yīng)用。2. 19372. 1937年，美國的雷伯制造了第一臺射電望年，美國的雷伯制造了第一臺射電望遠(yuǎn)鏡，拋物面直徑達(dá)遠(yuǎn)鏡，拋物面直徑達(dá)9 9米。米。3. 19423.

16、 1942年，英國海伊用軍用的超高頻雷達(dá)首年，英國海伊用軍用的超高頻雷達(dá)首先發(fā)現(xiàn)了太陽射電。先發(fā)現(xiàn)了太陽射電。4. 4. 六十年代天文學(xué)上的六十年代天文學(xué)上的4 4大發(fā)現(xiàn)大發(fā)現(xiàn)類星體、類星體、 3 K3 K微波背景輻射、射電脈沖星和星際有微波背景輻射、射電脈沖星和星際有機(jī)分子，都是靠射電探測工具獲得的。機(jī)分子，都是靠射電探測工具獲得的。宇宙論的基本問題1. 1. 宇宙從哪里來？又向何處去？宇宙從哪里來？又向何處去？2. 2. 宇宙中的天體是如何運(yùn)行的？宇宙中的天體是如何運(yùn)行的？3. 3. 對于這樣的問題，在人類歷史上出現(xiàn)過多種對于這樣的問題，在人類歷史上出現(xiàn)過多種多樣的答案。多樣的答案。4.

17、4. 譬如基督教的回答是這樣的：上帝創(chuàng)造了宇譬如基督教的回答是這樣的：上帝創(chuàng)造了宇宙以及其中的萬物；天體的運(yùn)行也是上帝安排宙以及其中的萬物；天體的運(yùn)行也是上帝安排好的。好的。廣義相對論廣義相對論 直到二十世紀(jì)初期，愛因斯坦（直到二十世紀(jì)初期，愛因斯坦（Albert Albert EinsteinEinstein）提出廣義相對論之后，關(guān)于時間和）提出廣義相對論之后，關(guān)于時間和空間的起始和終結(jié)問題，關(guān)于宇宙的創(chuàng)生問題，空間的起始和終結(jié)問題，關(guān)于宇宙的創(chuàng)生問題，才真正變成了一個科學(xué)問題，或者說物理學(xué)問才真正變成了一個科學(xué)問題，或者說物理學(xué)問題，甚至數(shù)學(xué)問題。題，甚至數(shù)學(xué)問題。廣義相對論引力場方程、宇

18、宙項(xiàng)廣義相對論引力場方程、宇宙項(xiàng)1. 1. 愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進(jìn)愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進(jìn)行宇宙學(xué)研究。行宇宙學(xué)研究。2. 2. 愛因斯坦發(fā)現(xiàn)按照他的引力場方程，算出來的宇愛因斯坦發(fā)現(xiàn)按照他的引力場方程，算出來的宇宙是不穩(wěn)定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。宙是不穩(wěn)定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。3. 3. 因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個宇因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個宇宙項(xiàng)，這個所謂的宇宙項(xiàng)具有斥力的效應(yīng)，這樣宙項(xiàng)，這個所謂的宇宙項(xiàng)具有斥力的效應(yīng)，這樣就可以用宇宙項(xiàng)的排斥來抵消物質(zhì)的吸引。就可以用宇宙項(xiàng)的排斥來抵消物質(zhì)的吸引。4. 4.

19、換言之，由宇宙項(xiàng)產(chǎn)生的負(fù)時空曲率能抵消由宇換言之，由宇宙項(xiàng)產(chǎn)生的負(fù)時空曲率能抵消由宇宙中質(zhì)量和能量產(chǎn)生的正時空曲率。宙中質(zhì)量和能量產(chǎn)生的正時空曲率。愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型1. 1. 愛因斯坦得到一個靜態(tài)的宇宙模型：愛因斯坦得到一個靜態(tài)的宇宙模型：2. 2. 宇宙空間是封閉的，但又是無邊的、無止境的。宇宙空間是封閉的，但又是無邊的、無止境的。就是說宇宙是有限無界的。就是說宇宙是有限無界的。3. 3. 假如一個光子向任何一個方向輻射出去，那么假如一個光子向任何一個方向輻射出去，那么它會一直在封閉的空間中傳播，任何地方也不會它會一直在封閉的空間中傳播，任何地方也不會碰到空間的邊

20、緣，最后還會回到出發(fā)地。碰到空間的邊緣，最后還會回到出發(fā)地。4. 4. 愛因斯坦的宇宙半徑大約愛因斯坦的宇宙半徑大約3535億光年。億光年。星系紅移星系紅移1. 1. 愛因斯坦在發(fā)展他的廣義相對論的同時，另愛因斯坦在發(fā)展他的廣義相對論的同時，另有一群實(shí)測天文學(xué)家，他們沒有受到過太高深有一群實(shí)測天文學(xué)家，他們沒有受到過太高深的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，也不接觸愛因斯坦的理論。但是的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，也不接觸愛因斯坦的理論。但是他們用當(dāng)時世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡孜孜不倦地他們用當(dāng)時世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡孜孜不倦地觀測天空。觀測天空。2. 2. 大概從大概從19101910年起，天文學(xué)家們在研究河外星年起，天文學(xué)家們在研究河外星

21、系的光譜時，發(fā)現(xiàn)星系有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象。到系的光譜時，發(fā)現(xiàn)星系有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象。到19171917年，他們搞清楚了，除了少數(shù)幾個離地球年，他們搞清楚了，除了少數(shù)幾個離地球近的星系，所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。近的星系，所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。星系越遠(yuǎn)，紅移越顯著。星系越遠(yuǎn)，紅移越顯著。哈勃定律哈勃定律1. 19291. 1929年美國天文學(xué)家哈勃（年美國天文學(xué)家哈勃（Edwin HubbleEdwin Hubble）提出了）提出了著名的著名的“哈勃定律哈勃定律”：2. 2. 星系退行的速度（星系退行的速度（V V）與它們離地球的距離（）與它們離地球的距離（R R）大）大致成正比，即致成正

22、比，即V=HRV=HR，H H稱為哈勃常數(shù)，稱為哈勃常數(shù)，3. 3. 現(xiàn)在確定其值為現(xiàn)在確定其值為5050公里公里/ /（秒（秒百萬秒差）。百萬秒差）。4. 4. 哈勃常數(shù)的倒數(shù)可以看做是宇宙年齡，不難算得宇哈勃常數(shù)的倒數(shù)可以看做是宇宙年齡，不難算得宇宙年齡大概在宙年齡大概在200200億年左右。億年左右?！按蟊ɡ碚摯蟊ɡ碚摗?. 1. 哈勃紅移的發(fā)現(xiàn)證明愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型哈勃紅移的發(fā)現(xiàn)證明愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是錯誤的。愛因斯坦自己也把宇宙項(xiàng)稱作是錯誤的。愛因斯坦自己也把宇宙項(xiàng)稱作“一一生中最大的錯誤生中最大的錯誤”。2. 2. 后來紛紛出籠的宇宙模型都把哈勃紅移考慮在后來紛紛出籠的

23、宇宙模型都把哈勃紅移考慮在內(nèi)。其中以美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（內(nèi)。其中以美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（George George GamowGamow）等人提出的后來被稱作）等人提出的后來被稱作“大爆炸理論大爆炸理論”的最為著名。的最為著名。n該理論認(rèn)為宇宙起源于高溫該理論認(rèn)為宇宙起源于高溫高密的高密的“原始火球原始火球”的大爆炸。的大爆炸。在爆炸開始幾分鐘里元素從輻射在爆炸開始幾分鐘里元素從輻射和核粒子的原初混合物中形成。和核粒子的原初混合物中形成。2. 2. 該理論還預(yù)言了大爆炸的一個結(jié)果，在今天的該理論還預(yù)言了大爆炸的一個結(jié)果，在今天的整個宇宙中有一種剩余輻射，它各向同性，溫整個宇宙中有一種剩余

24、輻射，它各向同性，溫度為絕對零度以上度為絕對零度以上5 5度（度（5K5K）。）。迪克的理論迪克的理論1. 1. 美國普林斯頓大學(xué)的迪克（美國普林斯頓大學(xué)的迪克（Robert H. Robert H. DickeDicke）根據(jù)伽莫夫的理論進(jìn)行研究，在）根據(jù)伽莫夫的理論進(jìn)行研究，在19641964年他也預(yù)言了高于絕對零度以上幾度年他也預(yù)言了高于絕對零度以上幾度的背景輻射。的背景輻射。2. 2. 迪克的小組還開始建立一臺儀器來探測這迪克的小組還開始建立一臺儀器來探測這種輻射以檢驗(yàn)這一理論。種輻射以檢驗(yàn)這一理論。宇宙微波背景輻射宇宙微波背景輻射1. 19651. 1965年貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位工程

25、師彭齊亞斯年貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師彭齊亞斯（Arno PenziasArno Penzias）和威爾遜（）和威爾遜（Robert WilsonRobert Wilson），），正在校正為測試衛(wèi)星通訊而設(shè)計(jì)的反射天線。正在校正為測試衛(wèi)星通訊而設(shè)計(jì)的反射天線。2. 2. 他們以極大的耐心追蹤和消去干擾源。但是他們他們以極大的耐心追蹤和消去干擾源。但是他們發(fā)現(xiàn)，有一種未加解釋的輻射來自天空的各個方向，發(fā)現(xiàn)，有一種未加解釋的輻射來自天空的各個方向，對應(yīng)的溫度大約是對應(yīng)的溫度大約是3K3K。3. 3. 他們向迪克咨詢引起這種輻射的可能原因，不料他們向迪克咨詢引起這種輻射的可能原因，不料獲悉他正在積極

26、尋找他們已經(jīng)找到的東西。獲悉他正在積極尋找他們已經(jīng)找到的東西。4. 4. 宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸理論是一個有宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸理論是一個有力的支持。力的支持。微波背景輻射微波背景輻射 來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。19641964年，他們用它測量銀暈氣體射電強(qiáng)度時，發(fā)現(xiàn)總年，他們用它測量銀暈氣體射電強(qiáng)度時，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景

27、噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙的有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙的波長為波長為7.357.35厘米的微厘米的微波噪聲相當(dāng)于波噪聲相當(dāng)于3.5 K3.5 K。19651965年，年，他們又訂正為他們又訂正為3 K3 K，并將，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲此獲19781978年諾貝爾物理學(xué)年諾貝爾物理學(xué)獎金。獎金。 微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是2020世紀(jì)天文學(xué)世紀(jì)天文學(xué)的一項(xiàng)重大成就。它對現(xiàn)代宇宙學(xué)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)的一項(xiàng)重大成就。它對現(xiàn)代宇宙學(xué)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，可以與河外星系的紅移的發(fā)現(xiàn)相比擬。當(dāng)影響，可以與河外星系的紅移的發(fā)現(xiàn)相比擬。當(dāng)前，流行

28、的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早前，流行的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學(xué)的強(qiáng)有力的支持。早在期。這是對大爆炸宇宙學(xué)的強(qiáng)有力的支持。早在4040年代，年代，伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼根據(jù)當(dāng)時已知根據(jù)當(dāng)時已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料，發(fā)展了熱大爆炸學(xué)的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料，發(fā)展了熱大爆炸學(xué)說，并預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射，說，并預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射，其溫度約為幾其溫度約為幾K K或幾十或幾十K K。3 K3 K微波背景輻射的實(shí)微波背景輻射的實(shí)測結(jié)果與理論預(yù)期大體相符。測結(jié)果與理論預(yù)期大體相符。 什么是黑洞什么是黑洞 1795179

29、5年，著名的數(shù)學(xué)家拉年，著名的數(shù)學(xué)家拉普拉斯曾指出：有一個發(fā)光體，普拉斯曾指出：有一個發(fā)光體，它的密度與地球密度一樣，其它的密度與地球密度一樣，其直徑比太陽的直徑大直徑比太陽的直徑大250250倍，可倍，可是由于被吸引的緣故，無法使是由于被吸引的緣故，無法使其光線達(dá)到地球。其光線達(dá)到地球。四、黑洞與宇宙四、黑洞與宇宙黑洞：黑洞是時空中這樣的一個區(qū)域，任何物質(zhì)一旦黑洞：黑洞是時空中這樣的一個區(qū)域，任何物質(zhì)一旦進(jìn)入該區(qū)域，便永遠(yuǎn)不能出來。進(jìn)入該區(qū)域，便永遠(yuǎn)不能出來。 黑洞是一種看不見的異常天體；黑洞是一種看不見的異常天體；6060年代以后，年代以后，成為天文上最具誘惑力的搜索對象。與一切可見天成為

30、天文上最具誘惑力的搜索對象。與一切可見天體相比，黑洞正是最強(qiáng)的引力場源，能使鄰近處時體相比，黑洞正是最強(qiáng)的引力場源，能使鄰近處時空彎曲得相當(dāng)厲害，以致把任何東西都裹卷其內(nèi)，空彎曲得相當(dāng)厲害，以致把任何東西都裹卷其內(nèi)，甚至光線也不能幸免。甚至光線也不能幸免。 以克爾黑洞為例：以克爾黑洞為例： 克爾黑洞有一個靜界和一個外視界，靜界是克爾黑洞有一個靜界和一個外視界，靜界是一個旋轉(zhuǎn)橢圓面，外視界是一個球面，包含在靜界和一個旋轉(zhuǎn)橢圓面，外視界是一個球面，包含在靜界和外視界之間的空間稱為能層。物體進(jìn)入能層尚還可以外視界之間的空間稱為能層。物體進(jìn)入能層尚還可以從中再返回到黑洞外部的空間，一旦物體進(jìn)入了外視從

31、中再返回到黑洞外部的空間，一旦物體進(jìn)入了外視界，便永遠(yuǎn)不能再逃出來了。界，便永遠(yuǎn)不能再逃出來了。外視界H靜界S外視界H靜界S霍金霍金1. 從從1965年到年到1970年間，霍金跟彭羅斯年間，霍金跟彭羅斯進(jìn)行了密切的合作，證明了廣義相對論的進(jìn)行了密切的合作，證明了廣義相對論的奇性不可避免。奇性不可避免。2. 也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然起源于一個大爆炸奇點(diǎn)；同時，在黑洞中起源于一個大爆炸奇點(diǎn)；同時，在黑洞中必然存在無限大密度和無限大時空曲率的奇點(diǎn)。必然存在無限大密度和無限大時空曲率的奇點(diǎn)。3. 這樣，時間起始于大爆炸奇點(diǎn)，終止于大擠壓奇這樣，時間起始于大爆

32、炸奇點(diǎn)，終止于大擠壓奇點(diǎn)（整個宇宙的坍縮）或者黑洞中的奇點(diǎn)（局部點(diǎn)（整個宇宙的坍縮）或者黑洞中的奇點(diǎn)（局部區(qū)域的坍縮）。區(qū)域的坍縮）。4. 這是霍金在經(jīng)典廣義相對論這是霍金在經(jīng)典廣義相對論框架里取得的一個重要成果?？蚣芾锶〉玫囊粋€重要成果。黑洞不黑黑洞不黑1. 1970年年11月霍金悟到黑洞事件視界的面積永遠(yuǎn)月霍金悟到黑洞事件視界的面積永遠(yuǎn)不會減少。不會減少。2. 美國普林斯頓大學(xué)的一位學(xué)生貝肯斯坦（美國普林斯頓大學(xué)的一位學(xué)生貝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein）把霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞面積不減跟）把霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞面積不減跟熱力學(xué)第二定律聯(lián)系起來，指出黑洞的事件視界熱力學(xué)第二定律聯(lián)系起來，指出黑洞的事件視界面積就是黑洞熵的量度。面積就是黑洞熵的量度。3. 1973年年9月兩位前蘇聯(lián)黑洞專家說服了霍金：按月兩位前蘇聯(lián)黑洞專家說服了霍金：按照量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該產(chǎn)生照量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該產(chǎn)生和輻射粒子。和輻射粒子。4. 霍金接著通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)黑洞以剛好防止熱力學(xué)霍金接著通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)黑洞以剛好防止熱力學(xué)第二定律被違反的準(zhǔn)確速率發(fā)射粒子和輻射能量。第二定律被違反的準(zhǔn)確速率發(fā)射粒子和輻射能量?；艚疠椛浠艚疠椛?. 按照經(jīng)典廣義相對論，黑洞的面積不減；但考按照經(jīng)典廣義相對論，黑洞的面積不減；但考慮了量子效應(yīng)之后，黑洞會蒸發(fā)，面積