科学技术与人类文明知识点2015-12

科学技术与人类文明知识点2015-121（1）地外生命与地外文明地外生命指存在于地球之外类似地球生命，具有新陈代谢、遗传、环境适应等特征。地外生命可能是大型动物、植物、或者是微生物等。外星人是指来自于地球以外，且与人类属于同一形态之高智能动物。若不同类形之外星智能动物，可称之为异形。我们通常所指的外星人指的是进化到一定阶段，甚至具有高度智慧的生命形式。地外文明是指地球以外的其他天体上可能存在的高级理智生物的文明，潜在的文明可分成三类：（2）绿岸公式1961年11月，美国天体物理学家德雷克提出了一种估计银河系中具有通讯文明的星球数目的一个著名的方程，后来称之为“绿岸公式”：绿岸公式以一系列概率的乘积表达。N=R×Ne×fp×fl×fi×fe×L科学家应用绿岸公式估计，距地球一百亿光年范围内，就可能有一百万个行星适于高级生命居住。但彼此离得非常远，平均距离竟达三百光年。（3）人类与地外生命的第五类接触：人类用友好信息与外星文明联系；为了证明外星人是否存在，人类一直在努力寻找确实的证据。这种努力和它可能带来的结果称为第五类接触。第五类接触包括以下方式：（1）利用人造宇航器对外太空进行探测。（2）向外太空发射“地球电报”，向外太空表明我们的存在。（3）外星智能生命搜索：通过射电望远镜收集可能存在的外星电磁记号。最早弗兰克·德雷克就领导开展了奥兹玛计划，导致后来的SETI计划的实施。SETI计划目前执行的是凤凰计划，用射电望远镜对可能存在地外生命的1000多个目标进行探测。（4）SETI计划SETI计划是接受外太空的信息的计划，SETI计划又名“凤凰计划”，通过大型电子天文望远镜，探测接受外太空的“声音”，包括背景辐射、星体发出的电波以及其他杂音。科学家再将这些信号通过电脑分析，希望从中可以发现外星传来的信息。（5）哥白尼与“日心说”：15、16世纪的时候，波兰的天文学家哥白尼根据天文观测的结果，提出“日心说”，出版了他著名的《天体运行论》。“日心说”，也称为地动说，是关于天体运动的和地心说相立的学说，它认为太阳是银河系的中心，而不是地球。日心说把地球从居于宇宙中心的特殊地位降为一颗绕太阳旋转的普通行星，正确地反映了太阳系的实际情况。(6)银河系的发现（A）哈雷与斯特鲁维的发现：17l8年，哈雷将自己的观测同1000多年前托勒密时代的观测结果相比较，发现有几颗恒星的位置已有明显变化，首次指出所谓恒星不动的观念是错误的。1837年，斯特鲁维测定了织女星与太阳的距离为日地距离（1.5亿公里）的165万倍，远远超出了太阳系的边界（日地距离的40倍）。（B）斯维登堡、赖特与赫歇尔兄妹及沙普利发现：18世纪中，瑞典的斯维登堡、英国的赖特以及1918年沙普利发现“银河”是直径达10万光年，由大量恒星组成的透镜形、“磨盘”状体系，盘状旋臂结构的星系，太阳并不处于其中心，是天文学上的第二个里程碑。（C）银河系：银河系实际是由1～2千亿个恒星组成，包括盘状区域-为银盘，直径约为八万五千光年，盘中心平面-银道面。中心凸起-核球，直径约为一万至一万三千光年，是恒星高度密集的区域，两条旋臂是恒星和星际物质密集的区域。(7)河外星系的发现（A）旋涡星系-威廉·帕森斯发现：17世纪，人们陆续发现了一些“星云”。1845年，罗斯伯爵威廉·帕森斯建造了一架口径1.8米的望远镜，观察到呈旋涡状的美丽星云。天文学家了解到，这个旋涡星系的距离，为2100万光年，远远超出了银河系10万光年的范围。（B）哈勃与“河外星系”的发现：20世纪20年代，美国天文学家哈勃在仙女座大星云中发现了一种叫作“造父变星”的天体，从而计算出星云的距离，终于肯定它是银河系以外的天体系统，称它们为“河外星系”。（C）河外星系：简称为星系，是位于银河系之外、由几十亿至几千亿颗恒星、星云和星际物质组成的天体系统。而银河系与河外星系即组成了天文学对于天体的最高称呼-总星系。天文学家从最新的哈伯望远镜的影像中研判，宇宙星系数量可能高达1250亿以上。科学技术与人类文明知识点2015-122(8)现代宇宙学的诞生（A）爱因斯坦的宇宙模型与勒梅大爆炸的预言：爱因斯坦1917年根据广义相对论，提出了一个宇宙模型。1927年，比利时的勒梅特根据引力场方程提出大尺度宇宙空间随时间膨胀的，宇宙大爆炸的预言。（B）多普勒效应与夫琅和费谱线：当波源与接收器相对运动时，接收器接收到的信号频率与波源的频率不同的现象。夫琅和费发现宇宙光谱中所产生的明暗线代表发射谱线的化学元素的“指纹”。（C）蓝移与红移：多普勒效应用宇宙中星球所发出的谱线观察星体的运动方向，如果光源在向我们接近，夫琅和费线就会向光谱的蓝端移动，这叫“蓝位移”。如果光源在后退，这些谱线会向光谱的红端移动，这叫“红位移”。（D）哈勃定律：美国天文学家哈勃，运用光谱位移的原理发现，大部分星系的光谱都发生了红位移，距离越远的星系红移量越大。根据多普勒效应，这意味着所有的星系都在远离我们，而且离我们越远的星系，退行的速度也越快。直接的推论就是：字宙中所有的星系都在彼此远离，即宇宙处于普遍的膨胀之中。（E）宇宙微波背景辐射发现：伽莫夫提出寻找高热爆炸辐射以证实宇宙大爆炸的思路。美国贝尔实验室的两位科学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊通过射电天文研究无意中发现了找到了推论中的宇宙大爆炸的“痕迹”-宇宙微波背景辐射，当天文学家发现，微波辐射的温度在天空的所有方向上几乎完全一样，都是2.725开尔文（3K）-大爆炸留下的余温。（D）宇宙大爆炸理论的提出：（1）勒梅特根据引力场方程提出大尺度宇宙空间随时间膨胀的，宇宙大爆炸的预言；（2）两个证据：（2-1）哈勃发现星系光谱的红位移证实了膨胀的宇宙；（2-2）阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现宇宙微波背景辐射证实宇宙大爆炸的发生；（3）1948年，伽莫夫发展在上述基础上与艾尔弗及赫尔曼一起，提出了大爆炸宇宙学说。大爆炸宇宙论要点：大爆炸宇宙论又称为宇宙标准模型理论。最初的宇宙没有空间和时间，物质密度极大，温度极高，宇宙只有基本粒子形态的物质，全部物质和能量集中在一点-“奇点”。现在观测到的宇宙始于150亿多年一次大爆炸。大爆炸使整个宇宙在不断膨胀，温度很快下降，在不断膨胀冷却的过程中相继形成宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。意义：该理论的提出，标志着现代宇宙学的开端。现今大爆炸宇宙论已为科学界普遍共识。（9）宇宙的年龄：2008年，科学家们在对“威尔金森微波各向异性探测器”(WMAP)传回的观测数据进行分析和计算后宣布，宇宙的准确年龄约为137.3亿年(正负误差不超过1.2亿年)。（10）恒星演化理论过程：1926年，英国天文学家，A·埃丁顿和R·阿特金森发展起来的恒星结构学说，爱因斯坦在二十世纪初提出质量和能量之间的关系，E=mc2，1938贝特和魏茨泽克才根据核反应的实验数据和热核反应的机理，提出氢聚变为氦的碳氮循环的热核反应来说明恒星的巨大能量来源。四十年代M.史瓦西把恒星结构和演化结合起来，获得太阳内部温度、密度和压力的分布以及氢、氦成分并得出太阳的年龄。（11）赫罗图与恒星演化：1913年天文学家赫茨普龙、罗素各自独立绘出表示恒星特征的量：表面温度和光度的光度－温度图，称为赫罗图。在赫罗图上，大多数恒星分布在图中左上方至右下方的一条狭长带内，从高温到低温的恒星形成一个明显的序列，称为“主星序”。主序星的特点是：表面温高度的恒星其光度也大，表面温度低的恒星其光度也小。在赫罗图的左下方，有一些恒星聚集，这些恒星表面炽热，但光度很小，称为白矮星。在赫罗图的右上方，也有一个恒星较密集的区域，它们是一些温度低但光度大的恒星，称为红巨星或超红巨星。赫罗图试图分析恒星的温度高低和辐射能量大小，揭示恒星的本原，是二十世纪天文学上最重大的成就之一。主序星的中心核反应为氢聚变成氦。当恒星中心温度达到800万度以上时，开始氢聚变反应，恒星停止收缩，形成了正常的恒星，进入了主序星阶段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%，是恒星最稳定的阶段。如太阳就是典型的主序星。当恒星耗尽其氢燃料的，引力不受阻地使恒星坍缩，坍缩中恒星核变热形成足够高的温度而启动了氦聚变，从而使得恒星坍缩逆转。氦核可以聚变成碳，并通过进一步的聚变生成氧、氖以及其他一些元素。大质量恒星可以产生必要的内部温度-可达10亿度以上，使上核反应得以进行。温度超高使恒星膨胀成为庞大的巨星，甚至比整个太阳系还大。但尽管恒星核反应更加剧烈，恒星的表面温度却凉下来，因为庞大科学技术与人类文明知识点2015-123的恒星表面会把热量辐射出去。这时恒星呈现红色。这时天文学家称之为红超巨星-氦核聚变成碳。稳定地进行10亿年之久。恒星中心热核反应出现铁元素，就进入老年期。迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，数以万亿吨计的物质以每秒几万公里的速度向内暴缩，与正在反弹着的比金刚石更坚硬的致密恒星核区相遭遇，发生极为强烈的碰撞，同时释放出惊人的能量，导致恒星外壳发生爆炸，并使光度瞬间剧增万倍至上亿倍，在几天时间内恒星增亮至太阳光的100亿倍，这就是所谓的超新星。当超新星爆发“昙花一现”之后，原有的恒星顷刻塌缩为体积小密度极高的致密星（恒星的残骸）和爆发出去的星云物质（新恒星形成的物质基础），完成了银河系内空间物质-能量交换过程的一次循环。恒星演化最后阶段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三种不同类型的归宿，它们的形成与母体恒星质量有关。质量中等的恒星（小于1.4个太阳质量）经历超新星爆发后，恒星残骸由异常致密的原子核和电子组成），表面温度升高至8000K，发出白光，称为白矮星。白矮星只能靠辐射热量发光，可有几十亿年寿命。白矮星的热能耗尽，变为黑矮星。质量更大的恒星经历超新星爆发后残存的质量如达到太阳质量的1.5～2倍，在暴缩情况下形成快速自转的中子星。主要由异常致密的中子组成。寿命小于10亿年。超新星爆发后如果残骸质量超过太阳质量的2～3倍，即使到了中子星阶段还会继续塌缩至高于原子核的密度。物质将不可阻挡地向中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”，即“黑洞”。（12）虫洞理论与时空旅行虫洞理论来源于爱因斯坦更为深奥的广义相对论，是爱因斯坦那个著名的引力场方程的一个解。1935年，爱因斯坦和其学术助手罗森在一篇论文中，把连接宇宙中两个遥远区域之间的假想通道称为“桥”-后来这被称为爱因斯坦-罗森桥，1963年克尔（RoyKerr）得出一个解，表明有可能存在着可以通过的爱因斯坦-罗森桥，这时它就变成一个“虫洞”-通往另一宇宙的通道。但按照爱因斯坦场方程的预言，虫洞从产生到消失，时间极短，没有事物能从一个洞口穿过它到达另一个洞口。但索恩最终设想以具有“负能量密度”的奇异物作为保持虫洞持续开放的物质条件，并把实现条件设置在高级智慧生物无限先进的文明背景下。因此，虫洞理论为时空旅行找到了一些理论依据，如今不少科学家相信，科学家相信，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，为人们进行时空旅行提供了可能性。。（13）时空旅行与因果律、祖母悖论（佯谬）如果人能够回到过去，就会对我们的常识构成挑战，就会在理论上产生一个严重问题，即对因果律的破坏，本来在我们的常识中，因果律是天经地义的——任何事情有因才会有果，原因只能发生在前，结果必然产生于后。但是一旦人可以回到过去，因果律就要受到严峻挑战。这样的事情，在物理学上被称为悖论（佯谬），上面这个问题，物理学家早就讨论过，他们的表述方法之一是“祖母佯谬”：如果你回到过去，遇见了年轻时的祖母（祖父），你和她一起登山，不慎导致她失足身亡，那么你的母亲将无法诞生，那么又怎么会有你的存在呢？这样就构成一个悖论。对因果律的破坏。这个问题可以有多种表述方法。（14）平行理论（多极世界）平行理论（多极世界）是对祖母悖论另外一种解决方案，霍金解释，时间旅行者回到过去改变历史后，时间线便出现分杈，分杈出来的时间线展开的是另一段历史。就是说一个人回到她祖母的时代，从那一时刻开始，宇宙的发展及演化就分成了两个平行的宇宙。第一种情况，他把他的祖母Kill了，现在这个人也就不再存在