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同學(xué)們好!今天我們來(lái)學(xué)習(xí)宇宙中的行星地球這個(gè)專(zhuān)題。
用慕課來(lái)學(xué)習(xí)呀,每段最好控制在15分鐘以?xún)?nèi),不要超過(guò)20分鐘。所以有關(guān)本專(zhuān)題的內(nèi)容,我分成了如下四個(gè)部分。(1)地球在宇宙中的地位如何;(2)地球的鄰居,主要介紹一下月球和與我們最近的兩顆行星,金星和火星;(3)為什么我們的地球是適宜生命或者說(shuō)人類(lèi)居住的;(4)在歷史上和現(xiàn)如今,人類(lèi)為了更了解地球,對(duì)宇宙中的生命宜居帶進(jìn)行了何種探索?。首先,我們來(lái)了解一下地球在宇宙中的地位。
我們常用“天文數(shù)字”來(lái)形容非常大的數(shù)字,或者無(wú)法用確切數(shù)字來(lái)表達(dá)的數(shù),大多時(shí)候是帶有夸張成分的,甚至有難于實(shí)現(xiàn)的意味。但是,在我們浩瀚的宇宙以及其發(fā)生發(fā)展歷史中,這個(gè)數(shù)字則是名副其實(shí)的。因?yàn)檫@些數(shù)字實(shí)在太大,以我們的常識(shí)難于理解,因此許多時(shí)候我們不得不用類(lèi)比的形式。
比如,天文學(xué)中測(cè)量距離的基本單位——叫做一個(gè)天文單位,是指從地球到太陽(yáng)的平均距離,約等于一億四千九百六十萬(wàn)公里(1.496億千米),這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們?nèi)祟?lèi)一輩子所能到達(dá)和想象的距離。如果再到整個(gè)太陽(yáng)系和銀河系,那就更難于想象了。
現(xiàn)在我們提一個(gè)問(wèn)題,如果太陽(yáng)是籃球那么大,那么地球相當(dāng)于什么呢。乒乓球、玻璃球、米粒、還是籃球場(chǎng)的一粒沙?大家可以在下面計(jì)算一下呀。這個(gè)問(wèn)題計(jì)算完后,大家再計(jì)算一下:如果太陽(yáng)和籃球一樣大,那么銀河系有地球那么大嗎?太陽(yáng)是太陽(yáng)系中離我們最近的恒星。直徑約1.39×108千米,相當(dāng)于地球直徑的109倍。表面積是6.07×1012平方千米,相當(dāng)于地球表面積的11900倍,能容納下月球環(huán)繞地球的公轉(zhuǎn)軌道。體積相當(dāng)于地球體積的130萬(wàn)倍。a一個(gè)乒乓球大?。?/span>5厘米);b一個(gè)玻璃球大?。?/span>0.1厘米);c一粒米粒大?。?/span>0.25厘米);d一粒微塵大?。?/span>0.01厘米)
http://www.360doc.com/content/13/1025/20/12195296_324196505.shtml
如果太陽(yáng)和籃球一樣大,那么銀河系有地球那么大嗎?籃球:直徑24.6CM=0.25M;地球:直徑約12700公里=1.27E7米;太陽(yáng):直徑139.2萬(wàn)公里=1.39E9米;銀河系:直徑10萬(wàn)光年,換算成米是9.46E20。所以太陽(yáng)和籃球一樣大,相當(dāng)于縮小了5.56E9次方倍,銀河系按比例縮小,就是1.70E11的大小,所以結(jié)論是比地球要大,而且比太陽(yáng)還要大,是太陽(yáng)直徑的10倍。
根據(jù)目前的技術(shù),所知得的宇宙歷史大約138億年,其實(shí)這個(gè)時(shí)間對(duì)我們來(lái)說(shuō)也是難于理解的,是吧。如果要有所理解,也必須通過(guò)一個(gè)時(shí)間類(lèi)比才能體會(huì)出來(lái)。這個(gè)類(lèi)比實(shí)驗(yàn)?zāi)?,一般就是將宇宙從誕生到今天壓縮為一年,那么一個(gè)月呢就相當(dāng)于10多億年。因?yàn)橛嘘P(guān)這方面的內(nèi)容呢,我在網(wǎng)上找到了一個(gè)非常棒的視頻,大家可以在本節(jié)課結(jié)束后看一下我附錄在后面的視頻:《如果宇宙只有一年》。
要了解我們的宇宙,的確非常困難,正如我們戰(zhàn)國(guó)末期的政治家屈原在《天問(wèn)》中的前四句所詢(xún)問(wèn)的。這四個(gè)問(wèn)句是什么意思呢?應(yīng)該很容易看懂啊。大意是:天地剛開(kāi)始的時(shí)候,是誰(shuí)將道傳遞到這個(gè)宇宙。那個(gè)時(shí)候天地宇宙都沒(méi)有形成,更沒(méi)有人,那我們作為人類(lèi),怎么樣知道傳道者是誰(shuí)呢?已知的宇宙對(duì)我們來(lái)說(shuō)是無(wú)窮無(wú)盡的,那誕生宇宙的環(huán)境更應(yīng)該是無(wú)窮無(wú)盡了,誰(shuí)能找到合適的角度去探究呢?當(dāng)我們思考這些問(wèn)題的時(shí)候,有時(shí)候覺(jué)得想明白了又忽然覺(jué)得很糊涂,究竟如何才能去認(rèn)識(shí)這樣的問(wèn)題呢?這是一個(gè)簡(jiǎn)單的形而上的問(wèn)題,但是試圖用行而下的方式來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)前伞:苊黠@,那個(gè)時(shí)候的人們相信,宇宙是無(wú)始無(wú)終的。
現(xiàn)在我們知道了,天文數(shù)字是很大的數(shù)字。但有時(shí)候描述宇宙現(xiàn)象的時(shí)候,有非常小的數(shù)字,同樣讓我們難于理解的。比如這里所論述的宇宙起源,說(shuō)宇宙在誕生之后的10-44秒(10的負(fù)44次)急速展開(kāi),從10-34厘米的超微宇宙在僅僅10-34秒之內(nèi)迅速膨脹了10100倍,這稱(chēng)為暴脹(inflation)。這樣的說(shuō)法挺起來(lái)是否云里霧里,毫無(wú)感覺(jué)?因?yàn)檫@樣的數(shù)值實(shí)在是離我們太遠(yuǎn)了,我們?nèi)粘I钪懈居貌坏?。這個(gè)說(shuō)法,實(shí)際上是提出了一個(gè)“從無(wú)到有”的宇宙起源模式,對(duì)于傳統(tǒng)的“無(wú)始無(wú)終”宇宙觀,那是一個(gè)巨大的沖擊!
再來(lái)看看我們的地球。根據(jù)人們的不斷探索,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),僅僅銀河系就有1500-2000億顆恒星,而類(lèi)似銀河系的星系則大于500億。如此說(shuō)來(lái),地球太微不足道了,太平凡了。然而,起始于上個(gè)世紀(jì)60年代的地外文明探測(cè),到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可靠的依據(jù)證明是否存在地外文明,我們能得出的結(jié)論只能是,地球是目前已知唯一有人類(lèi)的星體。也就是說(shuō),地球是人類(lèi)在宇宙中的唯一家園。
俗話說(shuō),工欲善其事,必先利其器。要觀測(cè)宇宙,也必須要有好的工具。天文學(xué)的發(fā)展也基本上證明了,許多重大的天文發(fā)現(xiàn)都是在工具,特別是各種望遠(yuǎn)鏡得到改進(jìn)之后——誰(shuí)的望眼鏡做得好,誰(shuí)就能發(fā)現(xiàn)更多的東西。中國(guó)近幾十年的發(fā)展,讓我們的也慢慢走向天文大國(guó)和天文強(qiáng)國(guó)。許多方面甚至領(lǐng)先于世界。這張圖片展示的就是目前世界上口徑最大的球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST,它安裝在貴州省黔南州的大窩凼(氹,dàng)。選擇在這個(gè)地方,首先這個(gè)地方的形狀本身就類(lèi)似一個(gè)半球面了,所以可以大大減少土石方的開(kāi)挖量,另外,這還是一個(gè)排水良好的圓形喀斯特洼地,而且歷史上無(wú)重大自然災(zāi)害的記錄。開(kāi)展從宇宙起源到星際物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探討、對(duì)暗弱的脈沖星及其他暗弱的發(fā)射源進(jìn)行搜索、高效率地開(kāi)展對(duì)地外理性生命的搜索等等。
說(shuō)到望眼鏡,我們不得不提哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡。大多數(shù)天文臺(tái)是建在地面的,我們知道地球的大氣層對(duì)天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)是有干擾的,如果能將天文臺(tái)建在大氣層之外,該有多好呀。其實(shí),這樣的問(wèn)題呢,上個(gè)世紀(jì)40年代就有天文學(xué)家考慮了,并在理論上計(jì)算,口徑2.5米的望遠(yuǎn)鏡能達(dá)到0.1弧秒的衍射極限值,這里的0.1弧秒是指角分辨率,也就是物體能被清楚分辨的最小分離角度,數(shù)值越小,分辨率越高。而以地面為基地的望遠(yuǎn)鏡解析能力呢只有0.5-1.0弧秒,所以提高了5~10倍。其次,在太空中的望遠(yuǎn)鏡還可以觀測(cè)到被大氣層吸收殆盡的紅外線和紫外線。40多年之后,也就是1990年4月24日,哈勃望遠(yuǎn)鏡在美國(guó)肯尼迪航天中心由“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)成功發(fā)射。它的發(fā)射,成功彌補(bǔ)了地面觀測(cè)的不足,幫助天文學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問(wèn)題,使得人類(lèi)對(duì)天文物理有更多的認(rèn)識(shí)。2016年3月4日,人類(lèi)宇宙觀測(cè)距離記錄再次被哈勃望遠(yuǎn)鏡刷新,成功捕捉到了距離地球達(dá)134億光年的一個(gè)星系所發(fā)出的微光。
與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不同,開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡在測(cè)光精度和視場(chǎng)上進(jìn)行了提升,因?yàn)槠渲饕蝿?wù)是發(fā)現(xiàn)環(huán)繞著其他恒星的類(lèi)地行星。它要對(duì)銀河系內(nèi)10萬(wàn)多顆恒星進(jìn)行探測(cè),希望搜尋到能夠支持生命體存在的類(lèi)地行星。不過(guò)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡分辨率不如哈勃,也沒(méi)有光譜觀測(cè)。當(dāng)然,不管是開(kāi)普勒還是哈勃,一些體積較大的儀器設(shè)備還是沒(méi)辦法裝上去的,許多現(xiàn)在的天文觀測(cè)呢還暫時(shí)離不開(kāi)地面的天文臺(tái)。
行星不發(fā)光,在近乎黑暗的宇宙,要用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)到其他星系的行星,那幾乎是不可能的事兒。不過(guò)呢,天文學(xué)家找到了一種好的方法,那就是行星凌日。凌日是一種難得的天象,也是天文學(xué)家認(rèn)識(shí)宇宙的重要工具。在太陽(yáng)系,天文學(xué)家曾借助于水星凌日,第一次較為精確地測(cè)量了日地之間的距離。如今,天文學(xué)家正是用類(lèi)似的方法去尋找其他恒星周?chē)拇笮行?。開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡,就是通過(guò)觀測(cè)10萬(wàn)顆恒星的光度變化,判定是否行星凌日來(lái)檢測(cè)是否有行星的存在。因?yàn)槠渌窍惦x我們實(shí)在太遠(yuǎn)了,行星不可能像太陽(yáng)系的水星和金星那樣呈現(xiàn)出一個(gè)小球性狀。但行星經(jīng)過(guò)恒星,一定會(huì)阻擋一些光線,所以我們只能根據(jù)恒星的光度變化來(lái)判定是否行星凌日。
2016年8月25日,自然雜志報(bào)道,科學(xué)家在半人馬座α星找到了類(lèi)地行星。如果你看過(guò)劉慈欣的科幻小說(shuō)《三體》,就知道這里α星的三顆恒星其實(shí)就是本部小說(shuō)的原型。我看到這篇新聞的第一反應(yīng)就是,劉慈欣在小說(shuō)中的超級(jí)想象是否會(huì)成為現(xiàn)實(shí)呢?但是,這一切都還是假說(shuō)。
無(wú)獨(dú)有偶,開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡自2009年發(fā)射升空以來(lái),一直致力于在太陽(yáng)系外尋找類(lèi)地行星,目前它已發(fā)現(xiàn)4000余顆候選行星,其中有1000多顆已確認(rèn)。有人戲稱(chēng)這樣的行星為地球兄弟。
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