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第二章 宇宙、地球的起源与演化
1、银河系和宇宙起源学说
1.1 银河系结构及太阳的运动
　 (1)银河系结构
　　银河系是星系的典型代表，由1500多亿颗恒星和星际物质组成。银河系主体部分称银盘，中央呈近似球形隆起的部分称为核球，是恒星高度密集区域；核球的中心称为银核，是银河系的质量中心。肉眼见到的银河就是银河系主体在天球上的投影。银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围。
　　从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构。旋臂是银河系中恒星和星际物质的密集部位。
　　太阳是银河系众多恒星中的普通一员，它位于银盘中心平面（银道面）附近和一条旋臂（猎户座旋臂）的内缘，距银核约2.7万光年处。
　　(2)太阳在银河系内的运动
　　银河系的旋涡结构反映了自身存在自转运动，也就是银河系中的恒星、星云和星际物质都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250 km/s，旋转一周约2.5~3亿年，称为银河年。
　　银河系内不同星体间的运动也存在复杂的情况。有人提出太阳在旋转过程中可能发生二种周期性变化。一种是从银河系侧面看发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银道面一次。另一种是从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。上述假说在天文学研究领域内尚待进一步验证。
1.2 星系运动和总星系
　　(1)银河系的运动和河外星系
　　银河系除存在自转外，同时整体还向着麒麟座方向运动。近年天文学研究已陆续发现宇宙空间中存在500亿个类似银河系的恒星系，称为河外星系。
　　(2)从星系团到总星系
　　10万光年尺度的星系在空间分布并不均匀，它们有成团的趋势，可以形成星系团。星系团内星系之间距离约为百万光年量级。银河系和相邻仙女星系、麦哲伦星云等30个星系组成一个规模较小的集团，称为本星系群。人类现在观测能力所及的可见宇宙称为总星系，其典型空间尺度为150亿光年，年龄为100亿光年量级。
1.3 大爆炸宇宙学与宇宙起源问题
　　(1)谱线红移与可见宇宙
　　根据多普勒效应原理，发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动，称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。
　　哈勃(E.P. Hubble, 1929)经过大量实际观测发现来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据光源星系离开观察者的退行速度和光源星体离我们的距离可知，“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”――哈勃定律。哈勃定律揭示了遥远的星系正在“逃离”我们而去，整个总星系都处于膨胀的变化之中，已经成为当今人们的共识。宇宙的膨胀主要发生在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大，类似吹气球时在气球表面看到的情况。
　 (2)大爆炸宇宙学说
　　当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。该学说提出于20世纪40年代，本身也在不断发展完善中，近年的主要内容如下：
宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，物质与反物质以及物质与能量均呈平衡状态。在某种物理条件下开始了大爆炸，在宇宙诞生10-44秒之后体积急剧暴胀，在10-34秒内迅速膨胀约10100倍，密度相应降低。但在1秒钟之内温度仍高达1032K至1010K以上，原子和分子均无法存在。推测可能存在辐射能以及电子、中微子和质子、中子形式基本粒子。爆炸进行3分钟后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解。当时全部物质中氦占约22%，氢占78%，还有极少量氘和锂。至百万年前后，温度降至107-6K范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K范围时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。
（注：反物质就是由反粒子组成的物质。所有的粒子都有反粒子，这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数与之相反。例如，氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的电子和一个带负电的反质子构成。物质和反物质相遇后会湮灭，释放出大量能量。）
　　宇宙大爆炸学说虽然获得国际多数学者支持，但在大爆炸起因等根本性问题上并没有公认结论。塔对传统上认为宇宙无边无界、无始无终的哲学思想是一种冲击，对于促进哲学观念的现代化也有重要意义。
2、恒星演化与太阳系形成
2.1 星系的起源
　　宇宙空间中大量星系的形成机制，主要存在由弥漫物质凝聚的星云说和由超密物质爆发的超密说两大流派。
星云说 强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下这些物质逐渐聚集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星而形成星系。
超密说 强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆炸从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止息。
　　可见宇宙中星系多达500亿个左右，形态结构和规模大小各异，很可能并非由单一机制形成。星云说反映了宇宙间弥漫星云物质收缩凝聚的“合二而一”过程，超密说则体现了宇宙间物质状态的“一分为二”发展方向，很可能这两条途径都与星系形成有关。
　　星系的演化趋势有人强调由椭圆星系→旋涡星系→不规则星系，也有人持相反的见解。旋涡星系的旋臂演化方向是旋紧还是旋松迄今也无法通过人类短期观测确认。近年来更多研究者倾向星系的分类序列与演化序列无关。
２.２恒星的起源与演化
　　现代天文学的多数假设支持恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成，可区分为以下四个阶段。
（１）幼年期
　　原始星云的一部分开始进入收缩过程，涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势能转变为热能，使温度上升。在温度还不足以启动热核反应情况下，这种收缩的气体团不发射可见光，称为原恒星。当原恒星开始不再收缩时，核心部分氢开始点燃，出现“氢闪”，标志进入青少年期。
　 （2）青壮年期
　　原恒星核部温度上升到T≥7×106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动，就标志着一颗恒星正式产生。由于恒星内部排斥力与自身吸引力处于基本平衡状态，进入了相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90%的恒星都属此演化阶段。
　　(3) 晚年期
　　主序星演化后期，当恒星中心10%氢燃料消耗殆尽时，标志着主星序阶段的结束。恒星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高；同时促使恒星外壳体积膨胀，密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星或超巨星。
　　在红巨星阶段，恒星内部的排斥与吸引、膨胀与收缩循环往覆，中心部分的温度逐步上升，出现了不同元素的热核反应。巨大恒星内部的热核反应向着重元素形成的方向发展，证明宇宙中各种元素及其同位素并非由大爆炸单一过程一次产生，而是在恒星演化的热核核聚变过程中逐步合成的。
　　(4)衰亡期
　　恒星中心热核反应一旦出现铁元素，就进入了恒星演化的老年期。铁核的热核反应不能释放能量，反而需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，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憎万倍至上亿倍，这就是著名的超新星爆发现象。当超新星“昙花一现”之后，原有的恒星倾刻塌缩为体积小而密度极高的致密星（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），完成了很银河系内空间物质-能量交换过程的一次循环。
　　质量中等的恒星经历超新星爆发后,恒星残骸的密度达到相当太阳密度的12.5万倍,表面温度升高至8000K,发出白光,称为白矮星。在银河系内，白矮星占可见恒星数量的3%。白矮星内部的核能已经枯竭，只能靠辐射热量发光，由于随着温度降低辐射热能速度相应变慢，也可有几十亿年寿命。一旦白矮星的热能耗尽，不再辐射可见光，称为黑矮星。黑矮星的最终归宿是继续冷却到与宇宙空间温度（3K）平衡为止，可视作一颗恒星经历了演化全过程后在宇宙中残留下来的一块天界墓石。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，形成的白矮星可演变为快速自转的中子星。
　　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也会继续塌缩至高于原子核的密度（相当于1cm半径球体内集中地球全部质量）。在这种超强引力场下，被吸入的任何物质和光线运动速度超过了光速。产生的效果是任何物体一旦达到这个速度，对远离引力中心的观察者来说就在视野中消失了；此外是所有物质和光线只能被吸入，而无法逃逸出去，就形成了黑洞。黑洞是广义相对论在20世纪早期预言的暗天体和引力场中的一个奇点，这里密度和时空曲率都是无穷大。
2.3 太阳系形成假说
　　 星云说的提出与发展
　　自从德国古典哲学家康德（I. Kant,1755）首创太阳系起源的星云说以来，迄今国内外提出的各种学说多达50多种。从学术思想体系和立论依据方面基本上可归纳为三种类型。
　　①灾变说——行星物质是某种重大突发事件从太阳中分离出来，例如另一颗恒星走近或擦过太阳，或由于太阳自身爆发，分出的太阳物质后来形成行星。
　　②俘获说——太阳从恒星际空间俘获物质，形成原行星云，再演变为行星。
　　③共同形成说——太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。
太阳系的形成
A原始状态，稀薄的星际物质与气体 B引力使得气体在云中心会聚
C初始核子反映在云中心产生巨大的热，太阳出现 D不同地方的星际物质在不同地方会聚产生九大行星
　
2.4 似地行星和地外文明探索
　 略。
2.5 ２１世纪近地宇宙开发
　　略。
3、地球的起源与演化
3.１ 地球的起源和圈层分异
　　 地球起源问题目前较流行的看法是：大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。原始地球一旦形成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质-能量交换的演化历史。
3.2 地球的年龄
　　地球上已知最老的岩石有41～42亿年历史。所以推论，地球的圈层分异在距今42亿年前已经完成。
　　地质学领域主要根据放射性位素的衰（蜕）变原理以获得母体岩石形成的年龄。

铀的放射性同位素U-238和U-235 通过放射性同位素的衰变曲线确定岩石年龄
　　太阳系内的流星、陨石和宇宙尘是太阳星云原始物质的残留部分，陨石在堕落地面前未经重大的改造和破坏，是我们直接研究太阳系早期历史的极好材料。已知的形成年龄都在46亿年左右，可代表太阳系早期的年龄。
　　月球上的岩石（月岩）经过20世纪70年代人类登月考察，已经测得最老的月岩年龄为46亿年，在41亿年前月球内部发生过一次较大规模的增温熔融作用。
　　根据多方面资料相互印证，地球具有46亿年年龄的结论已经得到公认。
3.3 地球上的生命起源
（1）生命的本质
　　生命是物质运动的最高形式。生命（生物）与非生命（非生物界）之间并不存在不可跨越的鸿沟，构成生物体的50多种元素在非生物界里同样存在，说明两者有着共同的物质基础。生物是非生物演化到特定阶段的产物。
（2）生命起源的机制
20世纪60年代以来射电望远镜搜索宇宙空间的结果，已经发现星际空间存在大量有机分子，至80年代初已累计达到55种，其中最重要的有15种
星际有机分子的存在说明构成生命物质基础的有机物可在宇宙空间的自然过程中产生，并分布于银河系、河外星系的星球上和星际空间。但从无生命的简单有机物小分子（氨基酸、核苷酸、单糖等）→复杂有机物大分子（类蛋白质、核酸、甘氨酸等）→许多大分子聚集而形成以蛋白质和核酸为基础的多分子体系（呈现初步的新陈代谢生命现象），需要经过由化学演化、生命演化的连续序列和重大飞跃。在已知宇宙空间或存在热核反应的恒星条件下，是不可能实现的。因此，地球上的生命起源应当从地球早期地表环境以及物质系统自身的演化过程中去寻找原因。
　　地球完成初始圈层分异后，随着地表温度下降到300℃±，地球表层已经存在原始地壳、原始水圈和原始火山气圈。原始地球表面在紫外线、电离辐射和雷电作用下，以及地壳环境的热聚合等作用促进下，逐渐由氨基酸→类蛋白质→蛋白质，并与周围环境不断发生物质能量交换；随着化学反应速度提高，其有序性和方向性也相应加强，终于出现真正蛋白质合成，完成了向原始生命进化的飞跃。
　　有生命的原生质是一种非细胞的生命物质，进一步的演化是形成具有保护功能的外膜，成为具有更完备生命特征的细胞，从而进入了地球历史中生物界和非生物界共同发展的新时代。
( 3 )生命出现的时间
地球上最古老生命的记录——单细胞细菌石的同位素年龄测定为35亿年。
3.4 生物圈的形成与发展
　　地球上自出现原始生命至现在丰富多彩的生物圈大千世界，无论在生物门类、属种数量、生态类型和空间分布等方面都经历了巨大的变化。因此生物圈的形成和发展也经历了漫长和复杂的历史。
（1）厌氧异养原核生物阶段
　　38亿年前出现的原始生物，根据推测应属还原条件的厌氧异养原核生物类型，即还没有细胞核膜分异，不能自己制造食物，主要靠发酵原始海洋中丰富的有机质以获得能量，并营造自身。
（2）厌氧自养生物出现和生物圈初步形成
　　海洋中特殊部位有机物的生产量是有限的，异养生物繁殖到一定程度就会面临“食物危机”。环境压力促进了生命物质的变异潜能，从而演化出厌氧自养原核生物生物新类型。尤其是能进行光合作用的蓝细菌，可以还原CO2产生O2合成有机化合物；在生态方式上也转变为浮游于海洋表层，从而可以扩散到全球海洋和陆地边缘浅水带，标志着地球生物圈的初步形成。
　　
( 3 )真核生物出现和动物界爆发演化
随着大气中氧含量逐渐增加，喜氧生物开始代替了厌氧生物的主体地位（后者继续生存于海底局部还原环境）。由于有氧呼吸捕获能量的效率高出无氧呼吸约19倍，明显提高了新陈代谢速度，导致了细胞核与细胞质分化的真核生物新类型出现。真核生物出现了有性生殖、多细胞体型待征，并开始了动、植物的分异。
（4）生物登陆和全球生物圈建立?
　　自从地球上出现生命以来，古代海洋一直是生物界生存、发展的摇篮和生活家园。这种情况从距今4亿年前起发生了重要转折，以原始陆生植物(矮小的裸蕨类)和淡水鱼类在滨海平原和河湖、河口环境大量繁盛为标志，开创了生物占领陆地的新时代。生物圈的空间范围也首次由海洋伸向陆地。至3.7亿年前(泥盆纪晚期)，半干旱气候下河湖、水塘的周期性干涸，促进了某些鱼类(肉鳍粗壮的总鳍鱼类)逐渐演变为两栖类。两栖类摆脱了终生不能离开水体的局限，在陆地上获得了水域附近更多的活动范围。距今3亿年前后(石炭纪晚期至二叠纪早期)，植物界已出现茂密高大的森林，而且能适应热带、亚热带至冷温带不同气候条件，地质历史上第一次出现聚煤作用高峰期。与此同时，动物界中出现了通过羊膜卵方式在陆上繁殖后代的爬行类，由于个体生活史完全摆脱了对水域的依赖，适应更加广阔多变的陆上生态领域。在距今2.5亿年前后，全球范围古地理、古气候环境发生了显著变革。海洋中的动物界发生了显生宙内最大的集群绝灭事件，陆地动、植物界也发生了重要变革，先前适应近水环境潮湿气候的两栖类和石松类(可高达30～40m)、节蕨类等明显衰减，被更为进步的爬行类和裸子植物(松柏、苏铁和银杏类)所取代，更能适应陆地上不同气候带和海拔高度的多种生态领域。从严格意义上说，地球上完整生物圈从泥盆纪起开始伸向陆地，至二叠纪才包括大陆和海洋全部生态领域。
（5）生物征服天空和陆生动物重返海洋。
　　2.5亿前开始了地球历史的中生代阶段，中生代也称裸子植物时代和爬行动物(尤以恐龙类最为著名)时代。
　　中生代陆生爬行动物的另一个有趣演变方向是重返海洋生活，出现了体型适合游泳的鱼龙、蛇颈龙等类型。一般认为中生代时全球规模的联合古陆发生重要分裂、漂移作用可能是促使陆生动物重新下海的外部因素。
(6)人类起源和演化中心?
　　距今65百万年前的白垩纪、第三纪之交，出现了地球内外圈层多种重大灾害群发事件，地球上生物界面貌又一次经历巨大变革，新生代起开始了以哺乳动物和被子植物为主宰的阶段。新生代生物界演化中最重要的事件是距今250万年前后(第四纪)人类的出现。?
　　在从猿到人演化的动力机制方面，恩格斯（1883，发表于1925）首先提出劳动在从猿到人转变过程中的关键作用。达尔文（C.Darwin,1871）也强调“两足行走，（使用工具）技能和扩大的脑”是人类的重要特征。
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3.5人类圈的形成与发展趋势
　　早期人类自开始制造石器工具和学会用火起就与动物界彻底分离，标志着生物圈演化史中最高级的人类圈和人类社会正式形成。
　　人类社会从原始氏族社会→古代社会→近代社会→现代社会，各阶段所经历的时间依次越来越短，科学技术发展越来越快，呈现加速度特征，近似于高次方程的抛物线。美国未来学家托夫勒（A.Toffler,1970）曾作过估算：如果把人类最近5万年划分为800代左右（每代约62年），则650代都营穴居生活，最近70代方有可能有效地将信息一代代传下去，最近6代广大群众才开始接触到印刷文字，最近2代世人才用上了电动机。今天我们日常生活中使用的绝大多数物品，都是现今这一代（即第800代）发展起来的。第800代标志着人类有史以来全部经历的一次大转折。
3.6 生物进化与地质年表?
　　地球上生物界的演化遵循由简单到复杂，由低级到高级的不可逆前进过程，同时生物界能十分灵敏地反映地球表层自然地理环境及其演变特征，这又与行星地球各圈层自身的运动机制以及相互间的联系制约密切有关。因此，生物演化史能够详尽而有效地反映地球历史演化的客观自然阶段（见图）。
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图2-23 地质历史时期的生物进化
　　众所周知的地质年表就是根据生物演化的巨型阶段，将46亿年地球演化史划分为4个最高级别的地质年代单位：冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙。在显生宙中，根据生物界的总体面貌划分出3个二级地质年代单位：古生代(含早古生代、晚古生代)、中生代和新生代。最常用的三级地质年代单位是纪，每个纪的生物界面貌各有特色。
早期的地质年代表在19世纪末叶已经建立，主要是依据生物演化的先后顺序获得的相对年龄早晚概念，整个地球历史演化持续的绝对年龄长短无法知晓。表中注出了各个宙、代和纪的最新年龄值，其中有的数值今后还可能发生一定调整。
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