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1、现代科学技术概论现代科学技术概论 大连大学大连大学大连大学大连大学现代科学技术概论教学团队现代科学技术概论教学团队现代科学技术概论教学团队现代科学技术概论教学团队 2008 2008年月年月年月年月一、宇宙篇一、宇宙篇太太 阳阳 系系宇宙黑洞宇宙黑洞探索地外生命探索地外生命起源与演化起源与演化授课教师:刘金寿授课教师:刘金寿授课教师:刘金寿授课教师:刘金寿EmalEmalEmalEmal:qqqqqqqq:303479135303479135303479135303479135TelTelTelTel:87402728-8825 1594260516387402728-8825 1594260
2、516387402728-8825 1594260516387402728-8825 15942605163Netclass:Netclass:Netclass:Netclass:httphttphttphttp:/:/:/:/ 校园网校园网校园网校园网BBBBBBBB网络课程平台网络课程平台网络课程平台网络课程平台宇宙篇宇宙篇一、科学家的预言一、科学家的预言一、科学家的预言一、科学家的预言二、观测与发现二、观测与发现二、观测与发现二、观测与发现三、黑洞的类型三、黑洞的类型三、黑洞的类型三、黑洞的类型四、白洞、虫洞与时空旅行四、白洞、虫洞与时空旅行四、白洞、虫洞与时空旅行四、白洞、虫洞与时空旅
3、行目目目目 录录录录什么是黑洞?怎样观测和发现黑洞?黑洞有那些类型?有白洞吗?宇宙黑洞宇宙黑洞视频:调查视频:调查什么是黑洞什么是黑洞拉普拉斯预言的黑洞拉普拉斯预言的黑洞 1798 1798 1798 1798年,法国拉普拉斯预言:年,法国拉普拉斯预言:年,法国拉普拉斯预言:年,法国拉普拉斯预言:一个与地球密度相同,而直径为一个与地球密度相同,而直径为一个与地球密度相同,而直径为一个与地球密度相同,而直径为太阳太阳太阳太阳250250250250倍倍倍倍的星球,的星球,的星球,的星球,它发射的光将被其自身的引力拉住而不能被我们接收。它发射的光将被其自身的引力拉住而不能被我们接收。它发射的光将被
4、其自身的引力拉住而不能被我们接收。它发射的光将被其自身的引力拉住而不能被我们接收。宇宙中最明亮的天体很可能是看不见的。宇宙中最明亮的天体很可能是看不见的。宇宙中最明亮的天体很可能是看不见的。宇宙中最明亮的天体很可能是看不见的。光速光速光速光速宇宙中存在着奇异暗星宇宙中存在着奇异暗星宇宙中存在着奇异暗星宇宙中存在着奇异暗星 一、科学家的预言一、科学家的预言一、科学家的预言一、科学家的预言米切尔预言的黑洞米切尔预言的黑洞 一个密度与太阳相同,而半径为太阳一个密度与太阳相同,而半径为太阳一个密度与太阳相同,而半径为太阳一个密度与太阳相同,而半径为太阳500500500500倍的星倍的星倍的星倍的星球
5、,会使朝它下落的物体,在到达星球表面时的速度球,会使朝它下落的物体,在到达星球表面时的速度球,会使朝它下落的物体,在到达星球表面时的速度球,会使朝它下落的物体,在到达星球表面时的速度超过光速。所以,假定光也像其他物体一样被与惯性超过光速。所以,假定光也像其他物体一样被与惯性超过光速。所以,假定光也像其他物体一样被与惯性超过光速。所以,假定光也像其他物体一样被与惯性力成正比的力所吸引,那么,所有从这个星球发射的力成正比的力所吸引,那么,所有从这个星球发射的力成正比的力所吸引,那么,所有从这个星球发射的力成正比的力所吸引,那么,所有从这个星球发射的光将被星球自身的引力拉回来。光将被星球自身的引力拉
6、回来。光将被星球自身的引力拉回来。光将被星球自身的引力拉回来。依据:围绕星体运动物体的向心力和引依据:围绕星体运动物体的向心力和引依据:围绕星体运动物体的向心力和引依据:围绕星体运动物体的向心力和引力公式推算力公式推算力公式推算力公式推算 拉普拉斯和米切尔还猜想到这类巨大的拉普拉斯和米切尔还猜想到这类巨大的拉普拉斯和米切尔还猜想到这类巨大的拉普拉斯和米切尔还猜想到这类巨大的暗天体可能像恒星一样众多暗天体可能像恒星一样众多暗天体可能像恒星一样众多暗天体可能像恒星一样众多 1783178317831783年,他在英国皇家学会会议上发布:年,他在英国皇家学会会议上发布:年,他在英国皇家学会会议上发布
7、:年,他在英国皇家学会会议上发布:(1).(1).(1).(1).爱因斯坦广义相对论关于爱因斯坦广义相对论关于爱因斯坦广义相对论关于爱因斯坦广义相对论关于“质量引起时空弯曲质量引起时空弯曲质量引起时空弯曲质量引起时空弯曲”史瓦西预言的黑洞史瓦西预言的黑洞质量足够大、体积足够小,都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度质量足够大、体积足够小,都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度质量足够大、体积足够小,都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度质量足够大、体积足够小,都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度视频视频视频视频:物体质量令其周围的时空弯曲物体质量令其周围的时空弯曲物体质量令其周围的时空弯曲物体质量令
8、其周围的时空弯曲史瓦西预言的黑洞史瓦西预言的黑洞 德国天文学家卡尔德国天文学家卡尔史瓦西(史瓦西(1873187319161916年)通过年)通过计算爱因斯坦方程后预言:计算爱因斯坦方程后预言:如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异现象,即在质点的周围存在一个界面异现象,即在质点的周围存在一个界面“视界视界”,一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。(2).(2).(2).(2).史瓦西预言的黑洞史瓦西预言的黑洞史瓦西预言的黑洞史瓦西预言的黑洞 天体半径达到左式范围时光线也天体半径达到左式范围时光线也天体半径达
9、到左式范围时光线也天体半径达到左式范围时光线也无法逃脱无法逃脱无法逃脱无法逃脱 令令令令v=cv=cv=cv=c,该式就变为,该式就变为,该式就变为,该式就变为拉普拉斯公式拉普拉斯公式拉普拉斯公式拉普拉斯公式拉普拉斯公式拉普拉斯公式 美国物理学家惠勒(美国物理学家惠勒(美国物理学家惠勒(美国物理学家惠勒(J.A.WheelerJ.A.WheelerJ.A.WheelerJ.A.Wheeler)将这类天体命名为)将这类天体命名为)将这类天体命名为)将这类天体命名为“黑洞黑洞黑洞黑洞”(Black HolesBlack HolesBlack HolesBlack Holes)史瓦西预言的黑洞史瓦西
10、预言的黑洞(3).(3).(3).(3).质量足够大或者体积足够小的恒星都能演化成黑洞质量足够大或者体积足够小的恒星都能演化成黑洞质量足够大或者体积足够小的恒星都能演化成黑洞质量足够大或者体积足够小的恒星都能演化成黑洞 质质量量不不变变太阳太阳压缩压缩压缩压缩到半径到半径到半径到半径3km3km3km3km时时时时地球地球到半径到半径到半径到半径3mm3mm3mm3mm时时时时黑洞黑洞角色角色角色角色主序星(太阳)主序星(太阳)主序星(太阳)主序星(太阳)白矮星白矮星白矮星白矮星中子星中子星中子星中子星黑洞黑洞黑洞黑洞半径半径半径半径7070万千米万千米万千米万千米1 1万千米万千米万千米万千
11、米1010千米千米千米千米3 3千米千米千米千米平均密度平均密度平均密度平均密度1.4 g/cm1.4 g/cm3 31 T/cm1 T/cm3 31 1 亿吨亿吨亿吨亿吨 /cm/cm3 3100 100 亿吨亿吨亿吨亿吨 /cm/cm3 3表一表一表一表一 主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度两种力量的较量及结局两种力量的较量及结局 (1).(1).引力与斥力的较量引力与斥力的较量引力与斥力的较量引力与斥力的较量天天体体内内部部向内收缩向内收缩 向外扩张向外扩
12、张 万有引力万有引力万有引力万有引力物质粒子之间的斥力物质粒子之间的斥力物质粒子之间的斥力物质粒子之间的斥力 来源来源来源来源 主序星的扩张斥力来自热核反应导致的粒子间的主序星的扩张斥力来自热核反应导致的粒子间的主序星的扩张斥力来自热核反应导致的粒子间的主序星的扩张斥力来自热核反应导致的粒子间的高温热运动形成的辐射压,辐射压与引力压平衡;高温热运动形成的辐射压,辐射压与引力压平衡;高温热运动形成的辐射压,辐射压与引力压平衡;高温热运动形成的辐射压,辐射压与引力压平衡;白矮星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力,白矮星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力,白矮星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力,白矮星阻止自身
13、发生引力坍缩的外向斥力,主要来源于高密度电子间的泡利斥力;主要来源于高密度电子间的泡利斥力;主要来源于高密度电子间的泡利斥力;主要来源于高密度电子间的泡利斥力;中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力则来自中子之间的泡利斥力(简并压);则来自中子之间的泡利斥力(简并压);则来自中子之间的泡利斥力(简并压);则来自中子之间的泡利斥力(简并压);黑黑黑黑洞洞洞洞内内内内部部部部未未未未知知知知两种力量的较量两种力量的较量 (2).(2).恒星演化的最终产物恒星演化的最终产物恒星演化的最终产物恒星
14、演化的最终产物 内部的核燃料耗尽时,热核反应熄火,外向的辐射内部的核燃料耗尽时,热核反应熄火,外向的辐射内部的核燃料耗尽时,热核反应熄火,外向的辐射内部的核燃料耗尽时,热核反应熄火,外向的辐射压消失,失去了抗衡而大获全胜的引力使红巨星发生急压消失,失去了抗衡而大获全胜的引力使红巨星发生急压消失,失去了抗衡而大获全胜的引力使红巨星发生急压消失,失去了抗衡而大获全胜的引力使红巨星发生急剧的坍缩,坍缩又引起反弹和爆发,爆发使大量物质被剧的坍缩,坍缩又引起反弹和爆发,爆发使大量物质被剧的坍缩,坍缩又引起反弹和爆发,爆发使大量物质被剧的坍缩,坍缩又引起反弹和爆发,爆发使大量物质被抛射。抛射。抛射。抛射。
15、坍缩和爆发的压力进而使核心被压缩成致密的星核坍缩和爆发的压力进而使核心被压缩成致密的星核坍缩和爆发的压力进而使核心被压缩成致密的星核坍缩和爆发的压力进而使核心被压缩成致密的星核,而致密星核又分化为白矮星、中子星、黑洞。,而致密星核又分化为白矮星、中子星、黑洞。,而致密星核又分化为白矮星、中子星、黑洞。,而致密星核又分化为白矮星、中子星、黑洞。视频:恒星视频:恒星中子星中子星黑洞黑洞视频:黑洞的产生视频:黑洞的产生质量小于质量小于质量小于质量小于3.5 m3.5 m3.5 m3.5 m的恒星历经的恒星历经的恒星历经的恒星历经红巨星阶段,演化成白矮星红巨星阶段,演化成白矮星红巨星阶段,演化成白矮星
16、红巨星阶段,演化成白矮星质量在质量在质量在质量在3.53.53.53.58 m8 m8 m8 m之间的恒星之间的恒星之间的恒星之间的恒星最终经历超新星爆发,进而形成中子星最终经历超新星爆发,进而形成中子星最终经历超新星爆发,进而形成中子星最终经历超新星爆发,进而形成中子星 质量大于质量大于质量大于质量大于8 88 8 m mm m,晚期爆发后,晚期爆发后,晚期爆发后,晚期爆发后其核心区最终形成黑洞其核心区最终形成黑洞其核心区最终形成黑洞其核心区最终形成黑洞 中子星的奥本海默极限中子星的奥本海默极限 如果中子星的质量超过如果中子星的质量超过如果中子星的质量超过如果中子星的质量超过3.2 m3.2
17、 m3.2 m3.2 m(精细的模型给出(精细的模型给出(精细的模型给出(精细的模型给出值在值在值在值在2 2 2 23 m3 m3 m3 m之间),则其的中子间的泡利斥力就再也之间),则其的中子间的泡利斥力就再也之间),则其的中子间的泡利斥力就再也之间),则其的中子间的泡利斥力就再也阻挡不住星体引力坍缩,会进一步被压缩成一个体积很阻挡不住星体引力坍缩,会进一步被压缩成一个体积很阻挡不住星体引力坍缩,会进一步被压缩成一个体积很阻挡不住星体引力坍缩,会进一步被压缩成一个体积很小而质量巨大的高密度引力源小而质量巨大的高密度引力源小而质量巨大的高密度引力源小而质量巨大的高密度引力源黑洞。上述黑洞。上
18、述黑洞。上述黑洞。上述3.2 m3.2 m3.2 m3.2 m(常记作(常记作(常记作(常记作3 3 3 3)的中子星界限被称作)的中子星界限被称作)的中子星界限被称作)的中子星界限被称作“奥本海默极限奥本海默极限奥本海默极限奥本海默极限”,任何超此极限的恒星都难以停留在中子星阶段。任何超此极限的恒星都难以停留在中子星阶段。任何超此极限的恒星都难以停留在中子星阶段。任何超此极限的恒星都难以停留在中子星阶段。奥本海默(奥本海默(奥本海默(奥本海默(19041904190419041967196719671967)在)在)在)在1939193919391939年研究提出年研究提出年研究提出年研究提
19、出视频:中子星形成黑洞的条件视频:中子星形成黑洞的条件二、观测与发现二、观测与发现观测黑洞的方法观测黑洞的方法观测黑洞的方法观测黑洞的方法1 1 1 1黑洞无毛定理黑洞无毛定理黑洞无毛定理黑洞无毛定理 由于黑洞及其视界以内吸引一切,所以我们无法看由于黑洞及其视界以内吸引一切,所以我们无法看由于黑洞及其视界以内吸引一切,所以我们无法看由于黑洞及其视界以内吸引一切,所以我们无法看到它的真面目。按照现行的物理理论,黑洞强大的引力到它的真面目。按照现行的物理理论,黑洞强大的引力到它的真面目。按照现行的物理理论,黑洞强大的引力到它的真面目。按照现行的物理理论,黑洞强大的引力场足以摧毁其内部的一切物质形态
20、,扫去一切复杂的物场足以摧毁其内部的一切物质形态,扫去一切复杂的物场足以摧毁其内部的一切物质形态,扫去一切复杂的物场足以摧毁其内部的一切物质形态,扫去一切复杂的物质结构,刮去了质结构,刮去了质结构,刮去了质结构,刮去了“毛发毛发毛发毛发”,使结构变得简单,只剩下了,使结构变得简单,只剩下了,使结构变得简单,只剩下了,使结构变得简单,只剩下了质量、电荷及角动量质量、电荷及角动量质量、电荷及角动量质量、电荷及角动量,知道了这三个参量,也就知道了,知道了这三个参量,也就知道了,知道了这三个参量,也就知道了,知道了这三个参量,也就知道了它的一切。它的一切。它的一切。它的一切。惠勒将黑洞的这种特征称为惠
21、勒将黑洞的这种特征称为惠勒将黑洞的这种特征称为惠勒将黑洞的这种特征称为“黑洞无毛黑洞无毛黑洞无毛黑洞无毛”(也可以(也可以(也可以(也可以说只有说只有说只有说只有M,Q,JM,Q,JM,Q,JM,Q,J三根毛),后来被人们称为三根毛),后来被人们称为三根毛),后来被人们称为三根毛),后来被人们称为“黑洞无毛定黑洞无毛定黑洞无毛定黑洞无毛定理理理理”。视频:黑洞的观测视频:黑洞的观测核核核核核核心心心心心心喷喷喷喷喷喷流流流流流流现现现现现现象象象象象象 黑洞的观测与发现黑洞的观测与发现观测黑洞的方法观测黑洞的方法观测黑洞的方法观测黑洞的方法2.2.2.2.探测方法与手段探测方法与手段探测方法与
22、手段探测方法与手段:间接推测间接推测间接推测间接推测引力透镜现象引力透镜现象引力透镜现象引力透镜现象引力透镜现象引力透镜现象 M87M87M87M87及其喷流的及其喷流的及其喷流的及其喷流的X X X X射线照片射线照片射线照片射线照片异常异常异常异常X X X X射线源及射线源及射线源及射线源及射线源射线源射线源射线源 视频:黑洞周围星体的运动视频:黑洞周围星体的运动黑洞的观测与发现黑洞的观测与发现 1966 1966 1966 1966年探测到天鹅座年探测到天鹅座年探测到天鹅座年探测到天鹅座X-1X-1X-1X-1号星,质量约为号星,质量约为号星,质量约为号星,质量约为7-14m7-14m
23、7-14m7-14m,射出强烈的,射出强烈的,射出强烈的,射出强烈的X X X X射线、射线、射线、射线、射线。射线。射线。射线。1971197119711971年,年,年,年,X X X X射线天文卫星射线天文卫星射线天文卫星射线天文卫星“自由号自由号自由号自由号”在观察天鹅座在观察天鹅座在观察天鹅座在观察天鹅座X-1X-1X-1X-1号号号号星后证实:看得见的那一颗是蓝色的超巨星;星后证实:看得见的那一颗是蓝色的超巨星;星后证实:看得见的那一颗是蓝色的超巨星;星后证实:看得见的那一颗是蓝色的超巨星;1976 1976年年1111月美国发射的月美国发射的“高能天文台一高能天文台一2 2”号卫
24、星,已经拍摄号卫星,已经拍摄到这颗黑洞的照片。这是第一个可能的黑洞。到这颗黑洞的照片。这是第一个可能的黑洞。(1 1)天鹅座)天鹅座X-1X-1号的双星系统号的双星系统黑洞候选者黑洞候选者黑洞候选者黑洞候选者 黑洞的观测与发现黑洞的观测与发现强强强强X X X X射线源射线源射线源射线源LMCXLMCXLMCXLMCX3 3 3 3中含有一颗质量大约为中含有一颗质量大约为中含有一颗质量大约为中含有一颗质量大约为10101010个太阳质量的黑洞。个太阳质量的黑洞。个太阳质量的黑洞。个太阳质量的黑洞。(2 2)LMCX-3LMCX-3双星中的暗星双星中的暗星黑洞候选者黑洞候选者黑洞候选者黑洞候选者
25、 银河系附近的银河系附近的银河系附近的银河系附近的“大麦哲伦云大麦哲伦云大麦哲伦云大麦哲伦云”星系发现的第二可能的黑洞星系发现的第二可能的黑洞星系发现的第二可能的黑洞星系发现的第二可能的黑洞 黑洞的观测与发现黑洞的观测与发现 在麒麟座距地球约在麒麟座距地球约在麒麟座距地球约在麒麟座距地球约3000300030003000光年外,发现了光年外,发现了光年外,发现了光年外,发现了X X X X射线源射线源射线源射线源A062000A062000A062000A062000,其质量在,其质量在,其质量在,其质量在3.2-7 m3.2-7 m3.2-7 m3.2-7 m之间,可能是已知离之间,可能是已
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