天文4：宇宙初步简概

        本期进入天文第四单元的讲解，主要内容是宇宙简要概括，包括常用单位、宇宙状况大小、物质构成等。

4.1 宇宙常用单位

1.长度单位：1个地月距离≈384400km，一倍太阳半径≈702020km，1个天文单位使用很普遍，为地球到太阳的距离，数值上按1.5亿km，计算。一光年为光在真空当中传播一年的距离，约等于9.5亿千米。秒差距定义有点复杂，以地球到太阳的连线为Rt三角形的一条直角边对应一秒角，该边到一秒角的距离为一秒差距，1秒差距≈3.4光年，除此还有千秒差距、百万秒差距、十亿秒差距。

2.速度单位：声音在15℃空气中每秒传播340米左右，一般用的少。km/s在宇宙中用的次数很多，光速c＝299792458 m/s，这个数字是个准确值，不是约等而是直等。通常按30万km/s进行粗略计算。

3.温度单位：有℉、℃、K三个单位，换算公式为：若m℉＝n℃，则m＝1.8n+32，若a℃＝bK，则a＝b-273.15。通常恒星用开尔文，便于比较其光度和颜色，行星一般用摄氏度，便于比较它是否宜居。

4.质量单位：一般以一个太阳质量作为标准，小于其标准则按木星或地球作为标准。

5.表面重力加速度：重力加速度单位是m/s^2，地球表面则按9.8计算，计算天体表面重力加速度公式为g＝GM/r^2，G为万有引力常数，简化之后，g正比于rp，g/g地＝rp/r地p地（半径和密度的乘积与地球的比值可以算出该天体表面重力是地球多少倍）

4.2 宇宙现状及时间演化

        1.根据目前人类的观察与推测，可视宇宙总直径约930亿光年，且宇宙还在不断膨胀中，速度大于光度且还在变大。

        2.宇宙膨胀会导致天体、星系间彼此远离，就好比一个把一个气球吹大，上面每个点都会越来越远，距离星系中心越近膨胀越慢，但越往外越快。

        3.宇宙大爆炸初期，宇宙空间体积小，温度高，大多由气团、星云、碎片和大量年轻恒星、行星组成。预计在数千亿年后，恒星基本只有红矮星，剩余的碎片难以形成大质量恒星。而且宇宙空间也因膨胀而无比广阔，邻近星系可能融合，而本星系群外星系则会远离银河系。

        4.数万亿年后，第一颗红矮星走向生命尽头，变成白矮星，先前由黄矮星形成的白矮星温度也开始降低，从15000K逐渐下降到与宇宙真空齐平的3K，变成黑矮星。千万亿年后，宇宙再无光亮，只有黑洞、黑矮星，它们也可能因为粒子进入半衰期、能量损耗而消失殆尽。

4.3 宇宙的基本要素

        宇宙当中有四大基本要素：物质、能量、力、时空。

        天体、黑洞均为宇宙物质的存在形式，而光子、粒子则为宇宙真空的飘散物，也是宇宙未来演化的主要产物。

        能量分为正常能量和暗能量，正常能量是可以相互转化的，包括物理上的几大基本能量，常见的有：热辐射，如太阳氢聚变向外辐射的能量，爆炸能量（超新星爆炸发射的光能和冲击能量），机械能（天体运动的体现）。

        宇宙中有四大基本相互作用力，万有引力、电磁相互作用力、原子间的弱力、强力，没有了这些力，宇宙的结构就无法固定和形成。

        宇宙大爆炸过后，时空就已经形成了，然而在庞大的宇宙里面并没有上下左右前后之分，一般只谈距离远近。而根据学者研究，实际上宇宙可能并非有时间，我们所说的时间都是经历的过程，而宇宙的演化和发展可能已经早都被“上帝”安排好了。如果没有高级文明诞生（地球文明还不算高级）就不会影响宇宙的进程。

4.4 宇宙中的神秘要素

        暗物质与暗能量占据宇宙绝大多数空间，几乎遍布整个宇宙真空。而这些却是构成天体系统的重要要素，它们就相当于搭建了一个平台。

        暗物质能够促进天体及其系统的形成和稳定运行，而暗能量则是膨胀宇宙空间，每弯曲时空，表现为斥力。它们的相互作用使得距离较近的星系互相融合，距离较远的星系彼此远离，加速宇宙膨胀。

        宇宙中红移和紫移现象很常见，天文上提到最多的就是红移现象。我们感受到的离我们远去的声波、电磁/光波频率逐渐降低，可见绿光波向红色光波/红外线移动即为频率降低，这就是它的名字来源。振动源移动时，远离振动源方向的振波拉长，靠近振源方向的振波不断向前顶，会形成下图一样的几个波几乎重合（爆炸冲击波几乎重合）。

        火车远去的时候嗡嗡声音逐渐低沉就是一个生活例子，而紫移现象恰好相反，波源靠近我们的时候会发生紫移现象，如：星系合并。

        随着宇宙膨胀，星系离我们远去速度越快，红移现象愈发明显，测得的光波频率下降速度也会更快，这就很容易影响了通过对天体发出的光波频段来对天体大小、运动进行计算。

        大千宇宙，人知甚少。宇宙谜多，学者勇探。了解了这四章天文的