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演化 宇宙

第 7 單元：宇宙 3 原子、星星、銀河. 202 10460. 演化 宇宙. 人. 物理系 侯維恕. 物理系 侯維恕. 本著作除另有註明外，採取 創用 CC 「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣 2.5 版 授權釋出. 本作品由 Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。. 開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命圈 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 銀河之上 銀河系之前 黑洞與時光機

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  1. 第7單元：宇宙3 原子、星星、銀河 202 10460 演化 宇宙 人 物理系 侯維恕 物理系 侯維恕 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出

  2. 本作品由Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。 • 開場：創世可以有所不同嗎？ • 第一段：從大爆炸到生命圈 • 行星與恆星 • 生命與自覺意識 • 原子、星星、銀河 • 銀河之上 • 銀河系之前 • 黑洞與時光機 • 第二段：起初與末了 • 減速抑加速？ • 很久以後： • 事情的起頭 ― 頭一毫秒 • 第三段：基要與臆測 • 穹蒼與微觀世界 • 多重宇宙與人本論證 Our Cosmic Habitat Paperback, 224 pages Princeton University Press (2003) 已獲作者同意爲授課做中文翻譯 自己組織起來去買

  3. I.從大爆炸到生命圈 3. 原子、星星、銀河系 • 星星原料 光譜學；元素豐富度 • 星星煉金術 星星生命週期；星球核子合成；我們都是星塵 宇宙定律是「親生命」的？ • 星星、原子、重力 為何星球如此巨大與長命；如果重力強1010？

  4. 星星原料 星星是用什麼作的？ ―怎麼知道的？ 氫與氦在太陽及星星佔壓倒性多數

  5. Joseph vonFraunhofer (1787-1826) Gustav Kirchhoff &Robert Bunsen (1859) “To attain a true idea of the nature and composition of this science, it is indispensable... to mark the boundaries of the positive knowledge that we are able to gain of thestars.... We can never by any means investigate their chemical composition....” Auguste Comte, Cours de philosophie positive (1842) 孔德實證哲學 (1798-1857) Fanch 太陽光譜(經由光柵) 太陽、星星和地球一樣，都由眾元素組成 像條碼的暗線叫Fraunhofer譜線 太陽熾烈表面之上的 較冷氣體的吸收譜線 William Huggins (1824–1910) 「業餘」天文學家 President of Royal Society (1900–1905) 本生燈 光譜學 ⋆ 用光譜證明星星與太陽成分類似 ⋆ 星雲為氣體雲氣，與星系不同 ⋆ 首次用「紅位移」測天狼星速度 ⋆ 在天文學運用照相術的先驅 實驗室的高溫氣體發射 的光有類似的「譜線」 ― 特定一組精確顏色

  6. 為何氫與氦佔多數？ 特定元素發射特定的一組譜線(標記) 氫與氦在太陽及星星 ― 佔壓倒性多數― 譜線強度與元素的豐富度(abundance) ▶ 原子物理的細節 ▶ 星球外層的溫度與結構 在地球上極少 ，因極度揮發性 主要貢獻者：1925年 哈佛第一位天文博士 其他的元素又怎解釋？ Relative Abundance 自英赴美 Number of protons and neutrons in nucleus Cecilia Payne (1900-1979) 太陽系的元素豐富度 ⋆ 當年在(男性)威權壓力下，提醒讀者說，推論出的氫與 氦的豐富度「難以置信的高、幾乎可以確定不是真的」。 多半的星星類似

  7. 為何氫與氦佔多數？ 星星煉金術 其他的元素又怎解釋？ Relative Abundance Number of protons and neutrons in nucleus 元素豐富度

  8. 無法引發氦之融合… 紅矮星 ~ 兆年 ≲0.5m⊙ 紅巨星 百億年 超巨星 億年 ≳ 8m⊙ 超新星 SuperNova 超巨星 百萬年 台大物理系 侯維恕 ≳120m⊙，因為太熱， 會把外層如泡泡般吹掉

  9. ~ 20m⊙ 獵戶座Betelgeuse(巨人之肩) ~ 500 lyr HST 我們只有每顆 星的即時攝影 但可以觀察整 群的「星口」 NASA/ESA ~ 從觀察整群的 「人口」，外星人 可以很快推斷 人的生命週期 20000 年前 爆發的環被 SN1987A照亮 NASA/ESA 超新星 SuperNova NASA 到鐵就無法再融合 SN 1987A 超巨星 ≳120m⊙，因為太熱， 會把外層如泡泡般吹掉 Rursus ≲0.5m⊙ NASA NASA

  10. 為何氫與氦佔多數？ 你身上某顆氧原子可能在 某超新星爆炸後，遊蕩幾億年， 然後進入形成中的太陽系… 釷(Thorium，Z=90)、鈾(Z=92) 等在超新星爆炸中「鍛造」 ➜ 地熱與核能 NASA/ESA 星星煉金術 星球核子合成 Stellar Nucleosynthesis 大爆炸產生 其他的元素又怎解釋？ 鐵是束縛最緊的原子核 到鐵就無法再融合 Relative Abundance 紅巨星、 超巨星之 「星風」 Rursus Number of protons and neutrons in nucleus 鋇與鉍(Bismuth，Z=83) 在紅巨星中藉捕捉中子 太陽風~質子H

  11. 我 們 是 星 塵 … 緻密殘餘 NASA/ESA 「死的」 1000年 →10 光年大小 超鐵元素 1千萬年 → 銀河大小 星風 或，星星發光的核廢料 台大物理系 侯維恕

  12. http://www.artsandmusicpa.com/music_pages/woodstock69.htm Woodstock We are stardust, we are golden, We are billion year old carbon, And we got to get ourselves back to the garden. 是黃金旺族 我們是星塵 Joni Mitchell 請至youtube網站輸入James Taylor – Woodstock 觀賞聆聽

  13. 宇宙定律是「親生命」的？ p-p, p-n 間的核吸力與p-p間的電斥力，兩者的平衡，決定了週期表有穩定元素 … 但有好些奇妙的「巧合」!? q, g 次核子粒子 間作用力的表象

  14. 實驗證實 (Fowler) 如果電子重3倍以上，電子將與質子 反應形成中子，氫就沒了。 4He + 4He 幾乎 與8Be共振！ 生命 從C的豐富度，Fred Hoyle 預測與8Be + 4He接近共振 的12C激發態 ▶ 霍伊爾巧合 「三重a」核反應 4He核 3 4He 12C 質子、中子間核作用力強度只要改變 超過1–2%，霍伊爾的巧合就沒了。 應當極慢！ Borb ▶ 中子只比質子重0.14% (why?) mn – mp≅ 2.53 me ▶ 電子是質子質量的1/1836(why?) 電子質量 << 原子核質量 Webaware 電子位置因海森堡 測不準原理而朦朧。 而原子核因質量大， 位置確定得多，決 定了原子與原子間 相對位置相當精確。 電子質量遠小於原子核質量， 允許了複雜分子，如DNA， 能維持精確的特殊結構。 管轄我們的宇宙的定律是 「親生命」的(biophilic)？ 林勇智

  15. 星星、原子、重力 為何星球如此巨大與長命？ 如果重力強1010？

  16. ▶ 兩顆質子間的 重力吸引 比 同電荷相斥 弱了1036倍(why?) 但在大型物體，正反電荷幾乎彼此抵消 「萬有」引力永遠相吸(why?) 可在極大的物體勝過電力 電子的數目與質子的數目幾乎完全相等，電荷相反但大小一樣 (why?) ▶ 想像堆原子成「方糖」 : 1 2 3 ... 24 10 100 1000 1024 已到方糖大小 質量每增加1000倍，重力的重要性增加100倍 (因為平均距離也增加了10倍)  要勝過1036倍強的電力，需要1054顆原子(~木星)！  要容許引發核反應時，仍能藉重力維持聚集在一起， 需要 > 1056 顆原子！ 54 = 36 x 3/2 重力在穹蒼尺度是決定性的。只要不是零， 它越弱就越能有更偉大、更複雜的體現。 如果重力強1010？ 參考課本

  17. I.從大爆炸到生命圈 3. 原子、星星、銀河系 • 星星原料 光譜學；元素豐富度 • 星星煉金術 星星生命週期；星球核子合成；我們都是星塵 宇宙定律是「親生命」的？ • 星星、原子、重力 為何星球如此巨大與長命；如果重力強1010？ ！ 參Cosm2

  18. 版 權 聲 明 頁

  19. Cosmos 3

  20. Cosmos 3

  21. Cosmos 3

  22. Cosmos 3

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