科技史：第二十二講-現(xiàn)代天文學(xué)的豐碩成果課件

科技史第二十二講：現(xiàn)代天文學(xué)的豐碩成果◎歷史文化與旅游學(xué)院◎1一、天體物理學(xué)的發(fā)展二、觀測手段的進步三、宇宙學(xué)的發(fā)展四、黑洞與宇宙2一、天體物理學(xué)的發(fā)展分光術(shù)應(yīng)用于天文學(xué)產(chǎn)生了天體分光學(xué)

1.

1666年，牛頓用三棱鏡將白光分成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光。2.1802年，英國的沃拉斯頓在棱鏡上加了一個夾縫，首先發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的吸收線。3.1859年，德國物理學(xué)家基爾霍夫提出了基爾霍夫定律：①每一種化學(xué)元素都有自己的光譜；②每一種元素都可以吸收它能發(fā)射的譜線。3測光術(shù)在天文學(xué)上的應(yīng)用1.1857年，英國人普格森建立了光度與星等的基本關(guān)系式，從此開始了科學(xué)的測光工作。2.1859年，德國天文學(xué)家澤內(nèi)爾制作了第一架近代光度計，并于1861年公布了用這架儀器測量到的226顆亮星的第一個近代光度星表。4照相術(shù)在天文學(xué)上的應(yīng)用1.1840年，美國的德雷伯最先把照相術(shù)應(yīng)用于天文觀測，拍攝了月亮的照片。2.1880年開始，美國哈佛大學(xué)天文臺用物端棱鏡拍攝了225，000多顆恒星的光譜照片，并按光譜把這些星分類，成為著名的哈佛光譜分類。3.當(dāng)前，天體物理學(xué)和理論物理學(xué)迅速發(fā)展，以及它們之間日益廣泛而深入地互相結(jié)合、滲透的新趨勢，使天體物理學(xué)出現(xiàn)許多分支，為人們更深刻認識天體運行規(guī)律提供了新的理論武器。5二、觀測手段的進步1.由于天文學(xué)研究對象的特殊性，它的現(xiàn)代發(fā)展離不開觀測手段的改進，這里主要指射電望遠鏡的發(fā)展和應(yīng)用。2.1937年，美國的雷伯制造了第一臺射電望遠鏡，拋物面直徑達9米。3.1942年，英國海伊用軍用的超高頻雷達首先發(fā)現(xiàn)了太陽射電。4.六十年代天文學(xué)上的4大發(fā)現(xiàn)——類星體、

3K微波背景輻射、射電脈沖星和星際有機分子，都是靠射電探測工具獲得的。06類星體7微波背景輻射

來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射。20世紀60年代初，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜為了改進衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(tǒng)。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度時，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲。他們認為，這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5K。1965年，他們又訂正為3K，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世，為此獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎金。8

微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)被認為是20世紀天文學(xué)的一項重大成就。它對現(xiàn)代宇宙學(xué)所產(chǎn)生的深遠影響，可以與河外星系的紅移的發(fā)現(xiàn)相比擬。當(dāng)前，流行的看法認為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學(xué)的強有力的支持。早在40年代，伽莫夫、阿爾菲和海爾曼根據(jù)當(dāng)時已知的氦豐度和哈勃常數(shù)等資料，發(fā)展了熱大爆炸學(xué)說，并預(yù)言宇宙間充滿具有黑體譜的殘余輻射，其溫度約為幾K或幾十K。3K微波背景輻射的實測結(jié)果與理論預(yù)期大體相符。9射電脈沖星10星際有機分子11當(dāng)今主要的光學(xué)望遠鏡，

Keck、VLT、HST12當(dāng)今主要的射電望遠鏡，Effelsberg、Arecibo

、VLA13當(dāng)今主要的X射線望遠鏡，XMM，Chandra14中國現(xiàn)有和準備建造的望遠鏡。2.16m興隆25m上海佘山新疆天山FASTLAMOSTHXMT15宇宙論的基本問題1.宇宙從哪里來？又向何處去？2.宇宙中的天體是如何運行的？3.對于這樣的問題，在人類歷史上出現(xiàn)過多種多樣的答案。4.譬如基督教的回答是這樣的：上帝創(chuàng)造了宇宙以及其中的萬物；天體的運行也是上帝安排好的。三、宇宙學(xué)的發(fā)展16古希臘人的答案1.古希臘人用幾何學(xué)來解釋日月行星是如何運行的，這些知識被公元二世紀的托勒密（ClaudiusPtolemy）匯總在《至大論》一書中，構(gòu)成我們今天所知的地心宇宙體系。2.地心說是第一個精密的宇宙模型，用來解釋太陽、月亮和當(dāng)時已知的五大行星如何繞著地球這個宇宙的中心運行。3.后來該學(xué)說與亞里斯多德的哲學(xué)結(jié)合被納入《圣經(jīng)》的框架，成為基督教的欽定宇宙模型。17日心宇宙模型1.文藝復(fù)興晚期，波蘭教士哥白尼（NicolasCopernicus）從簡單性和完美性的信念出發(fā)，提出了一個日心宇宙模型，2.認為地球帶著月亮，和其他行星一起，是繞著太陽這個宇宙的中心轉(zhuǎn)動的。3.1543年哥白尼去世前一刻將這種學(xué)說以《天體運行論》的書名公開發(fā)表。18伽利略的貢獻1.1609年意大利人伽利略（GalileoGalilei）把望遠鏡指向天空，看到了一系列前所未見的天象。2.特別是他看到木星有四顆衛(wèi)星圍繞它運轉(zhuǎn)，這一觀測否定了地心說的地球是宇宙唯一繞轉(zhuǎn)中心的說法。3.伽利略熱情地宣傳日心說，寫下了《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》的名篇（1632年出版），從而引起一些教會學(xué)者的疑慮和嫉恨。4.羅馬教會的宗教法庭做出裁決：《天體運行論》只能作為一個數(shù)學(xué)模型在學(xué)校講授；伽利略的著作禁止出版，其本人終身監(jiān)禁。19開普勒的貢獻1.另一位哥白尼學(xué)說的信奉者德國人開普勒（JohannKepler）找到了有關(guān)行星運行的更簡單的一致性。2.在1609年其發(fā)表的《新天文學(xué)》中，開普勒指出所有的行星包括地球沿各自的橢圓軌道繞太陽轉(zhuǎn)動，太陽位于這些橢圓軌道的一個焦點上。3.用一條圓錐曲線就描述了所有行星的運行，開普勒把宇宙和諧的思想發(fā)揮到了極至。20天體運動的原因1.到此為止人們只是在回答宇宙如何運轉(zhuǎn)的問題。2.開普勒進而開始尋找讓天體運動起來的動力學(xué)原因。3.笛卡爾（RenéDescartes）在這方面也進行了并不很成功的嘗試。4.直到牛頓（IsaacNewton），以伽利略、開普勒等前賢的工作為基礎(chǔ)，終于找到萬有引力定律。21《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》1.在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓系統(tǒng)地闡明了現(xiàn)在稱為牛頓運動三定律的運動學(xué)原理；2.并用萬有引力定律在數(shù)學(xué)上嚴格地證明了開普勒提出的行星運動三定律。3.上到天體的運行，下到潮水的漲落，都服從于一條簡單的定律。4.人類智力達到了前所未有的自信。22絕對時空1.牛頓為服從他的運動規(guī)律的運動物體創(chuàng)造了一個可以自由馳騁的時空――一個無始無終的宇宙。2.在那里時間均勻流逝，沒有起始沒有終結(jié)?？臻g均勻而平坦地伸展直達無限。3.這樣的時間和空間為描述一切物體的運動提供了絕對的時間和空間坐標。23不穩(wěn)定的宇宙？1.牛頓的萬有引力定律表明所有物體都相互吸引，宇宙間恒星、星系之間的吸引力應(yīng)該使得它們要互相靠攏，因而宇宙會變得不穩(wěn)定。2.當(dāng)時雖然有人對牛頓宇宙的不穩(wěn)定性和無限性提出了的疑問，但牛頓理論的成功讓這些疑問變得微不足道。3.而牛頓提供了他的上帝，這個宇宙的管理者。24奧伯斯佯謬1.1826年德國天文學(xué)家奧伯斯（HeinrichW.M.Olbers）提出了這樣一個想法：2.假如宇宙真的無限，并且包含無限多的、均勻分布在空間中的恒星的話，這些星光積累起來，會使得星空的每一個角落的亮度都應(yīng)該跟太陽表面的亮度一樣眩目。3.事實上，我們看到的并不是這樣的，黑夜和白天還是很分明。這被稱作奧伯斯佯謬，又叫光度佯謬。25諾曼-西里格佯謬1.1894年諾曼（C.Neumann）和西里格（H.vonSeeliger）又提出：2.假如宇宙無限大，物質(zhì)均勻分布，密度處處不等于零的話，那么作用于每一個天體的萬有引力將累積到無限大。3.但是這種現(xiàn)象也沒有被觀測到。這被稱作諾曼-西里格佯謬，又叫引力佯謬。26無限宇宙的困境1.在牛頓的無限宇宙框架里，前述兩個佯謬難以避免。2.另外，牛頓的經(jīng)典力學(xué)只解釋了宇宙中萬物的運行規(guī)律，不回答宇宙是如何來的。3.牛頓保留了上帝的位置，把“第一推動”和管理宇宙的任務(wù)交由上帝完成。

27無限層次宇宙模型1.1908年瑞典天文學(xué)家沙里爾提出無限層次的宇宙模型，試圖克服無限宇宙的佯謬。2.N1個恒星G0聚集成星系G1，N2個G1聚集成星系G2，如此類推。3.由于該理論設(shè)想每一個層次的物質(zhì)密度逐漸減少。在宇宙尺度上，物質(zhì)密度將趨近于零。28廣義相對論直到二十世紀初期，愛因斯坦（AlbertEinstein）提出廣義相對論之后，關(guān)于時間和空間的起始和終結(jié)問題，關(guān)于宇宙的創(chuàng)生問題，才真正變成了一個科學(xué)問題，或者說物理學(xué)問題，甚至數(shù)學(xué)問題。29廣義相對論引力場方程、宇宙項1.愛因斯坦自己率先利用廣義相對論引力場方程進行宇宙學(xué)研究。2.愛因斯坦發(fā)現(xiàn)按照他的引力場方程，算出來的宇宙是不穩(wěn)定的，宇宙不是在膨脹便是在收縮。3.因此愛因斯坦在方程中憑空加上了額外的一個宇宙項，這個所謂的宇宙項具有斥力的效應(yīng)，這樣就可以用宇宙項的排斥來抵消物質(zhì)的吸引。4.換言之，由宇宙項產(chǎn)生的負時空曲率能抵消由宇宙中質(zhì)量和能量產(chǎn)生的正時空曲率。30愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型1.愛因斯坦得到一個靜態(tài)的宇宙模型：2.宇宙空間是封閉的，但又是無邊的、無止境的。就是說宇宙是有限無界的。3.假如一個光子向任何一個方向輻射出去，那么它會一直在封閉的空間中傳播，任何地方也不會碰到空間的邊緣，最后還會回到出發(fā)地。4.愛因斯坦的宇宙半徑大約35億光年。31星系紅移1.愛因斯坦在發(fā)展他的廣義相對論的同時，另有一群實測天文學(xué)家，他們沒有受到過太高深的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，也不接觸愛因斯坦的理論。但是他們用當(dāng)時世界上最先進的望遠鏡孜孜不倦地觀測天空。2.大概從1910年起，天文學(xué)家們在研究河外星系的光譜時，發(fā)現(xiàn)星系有系統(tǒng)的紅移現(xiàn)象。到1917年，他們搞清楚了，除了少數(shù)幾個離地球近的星系，所有其他星系都顯示出紅移現(xiàn)象。星系越遠，紅移越顯著。32哈勃定律1.1929年美國天文學(xué)家哈勃（EdwinHubble）提出了著名的“哈勃定律”：2.星系退行的速度（V）與它們離地球的距離（R）大致成正比，即V=HR，H稱為哈勃常數(shù)，3.現(xiàn)在確定其值為50公里/（秒·百萬秒差）。4.哈勃常數(shù)的倒數(shù)可以看做是宇宙年齡，不難算得宇宙年齡大概在200億年左右。33“大爆炸理論”1.哈勃紅移的發(fā)現(xiàn)證明愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是錯誤的。愛因斯坦自己也把宇宙項稱作“一生中最大的錯誤”。2.后來紛紛出籠的宇宙模型都把哈勃紅移考慮在內(nèi)。其中以美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（GeorgeGamow）等人提出的后來被稱作“大爆炸理論”的最為著名。341.該理論認為宇宙起源于高溫高密的“原始火球”的大爆炸。在爆炸開始幾分鐘里元素從輻射和核粒子的原初混合物中形成。2.該理論還預(yù)言了大爆炸的一個結(jié)果，在今天的整個宇宙中有一種剩余輻射，它各向同性，溫度為絕對零度以上5度（5K）。35迪克的理論1.美國普林斯頓大學(xué)的迪克（RobertH.Dicke）根據(jù)伽莫夫的理論進行研究，在1964年他也預(yù)言了高于絕對零度以上幾度的背景輻射。2.迪克的小組還開始建立一臺儀器來探測這種輻射以檢驗這一理論。36宇宙微波背景輻射1.1965年貝爾電話實驗室的兩位工程師彭齊亞斯（ArnoPenzias）和威爾遜（RobertWilson），正在校正為測試衛(wèi)星通訊而設(shè)計的反射天線。2.他們以極大的耐心追蹤和消去干擾源。但是他們發(fā)現(xiàn)，有一種未加解釋的輻射來自天空的各個方向，對應(yīng)的溫度大約是3K。3.他們向迪克咨詢引起這種輻射的可能原因，不料獲悉他正在積極尋找他們已經(jīng)找到的東西。4.宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)對大爆炸理論是一個有力的支持。37“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”1.1948年，三位劍橋天文學(xué)家霍伊爾（FredHoyle）、邦迪（HermannBondi）和戈爾德（ThomasGold）提出了一個“大爆炸理論”相競爭的理論，2.認為宇宙在大尺度上，包括任何時候和任何地方，都是一樣的。3.在這個“穩(wěn)恒態(tài)”宇宙中沒有開始，沒有結(jié)束。星系在各個方向上簡單地飛離，就象烤蛋糕時蛋糕上的葡萄干隨著蛋糕膨脹而遠離。38“物質(zhì)創(chuàng)生”1.為了填補星系退行后留下的虛空并保持宇宙總的外觀，他們假定物質(zhì)在星系際空間創(chuàng)生，物質(zhì)的創(chuàng)生率（每立方公里每年產(chǎn)生一個粒子）恰好用來形成新的星系。2.霍伊爾在一次廣播節(jié)目中把與他的“穩(wěn)恒態(tài)理論”競爭的理論戲稱為“大爆炸（theBigBang）理論”，因而成為這一術(shù)語的發(fā)明者。3.3K微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)基本上宣告了穩(wěn)恒太宇宙理論的死亡。39什么是黑洞

1795年，著名的數(shù)學(xué)家拉普拉斯曾指出：有一個發(fā)光體，它的密度與地球密度一樣，其直徑比太陽的直徑大250倍，可是由于被吸引的緣故，無法使其光線達到地球。四、黑洞與宇宙40黑洞：黑洞是時空中這樣的一個區(qū)域，任何物質(zhì)一旦進入該區(qū)域，便永遠不能出來。

黑洞是一種看不見的異常天體；60年代以后，成為天文上最具誘惑力的搜索對象。與一切可見天體相比，黑洞正是最強的引力場源，能使鄰近處時空彎曲得相當(dāng)厲害，以致把任何東西都裹卷其內(nèi)，甚至光線也不能幸免。

右圖形象地表示了這一點：一旋轉(zhuǎn)黑洞的時空結(jié)構(gòu)宛若一個大漏斗，把萬物全部吞下。41

以克爾黑洞為例：克爾黑洞有一個靜界和一個外視界，靜界是一個旋轉(zhuǎn)橢圓面，外視界是一個球面，包含在靜界和外視界之間的空間稱為能層。物體進入能層尚還可以從中再返回到黑洞外部的空間，一旦物體進入了外視界，便永遠不能再逃出來了?？藸柡诙挫o界和視界42錢德拉塞卡1.早在1928年一位印度研究生錢德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar）去到劍橋師從著名的天文學(xué)家愛丁頓（ASEddington），2.在去英國的旅途上，錢德拉塞卡計算出一顆質(zhì)量大約為太陽質(zhì)量一倍半的冷恒星，將不能抵抗自身的重力而坍縮。3.這個質(zhì)量現(xiàn)在稱為錢德拉塞卡極限。質(zhì)量大于錢德拉塞卡極限的恒星，將坍縮成一種密度極大的狀態(tài)，甚至一個點。4.愛丁頓對此極為反感，說自然的行事不會如此荒謬。愛因斯坦也寫了一篇論文，宣布恒星的體積不會收縮為零。43奧本海默1.1939年奧本海默（RobertOppenheimer）從廣義相對論出發(fā)，論證了質(zhì)量大于錢德拉塞卡極限的恒星會坍縮成一個看不見的天體，但是由于二戰(zhàn)的干擾，引力坍縮問題幾乎被人遺忘。2.直到二十世紀六十年代，實測技術(shù)的提高激起人們對宇宙大尺度問題的興趣，黑洞和大爆炸理論成為熱門的話題?；艚鸪蔀檫@方面研究的先驅(qū)者之一。44霍金1.從1965年到1970年間，霍金跟彭羅斯進行了密切的合作，證明了廣義相對論的奇性不可避免。2.也就是說，按照廣義相對論，宇宙必然起源于一個大爆炸奇點；同時，在黑洞中必然存在無限大密度和無限大時空曲率的奇點。3.這樣，時間起始于大爆炸奇點，終止于大擠壓奇點（整個宇宙的坍縮）或者黑洞中的奇點（局部區(qū)域的坍縮）。4.這是霍金在經(jīng)典廣義相對論框架里取得的一個重要成果。45黑洞不黑1.1970年11月霍金悟到黑洞事件視界的面積永遠不會減少。2.美國普林斯頓大學(xué)的一位學(xué)生貝肯斯坦（JacobD.Bekenstein）把霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞面積不減跟熱力學(xué)第二定律聯(lián)系起來，指出黑洞的事件視界面積就是黑洞熵的量度。3.1973年9月兩位前蘇聯(lián)黑洞專家說服了霍金：按照量子力學(xué)的測不準原理，旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該產(chǎn)生和輻射粒子。4.霍金接著通過計算發(fā)現(xiàn)黑洞以剛好防止熱力學(xué)第二定律被違反的準確速率發(fā)射粒子和輻射能量。46霍金輻射1.按照經(jīng)典廣義相對論，黑洞的面積不減；但考慮了量子效應(yīng)之后，黑洞會蒸發(fā)，面積會減少，甚至?xí)殡S著大量的γ輻射而消失。2.霍金在這里首次把二十世紀初發(fā)展起來的兩個物理理論，即廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來用在同一個對象的研究中，并看到了量子效應(yīng)能去掉經(jīng)典廣義相對論預(yù)言的奇點的第一個跡象。3.由于黑洞存在輻射，大大增加了黑洞被觀測到的可能性。47量子引力宇宙論1.經(jīng)典廣義相對論的奇性不可避免，所以標準大爆炸模型中時空存在著零點，給了上帝一個容身之地。2.1981年左右霍金提出考慮到量子力學(xué)的測不準原理，一些基本量度，譬如長度和時間，具有測不準性。3.測不準的程度由普朗克常數(shù)確定，從該常數(shù)可以定出最小的長度量子，即普朗克長度，為10E－33厘米，這遠遠小于原子核的尺度。測量任何長度不可能比這個更精確，而且比普朗克長度更短的長度是沒有意義的。48不存在數(shù)學(xué)上的時空點1.同樣，作為時間量子的最小間隔，即普朗克時間，為10E－