諾貝爾天文學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)賞析第二章

1、第二，天文學(xué)和國防，國民經(jīng)濟(jì)和人類日常生活關(guān)系，第一，天文學(xué)研究對(duì)象，內(nèi)容和方法2，天文學(xué)的主要觀察技術(shù)和方法3，天文學(xué)和國防，國民經(jīng)濟(jì)和人類日常生活關(guān)系4，天文學(xué)和其他學(xué)科關(guān)系5，21世紀(jì)天文學(xué)面臨的機(jī)會(huì)，挑戰(zhàn)，1，天文學(xué)研究對(duì)象，天體：銀河系中的星星、星團(tuán)、星云；像銀河系這樣的眾多外星系、宇宙空間的事前源、紅外源、X-張藝興源等都是自然天體。人工天體：人造衛(wèi)星、宇宙火箭、行星間探測器、軌道天文臺(tái)等是人工天體。獵戶座星云、銀河系仙女座大星云、恒星、星系和星系之間充滿了星際介質(zhì)、電磁場、引力場等。星際介質(zhì)、電磁場、重力場都是天文學(xué)研究的對(duì)象。天文學(xué)一直在關(guān)注和探索宇宙空間是否有暗物質(zhì)、暗能量、

2、反物質(zhì)。UFO和外星人等問題也是天文學(xué)關(guān)注和研究的重要領(lǐng)域。2)，浩瀚的“宇宙”:是指空間和時(shí)間的統(tǒng)稱。我國古代天文學(xué)中有句諺語：“四面上下說宇宙，古往今來說主。”“太空”:在天文學(xué)研究中，通常指地球大氣。天體的位置，距離，運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)，化學(xué)組成和進(jìn)化規(guī)律。研究宇宙科舉、現(xiàn)在和未來。2，研究內(nèi)容，3，天文學(xué)研究方法，人類主要通過從天體和宇宙接收電磁輻射來認(rèn)識(shí)宇宙空間。天文學(xué)是觀測科學(xué)。研究方法：觀測理論再觀測，天文學(xué)是通過觀測建立理論模型，再觀測，補(bǔ)充和修改基本定律和理論。天文觀測在天文學(xué)中占有特殊的地位。觀測方法和觀測工具的改進(jìn)和創(chuàng)新，總是促進(jìn)天文學(xué)的發(fā)展，甚至?xí)鹛煳膶W(xué)的深刻革命。相反

3、，天文觀測的要求和觀測技術(shù)的更新極大地促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。天文學(xué)理論可以預(yù)測未來的變化，從觀測中獲得的數(shù)據(jù)以力學(xué)、物理、化學(xué)等自然科學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行計(jì)算和分析，建立天文學(xué)的基本理論體系。通過觀測持續(xù)改進(jìn)和完善天文學(xué)理論，天文學(xué)的理論體系不僅可以預(yù)測現(xiàn)有的觀測事實(shí)，還可以預(yù)測未來的變化，如重要的天象的出現(xiàn)，同時(shí)還可以反演以前的天象。第二，天文學(xué)的主要觀測技術(shù)和方法，現(xiàn)在的天文觀測已經(jīng)進(jìn)入了“全波段天文學(xué)”時(shí)代。也就是說，人類可以對(duì)天體的所有波進(jìn)行電磁輻射觀測和研究。全波段天文學(xué)是現(xiàn)代天文學(xué)的重要標(biāo)志。1609年，伽利略制作了第一臺(tái)光學(xué)折射望遠(yuǎn)鏡，口徑4.4厘米，焦距1.2米。19

4、32-1934年間，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室無線電工程師揚(yáng)斯基在銀河系中心接受了22兆赫無線輻射。成為牙齒發(fā)現(xiàn)射電天文學(xué)誕生的象征。1957年，第一個(gè)人造衛(wèi)星天空開啟了全波段天文學(xué)時(shí)代。大氣外部和宇宙天文觀測蓬勃發(fā)展，天文學(xué)家視野進(jìn)一步擴(kuò)大。自1990年以來，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和拉格朗日點(diǎn)軌道天文臺(tái)(人類已經(jīng)擁有從天體所有波段接收輻射的能力)。電磁波譜，1，是目前世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，最大的折射望遠(yuǎn)鏡是美國葉克斯天文臺(tái)，水經(jīng)口徑101.6厘米，相對(duì)口徑，即光力從A=D/F=1/19.4，1897年開始工作。最大的反射望遠(yuǎn)鏡是美國凱克天文臺(tái)，水景直徑10米的拋物線，超比(F/D)=1.75，從1992年開始

5、開放。最大的折疊反射望遠(yuǎn)鏡德國卡爾什瓦茲希爾德天文臺(tái)，主鏡203厘米，水晶鏡134厘米，超比(F/D)=3.0，從1960年開始運(yùn)作。折疊反射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，2，射電天文觀測，射電望遠(yuǎn)鏡天線系統(tǒng)，接收系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)三部分：天線系統(tǒng)：與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡物鏡相同，用于容納天體的電波輻射。接收器系統(tǒng)：對(duì)應(yīng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分析器和各種探測器。記錄裝置：圖像或圖表提供的射電望遠(yuǎn)鏡天線通過赤道或地平裝置瞄準(zhǔn)天體。美國綠化劑43米射電天文望遠(yuǎn)鏡、英國佐德烈銀行76米射電望遠(yuǎn)鏡、德國波恩100米口徑射電望遠(yuǎn)鏡、美國阿雷西博天文臺(tái)305米射電望遠(yuǎn)鏡、當(dāng)前世界最大305米射電望遠(yuǎn)鏡、無線電干擾儀、綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡、a、根據(jù)電

6、磁波干擾原理，使用組合天線提高分辨力。例如：結(jié)合雙天線傳播干涉儀、極長基線干涉儀(VLBI)等B、面狀天線系統(tǒng)，形成大型天線系統(tǒng)，可以提高觀測天球天文圖像的分辨率。大陣列(VLA):由27面天線組成的基線長度為30公里。3，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)和軌道天文臺(tái)于1990年四月二十五日被“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)運(yùn)輸升空。配備了5套輔助設(shè)備，包括主鏡2.4米、輔助鏡30厘米、各寬視野/行星照相機(jī)、暗弱天體照相機(jī)、暗天體光譜儀、高分辨率光譜儀、精密的導(dǎo)性傳感器等。觀測紅外、紫外線、回歸的寶貴天文圖像，逐漸向人類揭示宇宙奧秘。(威廉莎士比亞，溫斯頓，現(xiàn)譯)，4，太陽系行星，深空探測器，空間中的紅外波段天文觀

7、測，紫外線天文觀測，X射線，射線觀測等一系列天文學(xué)已進(jìn)入全波段觀測時(shí)代。1957年首次登上地球衛(wèi)星天空后，打開行星空間探測，各種行星探測車將太陽系代星和小行星，行星衛(wèi)星，現(xiàn)在太陽系的八大行星都有行星探測車。目前，宇宙深空探測器已經(jīng)脫離太陽系，踏上尋找地外文明的旅程。旅行者1號(hào)二日，三日，天文學(xué)和國防，國民經(jīng)濟(jì)，人類日常生活關(guān)系，一，基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域天文學(xué)，從天文學(xué)研究對(duì)象和內(nèi)容來看，天文學(xué)是最古老的科學(xué)。作為基礎(chǔ)學(xué)科，天文學(xué)在認(rèn)識(shí)自然和探索物質(zhì)世界的客觀規(guī)律中發(fā)揮著重要作用。在自然科學(xué)各學(xué)科的發(fā)展過程中，天文學(xué)始終起著主導(dǎo)作用。1)，哥白尼的日心說，1543年，哥白尼提出了一心模型的想法，糾正了地

8、球宇宙中心這個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。半個(gè)多世紀(jì)后，開普勒正確地描述了繞行星太陽運(yùn)行的軌道方程，即繞行星運(yùn)行的開普勒三定律。從神學(xué)的束縛中解放自然科學(xué)。哥白尼這個(gè)發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們的世界觀，人類的地球在太空上并不特別。據(jù)現(xiàn)代天文觀測，太陽既不是以宇宙為中心，也不是太陽系，也不是以宇宙為中心。有太陽系的銀河系也不是以宇宙為中心。2)，牛頓萬有引力定律，開普勒行星太陽周圍運(yùn)動(dòng)的三個(gè)茄子定律是建立牛頓萬有引力定律的基礎(chǔ)。1687年，牛頓發(fā)表了他的引力理論。通過天文觀測定量驗(yàn)證了牛頓萬有引力定律的正確性。在此基礎(chǔ)上，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，促進(jìn)了力學(xué)和物理學(xué)的大發(fā)展。3)，原子結(jié)構(gòu)模型，第一個(gè)原子結(jié)構(gòu)模型與太陽系的結(jié)

9、構(gòu)類似，后來通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。氦元素天文學(xué)家觀測太陽第一次發(fā)現(xiàn)！通過太陽光譜的發(fā)現(xiàn)和精確測量，可以知道天體的化學(xué)組成和演化規(guī)律。天文學(xué)中的一些發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會(huì)給其他學(xué)科造成深刻的變化。4)，愛因斯坦廣義相對(duì)論天文學(xué)4大驗(yàn)證，20世紀(jì)初愛因斯坦狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論(1905年1915年)。廣義相對(duì)論預(yù)言：恒星的光通過太陽邊緣時(shí)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，稱為光的重力偏轉(zhuǎn)。白矮星譜線重力紅移存在等，光的重力偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象在1919年被日蝕觀測證實(shí)。水星軌道最近的進(jìn)動(dòng)廣義相對(duì)論效應(yīng)；牙齒的預(yù)言都是通過天文觀測證實(shí)的。重力波的廣義相對(duì)論預(yù)言通過脈沖雙星軌道變化的天文觀測得到了確認(rèn)。水星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，據(jù)觀測，水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)周期每56

10、00.73/100年出現(xiàn)一次。據(jù)人們計(jì)算，對(duì)已知行星牙齒水星軌道攝動(dòng)的影響不值得每5557.62/100年，以及每43/100年對(duì)進(jìn)動(dòng)牙齒進(jìn)行合理解釋。這是多年來牛頓引力理論牙齒無法解決的問題。起初，我懷疑水星軌道內(nèi)有一個(gè)關(guān)于水星重力的行星。天文愛好者施瓦夫?yàn)榇藢ふ伊?7年，當(dāng)然找不到不存在的火星。廣義相對(duì)論發(fā)布后，利用4位數(shù)施工測地線方程求解水星軌道運(yùn)動(dòng)，三維空間投影測地線時(shí)，發(fā)現(xiàn)水星軌道的近日點(diǎn)是不斷的進(jìn)動(dòng)橢圓軌道，進(jìn)動(dòng)周期正好是每100年43次。用水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的相對(duì)論效應(yīng)解決了牛頓引力理論長期沒有問題解決的問題。5)，星際有機(jī)分子的發(fā)現(xiàn)，星際有機(jī)分子的發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)60年代射電天文學(xué)

11、四大發(fā)現(xiàn)中排在第一位。星際分子的元素構(gòu)成主要有六種。氫(h)、氧(o)、氮(n)、碳(c)、硫(s)和硅(Si)。其中氫、氧、氮、碳、硫、磷(P)被稱為“生命元素”，這是構(gòu)成地球上各種生物的最基本的元素。構(gòu)成生命的這些基本元素廣泛存在于宇宙空間。促進(jìn)了星際有機(jī)分子的發(fā)現(xiàn)、地外生命研究和搜索。生命，將挑戰(zhàn)生命科學(xué)！此外，類星體、射電星系、銀河核活動(dòng)等高能現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)等對(duì)化學(xué)、生物學(xué)和物理學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。尤其是類星體的紅移，高亮度，今天對(duì)高能物理學(xué)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)！6)、數(shù)學(xué)和計(jì)算方法的推進(jìn)、天文觀測數(shù)據(jù)處理和天體運(yùn)動(dòng)理論的研究離不開計(jì)算方法，相反，天文問題的解決有力地促進(jìn)了數(shù)學(xué)科學(xué)的發(fā)展。歷史上

12、大量的天文學(xué)家也是杰出的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。7)，對(duì)地學(xué)、氣象學(xué)的影響，天文學(xué)、地學(xué)、氣象學(xué)的關(guān)系更加密切。高精度大地測量方法和手段來自天文學(xué)(G P S，)。例如：3S(GPS，GIS，RS)太陽活動(dòng)是大氣環(huán)流、各種氣象的原因。2，天文學(xué)研究成果直接提供國防、國民經(jīng)濟(jì)和人們的日常生活服務(wù)。天文學(xué)不僅是基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，天文學(xué)也是應(yīng)用性強(qiáng)的實(shí)用學(xué)科。天文學(xué)研究成果在很多方面直接提供國防、國民經(jīng)濟(jì)和人們的日常生活服務(wù)。通過以下例子說明：1)、時(shí)間測量和計(jì)時(shí)，20世紀(jì)70年代原子時(shí)(基于原子內(nèi)部能級(jí)轉(zhuǎn)換頻率構(gòu)建的時(shí)間測量系統(tǒng))牙齒時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)替代世界時(shí)，時(shí)間測量的標(biāo)準(zhǔn)是世界時(shí)。當(dāng)前時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是以國際原子時(shí)秒長

13、度為基準(zhǔn)的原子時(shí)(TAI)。世界時(shí)(UT)是基于地球自轉(zhuǎn)的時(shí)間測量系統(tǒng)。世界是通過天文觀測和時(shí)間測量理論實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)地球太陽空戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)建立的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)稱為歷書。目前，高精度世界詩的測量和計(jì)時(shí)仍然是科學(xué)研究和大地測量的重要依據(jù)。高精度時(shí)間在航海、航空、航天、通信、物理實(shí)驗(yàn)、大地測量等許多部門都有重要的應(yīng)用。國家高精度時(shí)間系統(tǒng)由天文學(xué)部門維護(hù)和提供(中國科學(xué)院國家計(jì)時(shí)中心，陜西臨潼)。人們?nèi)粘Ｉ钍褂玫膮f(xié)調(diào)世界時(shí)UTC和歷法等都由天文部門提供。，2)、天球參考系統(tǒng)和地球參考系統(tǒng)、天文參考系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立連接的天球參考系統(tǒng)和地球參考系統(tǒng)組成。天文歷、各種天體位置力表、地面站坐標(biāo)測量，為航天、航海、大地

14、、重力測量提供了重要依據(jù)。人造衛(wèi)星精密定軌、使用人造衛(wèi)星大地測量、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等都離不開精確的天體位置力表。3)、太陽活動(dòng)監(jiān)控和預(yù)測，太陽活動(dòng)期間太陽復(fù)制增加。如此大量的高能傳記粒子、紫外線、x射線到達(dá)行星間空間和地球上空，地球磁場和電離層影響破壞、短波通信和電力傳輸，威脅飛機(jī)、衛(wèi)星和宇宙飛船的飛行安全。太陽活動(dòng)也是大氣環(huán)流氣候變化發(fā)生的直接原因。4)、人造衛(wèi)星和空間探測器軌道設(shè)計(jì)和精密定軌、人造衛(wèi)星和空間探測器通信、導(dǎo)航、氣象、測量、勘探、醫(yī)藥、軍事等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。天文學(xué)對(duì)人造衛(wèi)星及空間探測器軌道設(shè)計(jì)及衛(wèi)星發(fā)射后的觀測起著決定性的作用。5)、衛(wèi)星在定位、通信和導(dǎo)航中的應(yīng)用，人造衛(wèi)星前，

15、人們根據(jù)觀測太陽和近星空間位置確定地面點(diǎn)坐標(biāo)和航行中輪船飛機(jī)的位置。全球衛(wèi)星位置導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、我國北斗第一代和第二代位置導(dǎo)航系統(tǒng)都使用人造衛(wèi)星位置和導(dǎo)航。氣象衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、大地和遙感衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星等。6)，近地小天體的監(jiān)視，部分近地小行星、彗星，以及人類為探索太空發(fā)射而發(fā)射的各種宇宙飛船，都可能對(duì)地球及人類構(gòu)成威脅。監(jiān)視牙齒小天體的運(yùn)動(dòng)并預(yù)測正確的軌道是天文學(xué)的使命。近地小天體的監(jiān)測已成為發(fā)達(dá)國家的國策。我國已將近小天體的監(jiān)視納入國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，由專門的天文機(jī)構(gòu)執(zhí)行。7)，利用天文地球動(dòng)力學(xué)、天文方法和天體測量資料研究地球板塊運(yùn)動(dòng)、大陸漂移、地震等。8)、利用歷史、考古學(xué)的作

16、用、歷史上的天象記錄，考證歷史事件發(fā)生的年代，是天文學(xué)在歷史考古學(xué)中的應(yīng)用。20世紀(jì)未完成的，我國“夏商直大公司”項(xiàng)目，即我國古代彗星、日月儀式等天象記錄，利用天體力學(xué)方法計(jì)算發(fā)生的年代，將考古發(fā)掘和歷史文獻(xiàn)結(jié)合起來，確定無王閥州等正確的年代，并將中國歷史年向前延長1200年，獲得了獎(jiǎng)、獎(jiǎng)、獎(jiǎng)、獎(jiǎng)、獎(jiǎng)、獎(jiǎng)、獎(jiǎng)、獎(jiǎng)。相反，由于天文觀測對(duì)科學(xué)技術(shù)的要求，促進(jìn)時(shí)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的事例很多。例如：天體輻射的信號(hào)都比較弱，天文觀測的需要促進(jìn)微弱信號(hào)檢測技術(shù)的發(fā)展。隨時(shí)跟蹤觀測要求，促進(jìn)計(jì)算方法和跟蹤技術(shù)的發(fā)展。另外，宇宙天文觀測促進(jìn)了能源和新材料等技術(shù)的發(fā)展。4，21世紀(jì)的天文學(xué)，21世紀(jì)的天文學(xué)研究提出了三個(gè)茄子主要特征。1)、天文學(xué)已成為國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要組成部分，尤其是在位置導(dǎo)航、通信、遙感、偵察、目標(biāo)跟蹤、精密柔道、空間對(duì)抗等方面，天文學(xué)都占有重要地位。航天事業(yè)的發(fā)展也為天文學(xué)的應(yīng)用提供了新的手段和