物理学与现代技术3.ppt

哈尔滨理工大学荣成学院 物理学与现代技术物理学与现代技术 Physics and modern technologyPhysics and modern technology 教 师：赵 丽 2014 年 2 月 第一章 物理学对人类的影响 第二章 物理学对当代科技的影响 第三章 物理学与其他学科的关系 第四章 物理学在各领域中的技术应 用 目 录 3-2 物理学与天文学的关系 3-2-1 天文学的发展 一、古代天文学 天文学与人类文明社会的兴起 可以确信，人类在有文字记载，由于农牧业和实 际生活的需要，人们就注意观察某些天象了，而文字产 生之后，天文学这门古老的科学就萌芽并进而诞生了。 1、古埃及的天文学 大体从公元前27前22世纪，埃及人不仅认识了北 极星和围绕北极星旋转而永不落入地平线的拱极星，还 熟悉了白羊、猎户、天蝎等星座，并根据星座的出没来 确定历法，最著名的例子是关于全天最亮星、大犬座天 狼星的出没。 2、古印度人的时空观 古印度人不停顿地观察太阳的运动，以太阳的视运 动（太阳视运动，是由于地球的自转，使位于地球上 的人觉得太阳每天都是从东方升起，又在西方落下， 从而认为是太阳绕地球的运动）为依据，把一年定为 360天，又以月亮的圆缺变化为依据，把一个月定为30 天，以此编制历法。实际上，月亮运行一周不足30天 ，所以有的月份不足30天，印度人称为消失一个星期 ，大约一年要消失5个日期，但习惯上仍然称一年为 360天。将一年中分为春、热、雨、秋、寒、冬六个季 节，还有一种分法是将一年分为冬、夏、雨三季。对 于空间，古印度人有奇异的看法，他们认为在人类居 住的世界之上，还有其它空间，这种时空观是壮大的 ，但却不现实。 3、发明星座的迦勒底人 世界古代文明的另一个摇篮就是幼发拉底河和底格 拉斯河流域。远在公元前3000年前，迦勒底人就从东部 山岳地带来到两河流域，并在那里建立了国家。 长期的星象观察，使迦勒底人对天体运动有丰富多 彩的发现，知道“日食每18年重复出现一次”，对于月 亮和行星，迦勒底人也有很多正确的发现，但是对人类 最重要的贡献还是创造了星座的划分。 4、古希腊的天文学 欧洲人称古代希腊文化为“古典文化”。泰勒斯（ 前640年前560年）是第一个希腊著名自然哲学家，到 美索不达米亚学到了天文学。地心天动说_标清.flv 数学家毕达哥拉斯（前560年前490年）是人类科 技史上第一个主张“太阳、月亮、行星遵循着和恒星不 同的路径运行”的人。 另一位伟大的学者德谟克利特（公元前460前370 前）提出了原子学说，认为万物都是由原子组成的，原 子是不可分割的最小微粒，太阳、月亮、地球以及一切 天体，都是由于原子涡动而产生的。 这是朴素的天体演化的思想。他还推测出太阳远比 地球庞大，月亮本身并不发光，靠反射的太阳才显得明 亮，银河是众多恒星集合而成的。 德谟克利特和毕达哥拉斯 中国古代天文学的辉煌成就 公元前24世纪的帝尧时代 “观象授时” 。 公元16世纪前 天象观察、仪器制作和编订历法 。 在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，已有丰富的天 文象现的记载。这表明远在公元前14世纪时，我们祖先的 天文学已很发达了。 我国古代在创制天文仪器方面，也作出了杰出的贡献 。世界天文史学界公认，我国对哈雷彗星观测记录久远、 详尽，无哪个国家可比 。 我国古代观测天象的台址名称很多，如灵台、瞻星台 、司天台、观星台和观象台等。现今保存最完好的就是河 南登封观星台和北京古观象台。 甲骨文图片、长沙彗星图 圭(gui)表、浑仪、天仪（天体仪）、日晷、 中国古代的天文人物 落下闳（公元前140前87年）中国西汉时期天文 学家，以历算和天文学的杰出成就著称于世，为我国最 早的历算学家。 张衡(公元78139年)，我国东汉时期伟大的科学 家、文学家、发明家和政治家，在世界科学文化史上树 起了一座巍巍丰碑。 （浑天仪的发明人，公元117年） 郭守敬（12311316），中国古代杰出的八大科学 家一。 （授时历。公元1280年3月 ） 祖冲之,商朝天文学家 。33岁时创制了大明历 沈括是北宋时期一位多才多艺的科学家。解释月亮是因 为受太阳光照射发光而产生圆缺变化 。 徐光启（15621633）是我国明末著名的科 学家 ，编译成了崇祯历书 。 李善兰（18111882年），清代天文学家、 数学家 ，著作汇编成则古昔斋算学一书 。 二、中世纪的天文学 哥白尼的日心学说 日心学说的发展到17世纪达到了高峰 。 近代天文学奠基人哥白尼与天体运行论。 近代力学宇宙体系的确立 哥白尼天体运行论发表近150年之后，于1687年 出版了牛顿具有历史性的、阐述万有引力理论的巨著 自然哲学的数学原理。 150年中奇迹的相继发生 首先是丹麦天文学家第谷布拉赫所做的非常精密 的天文观测。 第二个奇迹是德国天文学家开普勒，于1609年提出 了行星运动的第一、第二定律，10年后又提出了行星运 动的第三定律。 第三个奇迹是意大利物理学家伽利略于1609年发明 天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。 “哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙”。 开普勒指出，行星与太阳之间存在着相互的作用力 ，其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。 伽利略在力学上的一项发现叫做惯性定律 。行星系 一旦能够运动，就无需外力来维持，就可以持续地永恒 运动不息了。 伽利略又从另外两方面大大推进了哥白尼学说的发 展，其中之一就是创立了望远镜天文学。 苹果落地现象使牛顿考虑到地心引力是否可以达到 月球，使月球在轨道上运行 。 牛顿宇宙观 宇宙是永恒的、稳定的 问题：物质引力宇宙坍缩 可能的解决途径： (1) 宇宙在空间和质量上是无限 大的； (2) 宇宙在膨胀； (3) 宇宙有起点和终点。 (2)、(3)点违反宇宙永恒与稳定 的性质，于是牛顿认为宇宙应 该是无限的。 绝对空间，就其本性 而论与任何外界情况 无关，始终保持相似 和不变。 18、19世纪的天文学 1、18世纪经典天文学的蓬勃发展 所谓经典天文学是指天体测量学和天体力学 。 国立天文台的设立 。法国于1671年设立了巴黎 天文台，英国于1675年设立了格林威治皇家天文台 。后来俄国的普尔科沃天文台、美国的华盛顿海军 天文台也相继建成。 在航海天文学上发挥最大作用的是英国格林威治 天文台。 2、天体力学的发展与代表人物的贡献 欧拉（1707-1783）他第一个完整地创立了月球运 动的理论。 克勒罗（1713-1765） 经典著作地球外形的理 论。 达郎贝尔（1717-1783）法国数学家。发表关于月 球运行理论和行星运行理论的论文 。 拉格郎日（1736-1813）意大利数学家，创立了大 行星运动的理论。 拉普拉斯（1749-1827）是法国著名数学家和天文 学家。其著名杰作天体力学集各家之大成 。还 独立提出了太阳系的星云起源理论 。 3、19世纪对太阳系的认识 19世纪中叶 ，形成了一个完整的科学体系，人们称 之为“新天文学”的天体物理学正式诞生。 太阳物理学 天体物理学的最初成就就表现在太阳物理上。 此时人们第一次可以分析天体的光，并由此获得很多信 息，首先是它的化学成分。 恒星物理学 19世纪恒星测量学已经发展得相当完善，可以 很精确地测定出恒星的方位 。 星云物理学 星空当中各式各样的云雾状天体，统称为星云 。星云可分为河内星云和河外星云两大类。 三、现代天文学和宇宙论 1.广义相对论 2. Friedman膨胀宇宙模型 3.大爆炸宇宙学 4. 宇宙的年龄 3-2-2 物理学与天文学的关系 在科学发展的历史中，也许物理学和天文学是两门 关系特别紧密的学科。这可能也是至今在许多国家的大 学里物理与天文仍然同属一个系(物理天文或天文物理 系)的原因。这种紧密的关系不仅存在于它们发展的历 史中，在今天，它们在一些重大的科学前沿问题的研究 上仍然是相互密切联系的。虽然其他学科也许并不像天 文学那样与物理学有如此密切的联系，但是，科学的目 的是对自然界和自然规律的认识,科学可以按照其研究 现象的范围被划分为不同的领域，可是，无论人类怎么 将其划分，自然界却是一个整体。因此，学科之间的交 叉和相互推动是必然的，而对此给予应有的重视就十分 必要。 一、历史的简短回顾 众所周知,现代科学的起源与物理学和天文学的发 展是分不开的。行星运动的观测、牛顿万有引力定律的 发现和牛顿运动定律的确立导致了经典力学的发展和完 善,也第一次对行星运动给予了科学的解释。当然,我们 也不能不看到,正是行星的运动在当时提供了检验经典 力学理论的最好的实验室,而天文学家长期的观测和积 累的资料是证实理论正确的基本实验数据。在这期间, 科学的发展造就了一批科学巨匠,如伽利略和牛顿等。 他们究竟是物理学家还是天文学家呢?也许最好的回答 是他们既是物理学家又是天文学家。 他们的研究在当时看来是并无直接“经济效益”的 ,可是如果长远地去看,从这些并无经济效益的研究中开 创和形成的经典力学,不正是人类开始大规模用机器代 替手工劳动的工业革命的先声吗? 这些研究的“经济效益”从今天看来应是怎么估计 都不过分的。我们也知道,这些基础研究的结果在改变 人们对世界的认识上也起到极大的作用。人们第一次看 到了事物的运动在我们周围和“天上”服从着同样的规 律。是完全不同的世界了。 也许,常常被忽略的是这些科学成果是出现在文艺复 兴之后,那时,神的至高无上的权威已经大大衰落。而这 种环境却是如哥白尼、布鲁诺那样的天文学家经过长期 的努力甚至付出生命才换来的。没有他们的努力和牺牲 所换来的这种环境,后来者怎么有可能去研究星球的运 动呢。 也是牛顿最早发现棱镜可以将白光分解为光谱。夫 琅和费首先对太阳和恒星的光谱进行了仔细的研究，他 发现太阳和恒星的光谱中存在着分离的谱线,并发现这 些谱线对应着我们周围的各种化学元素。这使得大多数 人都相信了太阳和恒星等天体都是由地球实验室中同样 的化学元素构成。 从那以后,天体的光谱观测就成为天文研究的重要手 段之一。这是物理学给天文学提供观测手段和基本观念 的很好的例子。物理学和天文学的结合在这里改变着人 类的宇宙观。 二、20世纪中的物理学与天文学 20世纪上半叶,物理学发生了以量子论和相对论的确 立为标志的前所未有的革命。这些重要发展同样导致了 天文学的巨大进步。在量子论基础上发展起来的核物理 和粒子物理基础上,天文学家和天体物理学家正确地解释 了长时间未能解释的恒星的能源问题,在此基础上建立起 了恒星结构和演化的标准模型并取得了极大的成功。恒 星标准模型的建立和成功是天文学在20世纪所取得的重 大成就之一。不止于此,20世纪30年代,在将量子论和相 对论应用于恒星演化时发现,在恒星核反应结束后会形成 所谓简并星。 它们不是由核反应提供的能量产生的热压与引力平衡 达到稳定,而是由量子效应所产生的简并压维持平衡。按恒 星最后残存的核的质量,简并星可能是白矮星或中子星.它们 分别是由电子简并压和中子简并压支撑的。 钱德拉塞卡从相对论的考虑得出这种由简并压支撑的星 具有质量上限,他得出白矮星的质量上限是1.4倍太阳质量。 任何恒星在用完可用的核燃料后如果残存核的质量超过这一 质量,将会继续坍缩。 朗道、巴德和兹威基分别提出了中子星存在的可能性。 中子星的质量也有上限,当恒星残存的核的质量超过这一质 量时,将没有任何力量能够支撑其平衡。它们将在引力作用 下一直坍缩最终形成黑洞。 这些在当时无论天文学家还是物理学家看来都是十 分奇异的结论,是不可能在实验室里被检验的。 它们只可能存在于宇宙中.然而,这些乍看十分怪异 的天体后来的确相继被天文学家发现,进一步证实了量 子论和相对论在宇宙中的普适性,也说明了物理规律在 与其他学科结合时的作用。 20世纪物理学的另一项重要成就是相对论的建立。 爱因斯坦建立了狭义相对论后,接着又建立了引力的相 对论性理论,即广义相对论,并在此基础上讨论了宇宙学 解。出乎意料的是广义相对论的宇宙学解所给出的不是 定态的宇宙而是膨胀宇宙。这在当时造成了很大的困惑 。爱因斯坦相对论理论_标清.flv 20世纪20年代,天文学家哈勃通过对星云光谱的观测 作出了两个重要的发现,他发现,原来这些星云并非都是银 河系中的天体,许多是远在银河系以外和银河系类似的由 无数恒星组成的星系.我们所在的银河系仅仅是众多星系 中的一员。 同时他还发现,这些星系的谱线都较之实验室中测定 的相同元素的对应谱线有不同程度的红移。这表明这些星 系都在离开我们退行,并且距离愈远的星系红移愈大,或说 退行速度愈快。 这正是膨胀宇宙的图像。哈勃的观测提供的证据表明 ,宇宙整体在膨胀。 在此之后,尽管经历了各种曲折,在20世纪后半叶,建 立在膨胀宇宙基础上的热大爆炸宇宙学模型逐渐形成并 完善起来。 它关于宇宙微波背景和轻元素丰度的预言也被天文 观测所证实。标准热大爆炸宇宙模型的建立,是天体物理 学在20世纪所取得的又一重大成就。上述的事实充分说 明了物理学的发展为天文学提供了用于理解天文现象和 规律的基础。物理学上的突破也势必导致天文学的重要 进展。 同时,我们也看到,天文学为物理学的重要发现提供 了独特的实验室,在许多情况下是惟一的实验室。伴随 物理基础理论在天文学研究中取得的成就,人们已经坚 信宇宙是由统一的自然规律所支配的,而物理学所提供 的正是其中最基本的规律。天体物理学正是在这种认识 的基础上蓬勃发展起来的。当人们用物理学的规律去理 解天文现象和天体的本质时,就为物理学的应用和发展 提供了又一个广阔的天地。 三、新世纪的物理学与天文学 20世纪物理学与天文学均取得了重大进展,在新的世 纪开始之际,它们也面临着一些重大的共同的前沿问题 。这些问题的解决将标志着物理学与天文学的新的突 破。下面我们将简单地介绍一些今天物理学与天文学 面临的共同的前沿。 暗物质问题 大宇宙黑洞与暗物质_标清.flv 宇宙学的研究中一个基本问题是宇宙中物质的组分 和密度,以及它们的演化。天文学家从旋涡星系旋转曲 线的观测发现,仅从星系中的恒星质量和气体质量不可 能解释其旋转曲线。 而且,许多星系的旋转曲线在距中心较远处趋向平坦 。这是出乎意料的结果。它表明,星系中可能存在着大量 的不发光的暗物质。 经过近20年的研究发现,无论是小质量恒星、气体、 简并星和小黑洞等均不可能是这种占星系质量大部分的不 发光的物质.而且,从宇宙原初元素丰度的研究对宇宙中重 子物质含量给出的限制表明,这种暗物质只可能是非重子 物质。 太阳中微子问题 这可以说是一个由天体物理研究引出的具有重要 意义的物理学基本问题的典型例子。自20世纪60年代 后期,科学家开始建造大型设备探测宇宙中的中微子 。距离我们最近的中微子源是太阳。它在进行核反应 时会释放出大量中微子。在对太阳中微子进行观测后 发现,接收到的太阳中微子数明显地少于由恒星模型 计算出的太阳中微子流量。尽管中微子的接收设备有 了很大的改进,太阳中微子流量缺少这一情况并未改 变。为什么探测到的太阳中微子流量会低于理论模型 计算的结果呢?这就是所谓太阳中微子问题。 当然有两种可能,一是太阳,或说恒星的模型有问题 ；另一种可能是关于中微子的粒子物理理论有欠缺。为 解决太阳中微子问题，一时间各种不同的理论模型被提 出,包括非标准的太阳模型，中微子振荡理论,等等。最 近的实验表明,很可能是由中微子振荡造成的。也就是 说，由于三种中微子间会发生相互的转变，观测到的某 一种中微子的流量就可能随距离变化。存在中微子振荡 无疑是我们在了解基本物理中的一个重要进步。除上述 之外，在进入新世纪之际物理学与天文学的共同前沿问 题还有很多。它们大都涉及基本的物理和天体物理问题 ，如黑洞的形成和与黑洞有关的强引力场中的物理，引 力波的产生和探测也是对广义相对论的一个重要检验， 等等。 所有这些前沿问题既是量子物理与相对论这20世纪 基础科学的两大发现的继续，又是对它们的某种挑战。 这些前沿问题的解决势必推动基础科学的进展。 由上述的物理学与天文学的相互影响和推动的关系 ,我们看到，物理学提供了了解天文现象的基本规律,物 理学的每次重大进展都推动着天文学的重大发展；天文 学的研究又为物理学提供了一个惟一的又是丰富多彩的 实验室。二者就是这样相互依存又相互促进。 四、物理学和天文学研究与高技术 和物理学研究中的其他实验室一样,物理学和天文 学在基于宇宙这一巨大实验室中的研究对技术有着特别 高的需求.正是这种需求有力地推动着高技术的发展。 在所有上述的物理学与天文学的共同前沿问题的研究上 ，需要有大型地面和空间望远镜以观测尽可能遥远的宇 宙天体；要有最高灵敏度的探测器以探测到最微弱的从 远处传递来的信号；需要有尽量高的分辨率，以区分相 邻的天体和观测尽可能遥远的天体的形态和结构；需要 有光学以外的其他波段的探测器和探测技术，以使得从 全波段对天体和天文现象的了解成为可能；它还需要高 速度大容量的计算机，以采集、处理大量的观测数据和 进行理论上的模拟计算。 所有这一切需求，无一不是对现今的高技术提出的 更高的要求。为此,在20世纪中,特别是20世纪后期发展 出了一系列新设备和新技术。例如,CCD接收器,它把探 测的灵敏度提高到了单光子的探测;光干涉技术将探测 器的分辨率提高到毫角秒,并进一步将提高到微角秒量 级;一个接一个的工作在各波段上的空间天文卫星的发 射,将空间技术一步步地提到更高的高度。物理学和天 文学研究除了对高技术提出愈来愈高的要求外,它们在 高技术发展中还提供高技术设备可用性的检验。而且, 这种检验是最严格的检验。也许,这就是发达国家不惜 投入巨额资金发展基础研究的原因吧。 趣味视频 黑洞通往未来_标清.flv 3-3 物理学与化学的关系 物理，从最广泛的意义上来说即是研究大自然现 象及规律的学问，在物理学的领域中，研究的是宇宙的 基本组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互 作用；借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系 统。化学是研究物质的组成、结构、性质、以及变化规 律的科学。世界是由物质组成的，化学则是人类用以认 识和改造物质世界的主要方法和手段之一。物理是一个 物质的在外特性，是一个比较直观的概念，而化学则是 一个物质内在的性质。从有没有新物质生成讲，没有新 物质生成的是物理变化，有新物质生成的是化学变化。 研究一种物质必须要从物理和化学两个方面相结合 去研究，缺少一个都不是严谨的，因此，无论是在日常 生活中还是学科研究领域，物理和化学是联系相当紧密 的两个物质代名词。 物理学与化学，作为自然科学的两个分支，关系十 分密切，任何一种化学变化总是伴随着物理变化，物理 因素的作用也都会引起化学变化，自然科学中化学和物 理历来是亲如兄弟、相辅相成的两个基本学科，它们虽 曾有过约定俗成的分工，各司其职，但非各自为战,“ 化学和物理合在一起，在自然科学中形成了一个轴心” 。 历史上化学家和物理学家的研究是在相互合作、相 互促进中进行的，许多科学家的研究兼及物理学和化学 ，每当化学家们对取得的实验经验试图作出解释，并提 高为理论时，每当他们在研究中遇到难以逾越的障碍时 ，总是求助于当时的物理学成就，而且受益良多。 物理包含着所有物质系统的化学行为的原理、规律 和方法，化学也同样涵盖从宏观到微观与性质的关系、 规律、