人类对宇宙的认识史.doc

人类对宇宙的认识史今天就有我来介绍一下人类认识宇宙的过程古人对宇宙的认识中国古代天文中有丰富的关于宇宙结构的设想。远在人类社会的早期，中国古代就逐渐形成“天圆如张盖，地方如棋局”的朴素的直观见解。到了3000年前的西周时代，又逐渐形成了“盖天说”。盖天说认为，大地不是平整方形，而是拱形，天空如一个斗笠，大地犹如一个倒扣的盘子。在到2300多年前，我国战国时代的思想家庄子（大约公元前369前286年）就浪漫激情地幻想“旁（傍）日月，挟宇宙”。其实中文的“宇”、“宙”二字原指“屋檐”和“栋梁”，都是指人居住的地方，后来才延伸为“天地四方（空间）、古往今来（时间）的总称。它超越了东西南北的方位，无边无际；超越了一朝一夕的时间，无穷无尽。与“宇宙”混用的“世界”二字则出于佛教的说法，也是时间（世代）和空间（边界）的合称。在西方，以英语为例也有两个词表达“宇宙”，即cosmos和university。cosmos原意指秩序，引申为“有秩序的宇宙体系”，古希腊的毕达哥拉斯（公元前580500年）是第一个用代表和谐秩序的cosmos称呼宇宙的人；university则表示包罗万象、无所不容的宇宙全体。古代各民族都有自己对宇宙的认识和想象。比如，古代埃及人认为大地是漂浮在水上的；古希腊人则认为大地下有支柱支撑着；古印度想象大地是驮在大象背上的；。古代的人们首先注意到的宇宙现象，如昼夜交替、月亮圆缺、日食月食、天体位置随季节的变化以及行星在星空背景上的移动等等，实际上只是太阳、地球、月亮、行星等太阳系天体运动的反映。因此，以这些现象为基础建立起来的宇宙理论，无论是中国古代“天圆如张盖，地方如棋局”的盖天说，“天体圆如弹丸，地如鸡子中黄”的浑天说，还是古希腊以地球为中心，依次排列月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、恒星等“九重天“的地心说，都没超出太阳系的范围。恒星在这些宇宙理论中的地位，只不过是个一成不变的布景或陪衬。古代的人们由于各自的文化不同，再加上自己观察到的现象，提出了各自对宇宙的认识，这些都富有各自鲜明的民族色彩。地心说与日心说的诞生：早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著天文学大成，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。 早在两千多年前，古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的“日心说”。他指出，太阳位于宇宙中心静止不动，地球则绕着太阳运动，同时又绕轴自转。可惜由于科学水平的限制，这一天才的思想未能为人们所认识。直到中世纪末，由于用托勒密地心体系推算出来的行星位置与实际天象的观测结果不符，人们才开始怀疑地心说的正确性。1543年，波兰天文学家哥白尼在他的不朽名著天体运行论中系统地提出了日心说。在他阐释的日心体系中，太阳居于宇宙的中心，地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行。这样一来，托勒密地心体系中需要用极为复杂的运动图象来解释行星运动天象的烦琐的工作一下子变得十分简单。 后来，德国天文学家开普勒指出，行星绕太阳运动的轨道应该是椭圆而不是圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。这一重大发展使得观测结果完全可以用理论来加以解释和预报，日心说的地位进一步得以巩固。 按照日心学说，就地球上的人来看，天上恒星的位置应随着地球绕太阳运动而发生变化。在哥白尼提出日心说后的近300年中，人们进行了大量的观测，企图证明这一点，可是始终没有成功。原来，恒星离开地球十分遥远，最近的一颗也远达43万亿千米。因此，地球围绕太阳运行造成的这颗恒星的位置变化只有12.5。恒星越远，这一变化也越小，当时的观测仪器是无法探测到的。直到1838年，德国天文学家白塞尔才首次利用三角方法测出一颗名为天鹅61的恒星的位置变化，并推算出它的距离为11.2光年，从而最终证实了哥白尼的日心地动学说。地球的地位从居宇宙之中的特殊天体降为绕太阳运动的一颗普通行星日心说是经过哥白尼等天文学家的不懈努力才最终被确立的。要知道，在他们哪个年代，他们为此受到的迫害是多么严重，但他们仍然不放弃。他们的这种大胆质疑及坚持真理的精神值得我们学习（评论）现 代 宇 宙 学 早在赫歇尔尝试确定银河系结构之前，人们就已观测到天空中除恒星外还存在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体，取名为“星云”。比如，1612年德国天文学家马里乌斯率先用望远镜发现了仙女大星云。1750年赖特天才地猜想，这类星云中有一些可能是同银河系相似的巨大恒星系统。1755年德国人康德首次明确提出在银河系外的宇宙空间中存在着无数个类似的天体系统，称为河外星系，或简称星系，甚至确指仙女大星云即是一个很好的例子。可是当时人们对星云的精细结构缺乏了解，更不知道它们的距离，无从妄下断语。 1837年，斯特鲁维测定了织女星的周年视差（由于地球绕日公转而产生的天体方向变化）为0.125角秒，这意味着它与太阳的距离为日地距离（1.5亿千米）的165万倍，远远超出了太阳系的边界（日地距离的40倍）。1912年，勒维特发现造父变星（其亮度由于星体的膨胀收缩运动而发生周期性变化的一类变星）的光变周期同光度之间存在确定的关系，使测定包含这类变星的遥远恒星集团的距离成为可能。6年以后，沙普利分析当时已知的100多个球状星团的距离和视分布资料，得出银河系是一个直径达10万光年的透镜形庞大天体系统，太阳并不处于其中心的正确结论。1924年，哈勃发现仙女座大星云中的造父变星，根据周期光度关系推算出它远在银河系之外，是尺度同银何系相当的巨大恒星系统。这一重大发现最终结束了多年来关于这类旋涡状的星云是近邻天体还是银河系外“宇宙岛”的争论，“将人类认识的宇宙范围从恒星组成的银河系扩展到由众多星系组成的更广阔的世界。这个包括银河系在内由众多星系组成的世界，就是我们今天所了解的宇宙。进入20世纪以来，由于人类科学技术的飞速发展，天文观测手段出现一次又一次的革命性的进展，观测到了上百亿光年的宇宙空间，了解到天体的上百亿年的时间演化。天文学家们对这样的大尺度空间和悠久的时间里的物质演变产生了浓厚的兴趣。如何解释已观测到的许许多多客观事实，如何利用现代物理学对这许许多多观测事实给予科学的说明？这些就是现代宇宙学的任务，它是天文学中的一个分支。也就是说，现代宇宙学从整体上研究大尺度的时空性质，物质运动的规律。它是当代天文学中最活跃的前沿阵地之一。现代宇宙学的最大特征是必须尊重观测到的客观事实，不能凭想象。而且必须能在理论物理学的基础上给予科学的说明。它涉及到恒星的起源和演化，星系的起源和演化，元素的起源和演化等多方面的基础理论问题。人们最想知道的是：宇宙是什么样子呢？宇宙有多大？宇宙的结构如何？宇宙有没有诞生之日和终结之时？ 20世纪以来，天文学家们建立起多种宇宙模型。概括起来主要有两大派别：一类叫稳恒态宇宙模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的，稳恒不变。不仅在空间上是均匀的，各向同性的，而且在时间上也是稳定的。这是1948年英国天文学家邦迪（Hermann Bondi;）等人提出的；另一类叫演化态模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。这是1922年，苏联数学家弗里德曼（Friedmann）在解爱因斯坦引力场方程时得到的。在众多的宇宙模型中，目前影响较大的是热大爆炸宇宙学说。 热大爆炸宇宙学认为，大约在150亿年前，在一个致密炽热的奇点发生了惊人的热大爆炸。这场爆炸后，形成迅速的膨胀，逐渐形成了我们今日可见的宇宙。这就告诉我们，不仅宇宙间的万物在演化，大尺度的宇宙本身也是演化的主体。那么，现在有没有观测到的事实来支持这个观点呢？上面介绍的有关星系的红移现象和哈勃定律等，都支持了宇宙还在膨胀之中的论点。另外，20世纪60年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认为，星空背景普遍存在着2.7K微波背景辐射，这种辐射在天空中是各向同性的。这同由理论预言的热大爆炸遗留下的余热相符，有利地支持了大爆炸宇宙学的观点。但是，热大爆炸宇宙学也有些根本性问题没解决。如大爆炸前的宇宙是什么样，大爆炸是怎么引起的、宇宙的膨胀未来是什么结局？。关于宇宙的问题虽然没有解决，但是，我们可以看到两个伟大的事实：一、人是宇宙物质演化的结果。而人的思维又反过来认识宇宙间的万物，充分体现了人的智慧和力量的伟大；二、人类对宇宙的认识，特别是近几十年来在观测事实和理论分析中都有巨大的飞跃，它预示着未来会有突破性的伟大成就，这是人类社会和科学发展的规律，我们每个人都不是局外人。人类探索宇宙的眼睛望远镜望远镜最初1608年出现在荷兰。天文学家伽利略敏锐地意识到望远镜对于天文观测的意义，于次年制成第一架天文望远镜。他使用平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜，制作了一架口径4.2厘米，长约1.2米的折射式望远镜。后来，人们把这类望远镜称为“伽利略式望远镜”。伽利略用这架望远镜获得许多重要发现，如月亮的环形山、金星的位相、木星的卫星等，为当时还处于假说阶段的“日心学说”提供了观测方面的证据，被誉为“天空中的哥伦布”。从此，天文学跨入了用望远镜观测、研究天象的新时代，人类的眼光开始深入宇宙。1611年，德国天文学家开普勒又将天文望远镜做了改进，用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，这类望远镜被称为“开普勒式望远镜”。直到今天，人们使用的折射式望远镜还是上述这两种。折射望远镜的制作有一定困难，其口径越大，镜筒就越长，而巨大的光学玻璃浇制也十分困难，到1879年美国芝加哥大学叶凯士天文台的直径为1.02米的望远镜启用，折射望远镜的发展达到顶点，一直到今天，它仍然是世界上最大的折射望远镜。1668年，牛顿用反射镜代替折射镜发明了第一架反射式望远镜。几经改良后，反射式望远镜被广泛应用于天文观测中。一代望远镜制作宗师、天文学家赫歇尔一生制作了许多大型望远镜。1781年，赫歇尔用自制的望远镜做巡天观测时发现了天王星，使太阳系的范围扩展了一倍。他还通过望远镜，并利用统计法第一个确定了银河系形状大小和所包含的恒星数量，使人们首次了解了我们所处的星系。由于赫歇尔开创了银河系恒星天文学的研究，他被称作恒星天文学之父。1918年，口径为2.5米的胡克望远镜在美国投入使用，这是第一台能够帮助人们确定银河系实际大小和太阳系所在位置的望远镜。早在18世纪，德国哲学家康德就提出，在银河系以外，还有“数量无限的世界和星系”，所谓的星云其实应该是和银河系一样的星系，但在他的年代，没有一支望远镜强大到足以支持他的观点。利用胡克望远镜，美国天文学家哈勃分辨出仙女座大星云并非是银河系的组成部分，而是远离银河系的另一个星系。哈勃的发现证实了河外星系的存在，开创了银河外天文学的研究，让人们的视线延伸到了银河系之外。同时，哈勃还利用望远镜观测了近30个星系，发现所有星系均彼此远离，进而证明宇宙正在膨胀，为20世纪40年代末大爆炸宇宙理论的提出提供了观测上的证据。1948年，直径5米的海尔望远镜在美国加州投人使用，这台以美国天文学家海尔命名的反射式望远镜，可以拍摄到暗至23等的天体和远达10亿光年的星系，使人类认识的宇宙范围进一步扩展。随着人们对望远镜性能不断加以改进，并且越做越大，望远镜可以观测到更多、更暗的天体和取得更高的分辨率。目前，世界上最大光学望远镜的口径已达到10米，是两台美国安装在夏威夷的凯克望远镜，因其经费主要由企业家凯克捐赠而命名。其他大型望远镜还有欧洲南方天文台的甚大望远镜、美国的双子望远镜、日本的昂星团望远镜等，它们的口径都是8米。这样的大望远镜，可以让我们沿着时间的长河，探寻宇宙的起源，凯克望远镜更是可以让我们看到宇宙最初诞生的时刻。自望远镜发明300多年来，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。但光学望远镜接收的只是天体发射的可见光波段。20世纪中期，出现了用于接收天体的无线电波的射电望远镜，这是天文学发展史上的又一次飞跃，使人类对宇宙的认识从可见光波段扩展到射电波段。目前世界上口径最大的射电望远镜直径为305米，它是美国阿雷西博射电天文台的抛物面射电望远镜，这是一台天线固定的射电望远镜，利用地球的转动来改变天线指向。由德国建筑的直径100米的全向转动抛物面射电望远镜，是世界上最大的可转动单天线射电望远镜。随着射电望远镜的发展，人们将多台射电望远镜组合在一起，组成巨大的天线阵列，使其灵敏度和分辨率大大超过单个望远镜。20世纪60年代，天文学的四大发现类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，都是用射电望远镜观测得到的。今天，射电天文学仍然在字宙学、星系演化、恒星物理、探索地外生命等研究中扮演着重要角色。由于地球大气对电磁波的严重吸收，在地面上只能进行射电、可见光和部分红外波段的观测。随着空间技术的发展，人类可将观测仪器发射到宇宙空间，使天文观测得以摆脱地球大气的影响。从此，天文学的发展进入了从地面观测跃入空间观测的新时期，探测到更多宇