二十世纪的天文学.ppt

二十世纪天文学与地质学发展概况报告人 戴玉 二十世纪的天文学 十九世纪中叶诞生的天体物理学 在二十世纪一跃而成为天文学的主流 二十世纪四十年代后期 利用毫米波 米波等探测设备 研究天体的新学科 六十年代 航天时代的到来 使天文学冲破了地球大气的禁锢 人类开始到大气外去探测宇宙 使我们得以考察大到150亿光年空间深度的天象 并追溯早于150亿年前的宇宙事件 首先 介绍观测技术的发展 因为观测技术的进步 推动了我们对宇宙空间认识 进而 验证了我们的关于宇宙的假设和理论 第一 早期的望远镜 牛顿手制的反射望远镜 早期的折射望远镜 古代观测天体 第二 现代反射望远镜20世纪天文史的发展 大型反射望远镜功不可没1917年11月 胡克望远镜 正式启用了 整个望远镜重90吨 可以很方便地操作 并以很高的精度跟踪恒星 它在以后的30年内一直是望远镜之王 它是第一架 也是30年内唯一能够提供银河系实际大小和太阳系所处位置信息的仪器 1948年 当时世界上最为完善的 海尔反射望远镜 研制成功 它的成型镜面净重14 5吨 镜筒重140吨 整个望远镜的可动部分重达530吨 它拍摄和分辨遥远天体的能力比 胡克望远镜 要优越得多 它能拍摄23等的暗星 能探测距离我们远达几亿光年的暗弱星系 在以后许多年后 尽管许多国家造出了规格更高的望远镜 但都没能超过 海尔望远镜 前苏联天体物理台的6米反射镜 镜体长25米重77吨 其大小堪称第一 但就其性能而言 它仍然没能超过口径5米的海尔望远镜 前苏联6米反射镜 澳大利亚国家射电天文台 美国夏威夷的8米光学望远镜 第三 太阳望远镜1930年第一架法国天文学家李奥研制的日冕仪诞生了 这种仪器能够有效地遮掉太阳 散射光极小 因此可以在太阳光普照的任何日子里 成功地拍摄日冕照片 从此以后 世界观测日冕逐渐兴起 日冕仪只是太阳望远镜的一种 20世纪以来 由于实际观测的需要 出现了各种太阳望远镜 如色球望远镜 太阳塔 组合太阳望远镜和真空太阳望远镜等 太阳塔又名塔式望远镜 是太阳物理观测的基本工具 外形是塔式建筑 通常高20米以上 塔的顶部安装定天镜 它将入射的太阳光线垂直向下反射 进入成像光学系统和附属仪器 太阳塔通常建为双层结构 除顶部有定天镜外 中间安置太阳望远镜成像光学元件 在塔底或地下竖井内设置大型太阳摄谱仪和其他附属仪器 真空太阳望远镜是将全部成像光学元件都放在真空筒中 这种望远镜可以消除仪器内部气流对成像的有害影响 最著名的真空太阳望远镜在美国萨克拉门托峰天文台 这台仪器安装在宁静度很高的高山上的 能够观测非常小的太阳表面和低层大气的组织结构 分辨率相当于辨认出距离96千米处一块汽车牌照的能力 它代表了地面太阳仪器的最高水平 其次 介绍射电天文学方面的研究 随着无线电技术的发展 天文的研究进入一个新的阶段 20世纪初期人类还不能完全捕捉到天体释放出辐射的电磁波谱 这是当时天文学家的遗憾 第一个发现来自宇宙无线电波的是美国电信工程师央斯基 1905 1950 1940年 雷伯在美国用自制的直径9 45米 频率162兆赫的抛物面型射电望远镜证实了央斯基的发现 并测到了太阳以及其他一些天体发出的无线电波 射电天文学给人类带来的宇宙信息是无比丰富的 50年代 射电天文学家们就已经对太阳射电进行了卓有成效的研究 描绘了银河系旋臂结构的全景 60年代更有类星体 脉冲星 星际分子和宇宙微波背景辐射四大发现 70年代详细研究了一批射电星系核和类星体 发现了令人难以置信的超光速运动 阿雷西博射电天文台的抛物面射电望远镜 20世纪射电天文学四大发现 类星体 脉冲星 星际分子和微波背景辐射 从前 人类只能看到天体的光学形象 而射电望远镜则为我们展示出天体的另一面 无线电形象 由于无线电波可以穿过光波通不过的尘雾 射电望远镜能够深入到以往凭光学方法看不到的地方 银河系空间星际尘埃遮蔽的广阔世界 在射电望远镜诞生以后 才第一次为人们所认识 1960年发现了第一个类星体 它的最大特征就是光谱线的红移特别大 这表示它离我们地球非常远 竟有几十亿到上百亿光年以上 另一方面 类星体的光度要比整个银河系 银河系约有1000亿颗恒星 还要强100 1000倍 身电亮度更要强10万倍 可是类星体的体积却很小 只有银河系的几千万分之一 是什么原因使类星体能在如此小的体积内积聚着这样巨大的能量呢 是不是存在着一种我们今天还没有了解的新能源呢 随着多年来观测资料的积累 但它们的本质还是一个谜 1967年 两位英国天文学家在天空中观测到一个奇特的射电源 它们以极其精确的周期重复地发出一个个射电脉冲 脉冲的精确度胜过普通手表 起初 天文学家们甚至怀疑它们是来自宇宙中的高级生物向我们发送无线电报呢 后来又陆续发现了一系列这样的天体 经研究 天文学家认识到 这是一种新的天体 快速自转的中子星 称为脉冲星 脉冲星 现在 已经发现的脉冲星有550多个 脉冲星的质量与太阳差不多 体积却十分小 通常直径只有10 20千米 因此密度很大 1立方厘米的脉冲星物质竟有1亿吨 是太阳核心物质密度的1万亿倍 脉冲星表面温度在1000万摄氏度以上 核心温度更高达60亿摄氏度 在这种高温高压下 物质处于一种奇异的状态 中子态 即原子的外层电子全部被挤入原子核而与核内正电荷中和 结果 原子核呈中性不带电状态 核与核紧密相连地排在一起而使体积大大缩小 现在 不少人认为 脉冲星是种年老的恒星 因其核燃料消耗完毕 引起了一场灾变而坝缩的结果 脉冲星的发现者也因此获得1974年诺贝尔物理学获 脉冲星及其伴星 1965年 两位美国物理学家在寻找干扰卫星通信系统的噪声源时 偶然发现天空的各个方向都有着一种微弱的微波辐射 它们相应于绝对温度为3K的黑体辐射 这种辐射来自宇宙深处 各个方向上几乎完全相同 可见宇宙并不是 真空 这个现象在天文学上称为微波背景辐射 当年报道这项发现的论文虽然只有短短的600字 可是却震撼了整个天体物理学界和理论物理学界 那两位发现者还因此荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖 20世纪60年代初 人们在对星际空间中的厘米波和毫米波射思辐射作了大量的观测以后 出人意料地发现了多种多样的以分子形式存在的宇宙物质 其中不仅有简单的无机物 还有复杂的有机分子 星际分子与恒星的演化有着密切的关系 更重要的是 星际有机分子的发现 为宇宙生命起源的研究提供了重要的线索 宇宙中广泛存在着星际有机分子 20世纪60年代天文学中的这四大发现 对于天文学的发展和人类认识宇宙都是非常重要的 再次 我们介绍空间天文学方面的内容 40年代探空火箭技术和气球技术 以及50年代末人造卫星的上天 使天文学家宿愿终于实现 从此天文学从地面观测跃进到空间观测 从狭窄的光学波段 射电波段扩展到整个电磁波段 于是天文学便进入了全波段天文学 这是天文学发展史上的又一次飞跃 从此红外天文学 紫外天文学 X射线天文学和 射线天文学相继应运而生 在人类面前展示了一幅更加绚丽多彩的大宇宙图象 射电波段 虽然早在三十年代初央斯基等人就发现了来自地球以外的宇宙无线电波 但用无线电方法接收并研究天体的辐射 则是四十年代后期的事 那时 海伊 博尔顿 赖尔等人相继探测宇宙辐射 从而建立了射电天文学 三十多年来 从直径只有几米的抛物面天线 发展到今天的305米固定式抛射面天线 从当年怀尔德的射电频谱仪 1949年 克里斯琴森的射电干涉仪 1951年 进展到现代综合孔径射电望远镜和甚长基线干涉仪 通过大气窗口 探查到银河系核心的活动 描绘了旋涡结构 发现50多种星际分子 100多个超新星遗迹 300多个脉冲星 上千个射电星系和类星射电源 探测到各向同性的宇宙微波背景辐射 并试图与可能存在的地外文明取得联系 红外辐射是60年代被发现的 红外天文学的研究在地面和高空以及外层空间全面展开 红外波观察绝对温度四千度以下的天体 包括太阳系中的行星 卫星和彗星 红外辐射可以提供关于恒星的出生和死亡的宝贵知识 第一颗红外天文卫星于1983年升空 它是美国 英国 荷兰共同研制的 上面装有一架60厘米的红外望远镜 它发现了三十多万个新天体 第一颗红外天文卫星 紫外波段 地球大气对波长短于4000埃的辐射完全不透明 人们习惯地把4000 100埃波段叫紫外波段 其中1700 100埃波段称远紫外波段 早在1946年就用高空火箭取得了太阳的紫外光谱 1962年以来从轨道太阳观测台系列获得大量太阳的紫外发射线光谱资料 1968年发射的轨道天文台2号 载有一紫外接收器 记录了5 761个紫外辐射源 它们是近距热星的冕 有激烈活动的亚矮星 热亚矮星 白矮星 行星状星云 耀星 矮新星和脉冲星 特德 1A TD 1A 紫外天文卫星的分光光度测量表明 实测到的能量分布同理论模型所预期的有所偏离 X波段 100 0 01埃波段的辐射称为X射线 六十年代以来 由于轨道太阳观测台系列的发射成功 太阳X射线方面的工作首先获得成果 查明太阳X辐射的三个成分及其不同的辐射区 七十年代以后 进一步查明了太阳X射线爆发的能谱和偏振 发现X射线耀斑和冕洞 在非太阳X射线天文学方面 早在1962年 第一次发现天蝎座方向的一个强大的X射线源 1969年发现蟹状星云脉冲星NP0532的X脉冲辐射 1970年第一个观测X射线的小型天文卫星 美国的 自由号 进入巡天轨道 随后 荷兰天文卫星 英国的 羚羊 5号 印度的 阿耶波多号 Aryabhata 美国的小型天文卫星 C 轨道太阳观测台8号 维拉卫星 高能天文台1号和2号等X射线卫星和高能天文台相继探空 自由号 的资料到1977年已编出四个X射线源表 根据贾科尼 古尔斯基等人证认 在 自由号 星表中的339个X射线源中 有能量集中在X波段的 处于演化终端的X射线星 脉冲星 超新星遗迹 偶现源和爆发源 球状星团 塞佛特星系 类星体和星系团 其中1975年发现的宇宙X射线爆发 是七十年代天体物理学的重大发现之一 X射线天文学诞生以来只有十几年的历史 它已为我们展示了一幅与光学天空完全不同的宇宙面貌 X射线天文 光学天文和射电天文已构成二十世纪天文学的三个鼎足而立的强大支柱 射线 人们把波长短于0 01埃的辐射称之为 辐射 它是波长比X射线还要短的电磁辐射 宇宙中许多过程都能产生 射线 1962年两个月球轨道上的卫星 徘徊者 3号和5号发现了弥漫宇宙 射线辐射 1972年两次太阳耀斑事件中探测到 射线爆发 1973年证实宇宙 射线爆发 到1978年底 探测到的银河系 射线源一共只有13个 其中8个已证认为超新星遗迹 哈勃空间望远镜 太阳系的探测 海耳 美国著名天文学家 威尔逊山天文台 威尔逊山天文台 巴布科克父子继承海耳的太阳研究传统 于二十世纪五十年代初 研制出太阳光电磁像仪 进一步推动太阳活动规律和活动区物理的探讨 1931年法国李奥制成日冕仪 使人们在不发生日食的时候也能观察日冕 探索太阳高层大气 五十年代以来 射电观测已成为太阳服务的常规项目 X射线太阳巡视也是小型天文卫星的主旨之一 1962 1975年间发射了8个环绕地球的轨道太阳观测台 OSO 1973年天空实验室进入轨道 都为深入认识太阳活动和日地关系提供了空前丰富的资料 太阳耀斑 太阳系行星的研究20世纪上半叶 天文学家用天体物理学的方法研究行星和它们的卫星 获得了丰富的行星和卫星的物理信息 人们对火星的研究更为关注 经过反复观测 断定火星大气中氧和水蒸气的含量不会超过地球上相应面积含量的几千分之一 这表明火星上存在高级形式生命的可能性极小 并且测得火星的大气压最多只有65毫米水银柱 后来又发现火星大气中有微量的二氧化碳 确认火星的极冠是由冰组成的 通过对地球的近邻 金星的观测表明 金星具有浓密的大气 并有变幻莫测的气象现象 天文学家们测得金星表面向着太阳一面的平均温度高达 66度 赤道地区可达 95度 木星 土星 飞越各大行星的 旅行者 号 1973年美国发射的 水手 10号探测器 美国 海盗 号着陆器在火星表面软着陆 火星极地着陆者 探测器 对月球的空间探测1957年人类进入太空时代以后 对太阳系的研究发生了根本的变化 对月球进行多学科的研究 1961年美国 阿波罗 计划开始 先后执行 徘徊者 月球勘测者 月球轨道飞行器 三个辅助计划 阿波罗 月球勘探者 徘徊者 1966年正式实施 阿波罗 登月计划 1972年结束 1969年7月20日 阿波罗 实现了第一次人类登月的创举 对月球进行了观测 照相 采样 还在月面上安装了各种实验仪器 发射了月球卫星 前苏联的 月球号 探月计划 首次拍得月球背面照片 据此天文学家绘制了世界第一张月背图 该计划的实施 使月球有了自动科学站 由地面站操纵 在月球上自动执行考察任务 对月球的太空探测 使人类对它的认识进入了崭新阶段 对月球的深层研究开始 前苏联的月球号探测器 恒星起源和演化的研究十九世纪末 哈佛大学天文台在E C 皮克林和坎农的领导下 根据物端棱镜光谱 着手恒星分类 1890 1936年 陆续出版载有272 150颗恒星光谱一元分类的 亨利 德雷伯星表 HD星表 及其补编 HDE星表 为建立恒星表面温度序列奠定了基础 1905年 赫茨普龙根据光谱特征 确认恒星有巨星和矮星之分 他和H N 罗素分别绘制银河星团的星等 色指数图和已知距离的恒星的绝对星等 光谱型图 从中发现恒星分布的规律 绝大多数恒星处在所谓的主星序上 而巨星和白矮星则分别弥漫在主星序之上的巨星分支中和主星序的左下角 H N 罗素还提出恒星在图上的演化走向 后人把恒星的光谱光度图称为赫罗图 处于主星序阶段的恒星 1937年柯伊伯首先发现 一些银河星团在赫罗图上的位置差异可以用年龄不同加以解释 这说明赫罗图是探讨恒星演化的有效工具 赫罗图 1938年贝特指出 主序星的能源是氢变氦的热核反应 成功地阐明了恒星的产能机制 为理解太阳型恒星1010年的演化过程奠定了基础 博克等人的光学观测 以及六十年代以来贝克林 斯特罗姆等人的红外观测 都表明恒星起源于星际暗云 因吸积 收缩而成原恒星 或称星胚或星胎 人类对恒星的形成和演化的认识和理解 是二十世纪天文学的一项重大成就 银河系的研究二十世纪初 卡普坦通过恒星计数和光度函数的统计研究 建立了以太阳系居中的 直径长40 000光年的银河系模型 1918年 沙普利对太阳系为银河系中心的传统观念提出挑战 他分析了当时已知的球状星团的视分布 并根据造父变星的周光关系估算它们的距离 从而得出银河系是直径300 000光年 厚30 000光年的透镜型的恒星和星云系统 银河系中心在人马座方向 太阳距银心50 000光年 这是哥白尼日心说以来 宣布太阳系并非居宇宙中心地位的壮举 半个世纪中 沙普利模型的形状经受了新的观测事实的考验 已为世人所公认 不过 由于不正确地假定星际间无吸光物质 对距离尺度估计得偏高 直到1930年 特朗普勒通过研究银河星团而证实星际吸光的存在 才重新订正银河系模型的大小 今日的公认值是直径约81 500光年 厚约3 300 6 600光年 太阳距银心约32 600光年 1926年 林德布拉德指出 恒星运动的不对称效应是银河系自转的反映 随后 银河系的较差自转为奥尔特所证实 并求出太阳以每秒250公里的速度 沿圆轨道绕银心运动 估计2 5亿年公转一周 他还估算出银河系的质量是1 4 1011太阳质量 根据河外星系的启示 人们推测银河系也有旋涡结构 五十年代初 摩根的高光度星空间分布研究和奥尔特等人的中性氢21厘米谱线射电分析 都确切地描绘出银河系旋涡结构和旋臂 六十年代 林家翘比较成功地用密度波理论解释了旋涡结构及其维持机制 1944年 巴德基于星团赫罗图的研究 提出星族概念 并将恒星划分为星族 和星族 两大类 星族 1957年 在梵蒂冈召开的一次国际学术会上 按照恒星的空间运动速度 距银道面的距离 向银心的聚集程度 氦含量和年龄等参量 把星族又细分为中介星族 旋臂星族 极端星族 盘星族 中介星族 和晕星族 极端星族 这五个次系的成员天体构成银冕 银晕 银心 银盘和旋臂 第一星族和第二星族 星系世界1912年 勒维特观测小麦哲伦云的造父变星 发现周光关系 从而推测小麦哲伦云的距离可能十分遥远 也许在银河系之外 1924年底 哈勃宣布他利用造父变星的周光关系 计算出仙女星系 M31 人马不规则星系 NGC6822 的距离 指出它们是银河系以外的恒星系统 从那时起 诞生了星系天文学 古老的宇宙岛观念被证明是客观现实 在银河系之外 天外有天 的大宇宙概念的建立 是二十世纪天文学的又一重大成就 仙女座河外星系 1929年 哈勃发现河外星系的谱线红移量和星系距离成正比关系 假若承认红移是天体退行运动的多普勒效应 那么红移 距离关系意味着星系普遍退行 而它们所处的空间整体在膨胀 宇宙膨胀正是相对论宇宙学所预期的结果之一 1956年 M L 哈马逊把红移 距离的线性关系扩展到红移z 0 20 即退行速度达到光速的1 5 1977年 桑德奇更延伸到z 0 75 即退行速度为光速之半 按此而求出的距离已超过50亿光年 这就是我们生活于一个不断运动并演化着的宇宙中的观测依据 1929年 哈勃发现河外星系的谱线红移量和星系距离成正比关系 假若承认红移是天体退行运动的多普勒效应 那么红移 距离关系意味着星系普遍退行 而它们所处的空间整体在膨胀 宇宙膨胀正是相对论宇宙学所预期的结果之一 1956年 M L 哈马逊把红移 距离的线性关系扩展到红移z 0 20 即退行速度达到光速的1 5 1977年 桑德奇更延伸到z 0 75 即退行速度为光速之半 按此而求出的距离已超过50亿光年 这就是我们生活于一个不断运动并演化着的宇宙中的观测依据 六十年代 在星系世界陆续发现了以106 108年为时间尺度的激扰现象和活动异常的特殊天体 例如 河外射电源和X射线源 类星体 与以1010年为演化尺度的绝大多数正常星系相比 它们的存在只是短暂的瞬间 七十年代以来 探索远达百亿光年以上的宇宙深空已成为现代天文学的主要课题 最后 介绍空间站的建设 空间站是人类在太空进行各项科学研究活动的重要场所 1971年 前苏联发射了第一座空间站 礼炮 1号 1986年8月 最后一座 礼炮 7号停止载人飞行 礼炮 1号 1973年5月14日 美国发射了空间站 天空实验室 1974年天空实验室封闭停用 并于1979年坠毁 美国的 天空实验室 空间站 1983年 欧洲空间局发射了 空间实验室 它是一座随航天飞机一同飞行的空间站 1986年2月20日 前苏联发射了 和平 号空间站 它全长超过13米 重21吨 设计寿命10年 由工作舱 过渡舱 非密封舱三个部分组成 有6个对接口 可与各类飞船 航天飞机对接 并与之组成一个庞大的轨道联合体 和平 号空间站 国际空间站 二十世纪宇宙学曾几何时 人类对宇宙的认识是如此的肤浅 从十八世纪到十九世纪 牛顿的无限宇宙模型在宇宙学理论中占据了统治地位 这一模型认为 宇宙在时间上是永恒的 没有开端和起点 在空间上是无限的 没有边缘和界限 假如有谁提出宇宙的时间和空间是有限的 那么很难想象 在宇宙诞生之前自然界是一个什么样子 宇宙边界之外又存在着什么 1917年 爱因斯坦发表了 根据广义相对论对宇宙学所作的考察 一文 文中他提出了现代宇宙学的第一个宇宙模型 即有限无边的静态宇宙模型 在这个模型中 爱因斯坦预先做了一个 近似性假设 认为从大尺度来考察 宇宙间的物质是均匀分布且是各向同性的 这一假设后来成为许多现代宇宙模型的前提 并被称为 宇宙学原理 这一原理可进一步表述为 宇宙中没有任何一点具有优越性 所有的位置都是平权的 静态宇宙模型认为 宇宙一直保持静止不变 爱因斯坦通过求解广义相对论的引力场方程 提出了 静态 有限 无界 的宇宙学观点 同年 荷兰天文学家德西特也提出一个静态宇宙模型 他认为宇宙空间不随时间而变化 但宇宙物质却存在着运动 物质的平均密度趋于零 1922年 前苏联数学家弗里德曼发表了著名论文 论空间的曲率 重新求解了爱因斯坦的引力场方程 建立了弗里德曼宇宙模型 他指出 这一方程是多解的 既存在着爱因斯坦型 德西特模型那样的静态解 也存在着两类膨胀解和一类振荡解 此后 人们对弗里德曼宇宙模型做了进一步研究发现 宇宙究竟是单调膨胀还是振荡 关键取决于宇宙内物质平均密度 与临界密度 c的比值 1927年 比利时天文学家勒迈特通过求解引力场方程 也建立了一个膨胀的宇宙模型 他把当时已观测到的河外星云光谱普遍性红移现象 解释为宇宙膨胀的结果 1929年 美国天文学家哈勃发表文章指出 河外星云的谱线红移与它的距离成正比 也就是说 越远的星系正以越快的速度远离我们而去 距离与退行速度成正比 这就是著名的哈勃定律 哈勃定律的发现 使弗里德曼 勒迈特等人膨胀的宇宙模型在二十世纪三十年代盛极一时 哈勃定律 1948年 英国天文学家霍伊尔 邦迪和戈尔共同提出了稳恒态宇宙模型 稳恒态宇宙模型以完全宇宙学原理 空间 时间都高度均匀 为前提 认为宇宙状态应该是始终保持不变的 但由于宇宙的膨胀 星系间平均距离不断增大 势必导致物质分布密度变小 这就要求在引力场方程中引进物质的创生项 以保持密度的连续稳恒状态 稳恒态宇宙模型拒绝宇宙有一个开端 实际上是静态宇宙模型考虑膨胀因素的修正版 它没有起源困难 但怎样使这种宇宙物质源源不断地产生出来 则令人费解 这一过程违反了质能守恒定律 另外 它难以解释微波背景辐射 目前星系分布情况和射电源计数情况与该理论所预言的也不相符 九十年代初 尽管准稳恒态宇宙模型对这一理论进行了修补 但是 在此模型中 近似无限长的宇宙年龄 仍没有使奥伯斯夜晚的天空亮起来 实在令人感到奇怪 大爆炸宇宙学说1948年 天文学伽莫夫把宇宙膨胀和物质演化联系起来 提出了一种全新的宇宙学理论 这就是现代天文学中最有影响的大爆炸宇宙学说 乔治 伽莫夫 宇宙大爆炸 大爆炸宇宙学说所面临的问题 1 奇点 疑难 2 视界 疑难 3 平坦性 疑难 4 宇宙大尺度结构 疑难 5 宇宙红移的 超光速 疑难 6 哈勃常数 疑难 第一个问题是 奇点 疑难 原始的宇宙大火球是一个密度无限大 温度无限高的 奇点 宇宙中所有的物质和能量都集中于这一点 就现有的物理学理论 无法给出这一 奇点 任何物理状态上的描述 第二个问题是 视界 疑难 天文观测表明 分布在宇宙中的微波背景辐射是高度各向同性的 强度的起伏不到万分之一 因此 可以推测 各处的微波背景辐射是有联系的 然而 大爆炸宇宙学说却不允许有这种联系 它无法给出宇宙的这种均匀性 我们今天观测到的宇宙是由很多区域构成的 但这些区域在宇宙演化的早期并没有来得及建立任何因果联系 就已经相互分离 视界距离小于宇宙膨胀的尺度 那么 它们为什么在后来的大尺度上 却表现出如此惊人的均匀性呢 第三个问题是 平坦性 疑难 只有假设宇宙之初几乎是平坦的 今天观测到的宇宙才会如此平坦 也就是非常接近于临界状态 但根据广义相对论 最初的宇宙空间是极度弯曲的 那么 它又是如何被迅速 熨平 到临界状态的呢 第四个问题是 宇宙大尺度结构 疑难 进入八十年代 天文学家们发现 星系在宇宙中的分布具有聚集成巨大的纤维状和薄片状结构的倾向 在星系聚集区纤维状结构之间 是数亿光年无星系的 巨洞 这就是宇宙的大尺度结构 宇宙大尺度结构显然是在星系的聚集过程中形成的 而大爆炸宇宙学说则认为宇宙中的物质处在分离运动状态 理论与现实之间存在着矛盾 第五个问题是宇宙红移的 超光速 疑难 在宇宙早期 人们无法推测宇宙大爆炸的那一刻物质的分离速度 但我们今天却能观测到宇宙的这种膨胀效应 这就是类星体的红移 按多普勒效应计算 只要天体的红移值Z 1 25 就预示着这一天体以光速退行 根据狭义相对论的观点 物体的运动速度以光速为极限 就是说 宇宙中不应该有红移值超过1 25的天体 然而 在实际天文观测中 天文学家已发现了上千个红移值大于1 25的类星体 上百个红移值大于3 0的类星体 据说在接近可观测的宇宙边缘 已发现了红移值接近5 0的类星体 显然 无限膨胀的宇宙已超出了光速极限的束缚 理论对此无法做出解释 况且我们又是如何看到退行速度大于光速的天体呢 第六个问题是 哈勃常数 疑难 因为哈勃常数的倒数就是宇宙的年龄值 所以这是一个关于宇宙年龄的问题 天文学家已经测定 宇宙中最古老的球状星团的年龄是160亿年 这应该是宇宙年龄的下限 然而 自哈勃定律问世以来 所测得的哈勃常数却始终是一个不确定量 一直在50 100间大幅度变化 若取H 75 则宇宙年龄为150亿年 比球状星团的年龄还要小 显然是不合理的 因而以哈勃定律为计算依据的大爆炸宇宙学说 至今仍没能给出宇宙的准确年龄 针对大爆炸宇宙学说所面临的种种疑难 物理学家们并没有放弃这一学说 而是从不同角度对它进行了补充和完善 二十世纪八十年代 麻省理工学院的粒子物理学家古斯等人将大统一理论中的真空对称自发破缺机制引进了宇宙学 提出了 暴胀宇宙 的概念 暴胀模型部分地解决了大爆炸宇宙模型所面临的困难 由于暴胀 宇宙所有性质几乎都在这个极短的瞬间散布到足够大的空间中 两个在暴胀前非常靠近的点 暴胀后虽然相距遥远 但仍在视界之内 也就保持了因果关系 或者说 今天的宇宙是从一个比标准模型所描述的原始状态小得多的区域产生出来的 它的所有部分在当时都有因果联系 从而解决了视界问题 由于急剧而充分的暴胀 极早期宇宙小得光的穿越足以保证了初始区域内的平滑 任何不规则性都会被这种空间的迅速扩展随即 熨平 同样 在不同方向上膨胀速度的任何变化也立刻被暴胀 淹没 了 如果引力作用是排斥的 假真空产生的负效应 而膨胀是加速的 这个对决将促使宇宙膨胀越来越接近于某种临界密度 被扩展得足够平坦 平坦性问题也迎刃而解了 尽管如此 面对宇宙在大尺度结构上物质的成团分布状况 与极其均匀的微波背景辐射共存的奇怪现象 以及宇宙红移等疑难 物理学家们仍然陷在困惑之中 考古学和天文学的结合 考古天文学的兴起 始于对英国索尔兹伯里以北的古代巨石建筑遗址 即著名的巨石阵所进行的研究 早在二百多年前就有人注意到 巨石阵的主轴线指向夏至时日出的方位 其中有两块石头 现在的标号为94号和93号石 的连线指向冬至时日落的方向 二十世纪初 英国天文学家洛基尔进一步研究了巨石阵他提出 从巨石阵中心望去 有一块石头 93号 正指向5月6日和8月8日日落的位置 而另一块石头 91号 则指向2月5日和11月8日日出的位置 因此他推论 在建巨石阵的时代 约公元前2000年 已有一年分八个节气的历法 他的工作引起了许多天文学家和考古学家的注意 人们猜测 巨石阵是远古人类为观测天象而建造的于是 对巨石阵进行了多次发掘 六十年代初 纽汉提出他找到了指向春分日和秋分日日出方位的标志 并提出91 92 93 94号四块石头构成一个矩形 矩形的长边指向月亮的最南升起点和最北下落点的方位 差不多同时 天文学家霍金斯使用电子计算机对巨石阵中大量石头构成的各种指向线进行了分析计算 又找出许多新的指示日 月出没方位的指向线 考虑到现存的巨石阵遗址是分三次 后相隔几个世纪建造的 而每次建造中都有指向日 月出没方位的指向线 因此霍金斯认为 巨石阵是古人有意建造的观测太阳 月亮的观象台 他甚至认为 巨石阵中56个围成一个圆圈的奥布里洞能用来预报月食 后来天文学家霍伊尔更认为巨石阵能预报日食 20世纪中国学者的天文学史研究 现代意义上的天文学史研究从20年代开始在中国起步 50年代和60年代得到迅速发展 80年代以后进入鼎盛时期 在过去100年中 出版专著 包括论文集 150多种 关于中国古代天文学史的研究处于世界领先地位 中国天文学史研究 是中国科学技术史研究最活跃 成果最多的领域之一 中国天文学的发展源远流长 有关史料浩如烟海 其内涵丰富多彩 包括有历法 天文仪器与台站 关于宇宙的理论 天体测量及星图与星表 天象观测与记录 星占术 天文学家传记 少数民族天文学 天文学起源 天文学社会史与中外交流史等诸多论题 中国20世纪7次日全食见Word 天文摄影作品 20世纪最后一次满月 图 人类进入太空的首次记录人类进入太空已39载 首次记录层出不穷 现摘选其中若干 1961年4月12日 前苏联宇航员加加林乘东方1号飞船升空 历时108分钟 代表人类首次进入太空 1965年3月18日 前苏联宇航员列昂诺夫走出上升2号飞船 离船5米 停留12分钟 首次实现人类航天史上的太空行走 1969年7月21日 美国宇航员阿姆斯特朗走出阿波罗11号飞船的登月舱 在月面停留21小时18分钟 成为人类踏上月球第一人 1971年4月9日 前苏联发射世界上第一艘长期停留在太空的礼炮1号空间站 1981年4月21日 美国成功发射并返回世界上首架航天飞机哥伦比亚号 使可重复使用的天地往返系统梦想成真 1984年7月25日 前苏联萨维茨卡娅离开礼炮号空间站 成为第一位在太空行走的女宇航员 1985年7月25日 王赣骏乘挑战者号航天飞机进入太空 成为第一位华裔宇航员 俄罗斯的波利亚科夫 于1994年至1995年间在和平号空间站上边停留438天 成为在太空时间呆得最长的男宇航员 而美国的露西德于1996年在和平号上信留了188天 成为在太空时间呆得最长的女宇航员 1986年1月28日 挑战者号航天飞机起飞时发生爆炸 7位宇航员全部遇难 成为迄今最大的一次航天灾难 1995年2月 发现号航天飞机上的美国宇航员科林斯成为第一位航天飞机的女驾驶员 1995年6月29日 美国亚特兰蒂斯号航天飞机与俄罗斯和平号空间站第一次对接 开始了总计9次的航天飞机与空间站的对接 为建造国际空间站拉开序幕 挑战者号缓缓升空 挑战者号航天飞机在空中爆炸 遇难的中学女教师麦考利夫 宇航员们登机前向人们告别 宇航员家属被惊呆了 二十世纪的地质学 地质学是关于地球的物质组成 内部构造 外部特征 各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系 地球自形成以来 经历了约46亿年的演化过程 进行过错综复杂的物理 化学变化 同时还受天文变化的影响 所以各个层圈均在不断演变 地质学是一门什么科学人类生存在地球上 它生活的环境和从事生产所需要的物质资料都离不开地球 远古时代我们的祖先便试着了解地球 因而有了Geology 地质学 这门学科 它与Geography 地理学 Geometry 几何学 Geomonphology 地貌学 等都是关于大地的论述 地质学真正成为一门独立的科学是在18世纪后半叶 随着认识能力的提高 探测手段的进步和资料知识的丰富 地质学的研究内容也在不断地扩大和更新 人类对地质现象的观察和描述有着悠久的历史 但作为一门学科 地质学成熟的较晚 地质学的研究对象是庞大的地球及其悠远的历史 这决定了这门学科具有特殊的复杂性 它是在不同学派 不同观点的争论中形成和发展起来的 现代地质学的发展进入20世纪以来 社会和工业的发展 使得石油地质学 水文地质学和工程地质学陆续形成独立的分支学科 在地质学各基础学科稳步发展的同时 由于各分支学科的相互渗透 数学 物理 化学等基础科学与地质学的结合 新技术方法的采用 导致了一系列边缘学科的出现 地震波的研究揭示了固体地球的圈层构造以及洋壳与路壳结构的区别 高温高压岩石实验研究 为人们认识地壳深处地质过程提供了较为可靠的依据 所有这些都促进了地质学研究从定性到定量的过渡 并向微观和宏观两个方向发展 20世纪50 60年代 全球范围大规模的考察和探测 使地质学研究从浅部转向深部 从大陆转向海洋 海洋地质学有了迅速发展 同时古地磁学 地热学 重力测量都有重大进展 为新的全球构造理论的产生提供了科学依据 在这个基础上 德国的魏格纳于1915年提出的与传统海陆固定论相悖离的大陆漂移说得以复活 20世纪60年代初 美国的赫斯 迪茨提出的海底扩展理论较好地说明了漂移的机制 加拿大的威尔逊提出转换断层 并创用板块一词 60年代中期美国的摩根 法国的勒皮雄等提出板块构造说 用以说明全球构造运动的基本理论 它标志着新地球观的形成 使现代地质学研究进入一个新阶段 大陆漂移 海底扩张与板块构造学说展开世界地图 明眼人一看就会惊异地发现 某些大陆边缘存在着惊