科学技术史（第2版） 第三篇 课件 第十九章 追寻宇宙边界的天文学

追寻宇宙边界的天文学第十九章PPT模板/moban/

目

录天文观测手段的进步

射电天文学宇宙的广度

对太阳能量的解释恒星的生命周期

宇宙演化的理论寻找暗物质天文观测手段的进步第谷是用肉眼观测天象的，伽利略最先把望远镜指向太空，使天文学进入望远镜观测的时代。近代以来，望远镜的口径不断增大，观测的距离和清晰度不断增加。1919年，英国人爱丁顿率领的日食观测队，就是用照相方法发现了恒星光线经过太阳引力场时的弯曲现象，证明了广义相对论的预言。19世纪以来，由于光学的进步，分光方法在天文学研究中得到进一步应用。爱丁顿20世纪50年代以来，随着航天技术的发展，人们已不再局限于大气层内的天文观测，开始了大气层外的天文观测活动。在这方面最著名的例子是1990年4月由美国人通过航天飞机送入太空的哈勃望远镜。这架望远镜起初的工作不很顺利，修好后传回了在地球表面不可能获得的天文信息：遥远宇宙的深处有织锦画般的星系，它们的形状如人的掌纹一样从不相像，其神奇瑰丽超过画家最狂野的想象。特别值得一提的是，哈勃望远镜还观测了1994年7月发生的苏梅克利维9号彗星撞击木星的全过程，对这一现象的完整而清晰的观测，使人类对太阳系和地球演化中的特殊事件有了深刻的直观认识。哈勃望远镜射电天文学20世纪天文研究最深刻的变化，是射电天文学的出现。射电天文学使天文观测的范围从可见光频率扩展到所有电磁波谱的频率范围，开辟了对不可见天体的研究，做出了一系列惊人的发现，在某种意义上导致了20世纪天文学的革命性进展。1928年，美国电信工程师央斯基参加了贝尔实验室的工作，专门搜索和鉴别电话的干扰信号。1931年，他在一些干扰信号中发现了一种每隔23小时56分4秒出现最大值的无线干扰。经过分析和研究，央斯基于1932年12月断言：这是来自银河系中心方向的射电辐射。央斯基1965年，美国贝尔电报电话公司的彭齐亚斯和威尔逊发现了一种原因不明、消除不掉的噪声辐射。1967年，英国人休伊什和他的研究生乔丝琳·贝尔发现了来自天空的强烈射电脉冲信号，并在研究后将射电爆发源称为脉冲星，后来美籍奥地利人戈尔德将它称为中子星。1968年，美国的射电天文学家已在银河中心区的星际云中发现了氨和水分子的谱线，第二年又发现了甲醛分子的谱线，说明星际存在着有机物质。20世纪60年代的射电天文学家还发现了类星体。彭齐亚斯宇宙微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子等射电天文学的四大发现，提供了宇宙中的特殊信息。20世纪70年代联邦德国建成的射电望远镜直径达100米，它可接收波长在厘米以下的射电波，并接收到极其微弱的无线电信号。2006年，墨西哥和美国建成了碟形天线盘径为50米的射电望远镜，可接收来自130亿年前的宇宙毫米波。中国于2011—2016年在贵州黔南建成了直径500米的射电望远镜FAST，至2024年4月又发现了900颗以上的脉冲星。贵州黔南的直径500米的射电望远镜FAST宇宙的广度从观察经验的角度看，20世纪以来天文观测的宇宙范围越来越广。1923—1924年，美国人埃德温·哈勃用当时世界上最大的反射式光学望远镜确认仙女座大星云不是银河系的弥漫星云，而是银河系以外的恒星系统。1943年，更大口径的望远镜把这个恒星系统的核心部分及两个椭圆形伴星群分解成一个一个的恒星。1912年，美国人斯里弗在把多普勒效应运用到河外星系的观测时发现，除了仙女座大星云外，所有河外星云都从地球退行而去，其速度远远高于普通恒星的视向速度。仙女座大星云哈勃在进一步观测和分析之后，于1929年确定：星系谱线的红移量与星系到我们的距离粗略地成正比关系。哈勃关系式第一次揭示了宇宙中恒星系的物理特征。恒星系的普遍退行在当时立刻被解释为宇宙的膨胀，成为苏联数学家弗里德曼和比利时天文学家勒梅特刚提出的大爆炸宇宙论的第一个论据。哈勃当时测出，当星系离我们的距离为100万光年时，其退行速度为150千米/秒。后来的天文学家将这个值估计为30千米/秒。埃德温·哈勃对太阳能量的解释爱因斯坦在1905年提出的E=mc2质能关系式，使人们第一次能够设想自然界存在着热、电、磁、光和机械能之外的潜在能量。随着20世纪20—30年代原子核物理学的发展，物理学家们开始认识到原子核反应中由于质量亏损而产生巨大能量的可能性。在这种情况下，德裔美国人贝特和德国人魏茨泽克于1938年分别独立提出了关于太阳能量的氢燃烧理论。魏茨泽克恒星的生命周期1905年，丹麦人赫兹普龙根据他对恒星照片的研究，发现了恒星颜色和光度之间的关系，提出了“绝对星等”概念。1914年，美国人罗素发表了同样的研究成果。贝特和魏茨泽克关于太阳能源的热核反应理论提出后，恒星演化的理论便随之产生。1950年，德裔美国人史瓦西指出，恒星从主序星向红巨星的迅速转变可用氢壳层燃烧与核心引力收缩两种模型来解释，这样便能大致描绘出恒星一生的过程。史瓦西1862年，由美国人克拉克观测到的由贝塞尔预言的天狼星的暗伴星便是一颗白矮星，它高达太阳503倍的高密度是量子力学理论建立起来之后才得到解释的。按照广义相对论，它的谱线将出现引力红移。1925年，美国人亚当斯观察到了与理论推算值大致相同的结果，既证明了白矮星的高密度，又验证了广义相对论。目前，天文学家们已观测到数以千计的白矮星。到1980年为止，已有330多颗中子星被发现。中子星宇宙演化的理论对于具有千亿个银河系的宇宙的演化来说据估计，可观测的宇宙中的星系超过1000亿个，银河系为其中之一，银河系中至少有2000亿颗恒星。19世纪天文学家们关于宇宙的两个佯谬却为现代宇宙学指出了探索的方向。第一个是德国人奥伯斯于1826年提出的光度佯谬。第二个是德国人西利格于1894年提出的引力佯谬。为消除上述两个佯谬，1917年爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙的考察》一文，提出了一个体积有限但没有边界的宇宙模型。这个模型被通称为“爱因斯坦宇宙”。荷兰人德西特根据爱因斯坦的考察提出了一个物质密度等于零但却不断膨胀着的宇宙模型。这是一个有运动无物质的空虚宇宙，后来被称为“德西特宇宙”。1922年，俄国人弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时得到了各向同性的均匀宇宙时空度规。1927年，比利时天文学家勒梅特在研究了“弗里德曼宇宙”模型后，提出了大尺度空间随时间膨胀的观念，建立了“勒梅特膨胀宇宙”模型。1929年哈勃提出哈勃关系式后，英国人爱丁顿最先把它与宇宙膨胀说联系起来，认为宇宙膨胀说得到了天文观测的证实。1932年，勒梅特从他的模型出发，提出一个宇宙演化学说，认为整个宇宙的物质最初集中在一个超原子宇宙蛋里，后来发生猛烈爆炸，碎片向四面八方散开，形成今天的宇宙。1946年，曾多年研究核物理的盖莫夫完善了勒梅特的理论，提出了系统的大爆炸宇宙论。斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯（RogerPenrose）等人提出了奇点定理，并据此来分析宇宙大爆炸和黑洞，这便是所谓量子宇宙论。斯蒂芬·霍金寻找暗物质如果一种物质是这样的，那么我们不但不能用光学望远镜看到它，也无法用射电望远镜发现它。这种物质是完全透明的，也没有电磁作用，是真正的“暗物质”。物理学认为，在宇宙的宏观尺度中，引力是运动的主宰，物质则是引力之源，不参与电磁作用的物质仍可有引力作用。天文学界在1998年得出的一种观测结论认为，宇宙由40%的物质和60%的隐藏能量组成，而在40%的物质中，只有5%是可见物质，35%是不可见的暗物质。据此，宇宙中95%的物质和能量是看不见的。罗杰·彭罗斯小

结

20世纪以来，天文望远镜的口径越来越大，照相、分光方法被充分应用，还开始利用航天器在地外观察。最重要的是射电天文学的诞生，使天文学进入全波时代，也使人类对宇宙的认识达到极限。现代天文学根据河外星系谱线红移现象，认为“可观测的宇宙是有限的”，目前宇宙的大小被认为在120亿~150亿光年之间。在核物理学的基础上，贝特和魏茨泽克提出关于太阳能量的氢燃烧理论。根据《赫罗图》，现代天文学描述了恒星从产生到死亡的演化过程。在19世纪天文学的基础上，20世纪出现多种宇宙模型，其中影响最大的是大爆炸宇宙论。它能解释一些天文现象，还得到不少观察事实的支持，但只是目前最好的一种宇宙理论而已。宇宙奥秘无穷，天文领域充满未知，目前科学家们广泛关注的是“宇宙中是否存在暗物质”。思考题1自伽利略以来天文观测手段和研究方法有哪些进步？2射电天文学是如何诞生的？3为什么说射电天文学是“全波天文学”？4如何理解宇宙的无限或有限？5什么是哈勃定律？根据哈勃定律能认识到多大的宇宙？6关于河外星系谱线红移的多普勒效应解释是否已成定论？7贝特和魏茨泽克用什么理论解释太阳能量？8什么是《赫罗图》？9简述史瓦西描述的恒星生命周期。10什么是光度佯谬？11什么是引力佯谬？12了解爱因斯坦、德西特、弗里德曼、勒梅特、盖莫夫等人的宇宙模型。13大爆炸宇宙论怎样解释宇宙的演化？它有哪三个预言已被证实？14怎样看待大爆炸宇宙论？15什么是暗物质？16扼要描述近代以来天文学的发展过程，使人能看出人类认识的推进和步步深化。延伸阅读1［英］海德·库珀、尼格·汉柏思：《太空知识百科全书》，朱晓星等译，希望出版社，2000。2［美］卡尔·萨根：《宇宙》，周秋麟