脉冲星和中子星PPT教学课件

黎曼
Bernhard Riemann (1826-1866)
• 黎曼猜想Riemann hypothesis （1859年）
• zita函数的所有非平凡零点，都位于复平
面上的直线Res=1/2上。
(s)
1
1 2s
1 3s
...
1 ns
...
复平面 Im
无穷多零点
平凡零点: -2, -4, -6, ….
万物皆数
毕达哥拉斯
Pythagoras (ca 560–ca 480 BC)
• 算术基本定理: 《几何原本》
The Fundamental Theorem of Arithmetic
大于1的所有自然数，都可以 表示成有限个素数的乘积，并且 这个表现形式是唯一的。
24 2 2 23 23 欧3几里得
• 数学科学的基本问题
• 巴罗：什么是量？
• 数与量的统一与分离
• 布尔巴基（Bourbaki): 研究对象
• 序次结构 • 代数结构 • 拓扑结构
巴罗
Isaac Barrow (1630-1677)
• 基本问题: 什么是数？
• 数：运算关系的元素 • 自然数、有理数、实数、复数 • 理想、群、环、域、格、流形… • 核心: 素数
0 1/2 1
无零点
Rs
• 素数分布 (x)
(2) 1 (3) 2 (6) 3
• 素数定理
lim (x) 1
x x / ln x
高斯
Karl F. Gauss (1777-1855)
• 1896年证明素数定理
• 当Re(s)=1时， (s) 0
阿达玛 （法国）
Jacques-Salomon Hadamard 1865 - 1963
这不是天文学家的过错，天文学研究的魅力所在，就是 它常常出人意料。
中子星的光度特别小 光度是和恒星的表面积成正比，天狼星伴星的光度比天
狼星小1万倍，其表面积比天狼星小1万倍，半径约为7000千 米。中子星的半径10千米，按照同样的道理，如果天狼星B 是中子星，它的光度要比天狼星小多少倍？
答案是几十亿倍。
英国天文学家休伊什教授和他的研究生乔丝琳·贝尔 女士一起发现了脉冲星，在宇宙中找到了物理学家和天 文学家梦寐以求的中子星。休伊什因发现脉冲星并证认 为中子星而荣获1974年的获得诺贝尔物理奖。
美国天文学家泰勒和赫尔斯因发现射电脉冲双星及 间接验证引力波的存在而荣获1993年诺贝尔物理学奖。
脉冲星三大发现
1967年贝尔和休伊什发现 1974年赫尔斯和泰勒发现 1982年贝克和库尔卡尼发现
脉冲星 脉冲星双星系统 毫秒脉冲星
师生合作的典范 脉冲星的发现 贝尔（博士生） 休伊什教授 脉冲双星的发现 赫尔斯（博士生） 泰勒教授 毫秒脉冲星的发现 库尔卡尼（博士生） 贝克教授
1，中子的发现和中子星的预言
中子的发现 直到1930年，物理学家还不知道原子核中有中子存在。中子
牛顿
Isaac Newton (1642-1727)
会 掉苹 下果 来为 呢什 ？么
• 生命科学的基本问题 • 生命是什么？
沃森
James D.Watson (1928-)
克里克
Francis Crick （1916-）
DNA
双 螺 旋 结 构
• 线性科学
我们的数学工具，从简 单的算术、微积分到代数拓 扑学，大多数都依赖于线形 假设。所谓“线形”，整体 等于部分之和。
瓦莱·普桑（比利时）
Custave de la Vallée-Poussin 1866-1962
我为什么要杀掉 一只会下金蛋的鹅 呢？
希尔伯特
David Hilbert (1862-1943)
我从来不做任 何有用的事。
哈代
G. H. Hardy (1877-1947)
• 物理科学的基本问题
• 物质是什么？
发现的意义远远超出原子物理学的范围，很快就向天体物理 学提出挑战：在宇宙中有没有“完全由中子组成的恒星？”
一个在物理学实验室中微观世界实验的进展，马上向宏观世 界的恒星世界提出挑战。
中子星的预言 1931年当物理学家朗道知道中子发现后，仅过了几个小时
就提出中子星的概念。他指出，中子星非常小，非常致密， 辐射非常微弱。
偶尔，小孩子反倒会意
识到那些意义，此时，一个 科学家的苗子出现了。如果 当他们上大学时我们才教他 们这些，那就太晚了。我们 必须从娃娃教起。
哥德尔
Kurt Godel (1906-1978)
然的对那现 不工此叫首 同作间无先 说 的本接知是 什 方质有缪使 么 向上所说人 爱 。属贡。能 因
于献当造斯 一，然原坦 个但，子的 全他他弹发
12. 法拉第与麦克斯韦 13. 物质是什么 14. 相对论的世界 15. 量子力学 16. 原子核物理 17. 黑洞与大爆炸
• 生命科学
18. 达尔文与进化论 19. 孟德尔与遗传学 20. DNA的故事 21. 基因与分子生物学
22. 非线性科学 23. 科学的数学化
The End
第八章 脉冲星和中子星
Euclid
(ca. 325-ca. 270BC)
• 1737年 • 欧拉恒等式
1
1 2s
1 3s
...
1 ns
...
1
p 1 ps
其中p表示所有的素数。
欧拉
Leonhard Euler (1707-1783)
• 1859年 • 黎曼zita 函数
(s)
1
1 2s
1 3s
...
1 ns
...
帕齐尼预言（1967年） 蟹状星云中的一颗中子星，每秒自转多次，具有很强的磁
场，提供蟹状星云所需的能量。
蟹状星云 脉冲星
蟹状星云和其脉冲星的辐射谱
休伊什观测蟹状星云（1965年） 他用行星际闪烁方法测出了蟹状星云中存在一个致密成分，
其角径只有约0.2角秒，亮温度达到1014K。当时他就指出这 个致密成分可能是1054年超新星爆发的遗留物。可惜，他并 没有认识到这个致密源就是中子星。
• 科学史的基本问题: 科学是什么？
• 科学是对自然、对宇宙、对 生命的探索。 • 发现支配自然与生命现象的 基本定律。
• 基本理论的数学化
在任何特定的
理论中，只有其中 包含数学的部分才 是真正的科学。
康德
Immanuel Kant (1724-1804)
科学的历史
• 数学科学：古典 • 物理科学：近代 • 生命科学：现代
法拉第发现了什么
• 决定着原子如何结合在一起的根本原 因，乃是因为一个原子的正电性与另一个 原子的负电性相互吸引，并以确定的比例 结合在一起。
• 在原子中电是以基本单位的整数倍的 形式表现出来的。
如此重要的科学发现 却被按照上述方式来理解， 仅仅说明这些原理可以被用 于电镀，这是不可原谅的错 误。
蟹状星云能源之谜 蟹状星云：射电、光学、X和γ射线辐射。把蟹状星云所
有频率上的辐射加起来，相当于十万个太阳的辐射。一团稀薄 的气体，其能量来自何方？
光学观测发现蟹状星云在膨胀，每年大约0.2角秒左右， 而且膨胀速度在加快。星云膨胀加速度的能量由谁来提供？
同步辐射：高能带电粒子在磁场中运动产生的辐射，高能 电子来自何方？磁场是怎 Nhomakorabea形成的？
只要给定宇宙
在某个时刻的结构，
由给定的一组定律即
能精确地决定它的演
化。
拉普拉斯
Pierre Laplace (1749-1827)
但事实并不总是这样；
初始条件中的细小差别可能
会导致最终结果的极大差别。
前者微小的误差会酿成后者
的巨大错误。准确预言不再
可能，所发生的一切都成了
偶然的事件。
庞加莱
Henri Poincare (1854-1912)
2，脉冲星的发现
休伊什生平 休伊什1924年5月11日出生，中学毕业后进了剑桥大学，
一年之后，成为皇家飞机研究所的成员，不久调到电讯研究 所。战争期间，他参与机载反雷达设备的研究，指导空军人 员使用雷达干扰设备。
1946年第二次世界大战结束后休伊什回到剑桥继续学习， 1948年毕业后被推荐进入卡文迪什实验室工作。1952年获 博士学位后，在卡文迪什实验室成为赖尔的助手。
• 非线性科学
• 整体论
对于生命系统：整体总 是大于部分之和。
• 总论
科学史
1. 科学是什么
• 古代科学 • 科学革命
2. 希腊科学 3. 中国科学
4. 哥白尼革命 5. 开普勒与伽利略 6. 牛顿革命
• 数学科学 • 物理科学
7. 微积分的创立 8. 新数学的诞生 9. 数学危机 10. 真理与定理 11. 数学猜想
一门科学的历史， 就是这门科学本身。
歌德
Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832)
科学史
牛顿
高斯
24岁
伽罗瓦
万有引力2近4岁代数论18岁
1666年
群论
1801年
1829年
爱因斯坦 26岁 哥德尔 24岁
狭海义森相伯对论26岁 不纳完什全2性2定岁理
190测5年不准原理
1934年兹维基和巴德各自提出“中子星是大质量恒星演化到 超新星爆发之后的产物。恒星坍缩后，在其核心形成中子星。”
1939年中子星的内部结构理论：一个太阳质量，半径为10公 里，密度达到 1014 g / cm3
中子星在哪里呢？ 天文学家处于“一问三不知”的窘境，一是不知道中子星的
辐射主要在射电波段；二是不知道中子星的辐射是脉冲形式； 三是不知道中子星自转得是如此之快。
，
这个“全然不同的方向” 就是“自然哲学”的基本理论， 这构成了哥德尔与爱因斯坦生 活的中心目的。
王浩
• 基本问题
The Fundamental Problem
基本问题就是贯穿一门学问发展 始终的核心问题，人们通过不断地重 新提出这些问题，从而不断地深化他 们对整个理论的领悟。对基本问题的 不断探索，逐渐丰富对这门学科的认 识，增长人类的知识。
1，中子的发现和中子星的预言 2，贝尔和休伊什发现脉冲星 3，“小绿人”和地外文明 4，脉冲星就是中子星 5，中子星形成理论 6，休伊什获1974年诺贝尔奖 7，引力波的预言 8，射电脉冲双星的发现 9，引力辐射的验证 10，毫秒脉冲星的发现
脉冲星是20世纪60年代天文学的四大发现之一。 脉冲星的发现证实了中子星的存在。中子星具有 和太阳相当的质量，但半径只有10千米。因此具 有非常高的密度，成为一种典型的致密星。
笛卡尔
Rene Descartes (1596-1650)
分些那杂 别足么以 解够就至如 决小将于果 。 的原一一
问问下个
题题子问 ，分难题 然解以过 后成解于 再一决复
，
• 机械论、还原论
笛卡尔方法隐含了一个假定： 当所有分割的问题都被解决之后， 系统还可以恢复原状或重新组合起 来。换言之，分割的各个问题的解 答之总和，就给出了一个最后的答 案。这是一个核心的假定。
1930纳年沃什森均衡25岁
1927年
195D0年NA双螺旋
1953年
第1讲
科学是什么？
The Meaning of Science
• 科学的目的
• 科学的应用 • 科学的方法 • 科学的内容
科学
知道： scio 拉丁：scientia 知识：science, n. , 14世纪 科学：science, [复]，n. 17世纪
的部分也正是科学家从事科学研究
工作的真正原因。
费恩曼
Richard P. Feynman
(1918-1988)
• 法拉第的电解定律
法拉第发现了电解定律，这 一定律今天在工业上被广泛用于 金属电镀和阳极染色工艺以及许 多其他方面。
《蜡烛的故事》编者法的拉序言第
Michael Faraday (1791-1867)
knowledge , n.
• 科学 (明治初年)
分科之学
• Science： 学、理学、科学 • Natural science： 自然科学 • Scientist： 科学家、理学家
《哲学词汇》明治45年（1912年）
由于我们不能对物理学的研
究者（a cultivator of physics）使
• 科学的最明显的特征是它的应用。
• “科学”与“技术”的混淆。
• 在西欧的语言中很难找到与“科学 技术”相对应的词。
• 科学的目的
科学的另一个方面是科学的内
容，即已经发现的理论和定律。这
是科学家从事科学研究后的收获，
也使他们所得到的最高奖赏。做这
类工作不是为了应用，而是为了导
致令人振奋的发现。这一令人激动
用physician一词，因此，我便称
其 为 physicist。 同 样 ， 我 们 非 常
需要一个一般性的名词来表述科
学 的 研 究 者 （ a cultivator of
science），于是，我便想将其称
为scientist。
休厄尔
William Whewell (1794-1866)
• 科学的应用：技术