第4章 现代科学--天文学

日心宇宙模型
1. 文艺复兴晚期，波兰教士哥白尼 （Nicolas Copernicus）从简单性和完 美性的信念出发，提出了一个日心宇宙 模型， 2. 认为地球带着月亮，和其他行星一起， 是绕着太阳这个宇宙的中心转动的。 3. 1543年哥白尼去世前一刻将这种学说以 《天体运行论》的书名公开发表。
第二节
1. 2. 3. 4.
现代天文学
天体物理学的发展 观测手段的进步 宇宙学的发展 黑洞与宇宙
一、天体物理学的发展

分光术应用于天文学产生了天体分光学
1. 1666年，牛顿用三棱镜将白光分成红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫七种颜色的光。 2. 1802年，英国的沃拉斯顿在棱镜上加了一个 夹缝，首先发现了太阳光谱中的吸收线。 3. 1859年，德国物理学家基尔霍夫提出了基尔 霍夫定律： ①每一种化学元素都有自己的光谱； ②每一种元素都可以吸收它能发射的谱线。
无限无边的模型
1. 牛顿为服从他的运动规律的运动物体创 造了一个可以自由驰骋的时空――一个 无始无终的宇宙。 2. 在那里时间均匀流逝，没有起始没有终 结。空间均匀而平坦地伸展直达无限。 3. 这样的时间和空间为描述一切物体的运 动提供了绝对的时间和空间坐标。
奥伯斯佯谬（光度佯谬）
1. 1826年德国天文学家奥伯斯（Heinrich W. M. Olbers）提出了这样一个想法： 2. 假如宇宙真的无限，并且包含无限多的、 均匀分布在空间中的恒星的话，这些星 光积累起来，会使得星空的每一个角落 的亮度都应该跟太阳表面的亮度一样眩 目。 3. 事实上，我们看到的并不是这样的，黑 夜和白天还是很分明。这被称作奥伯斯 佯谬，又叫光度佯谬。
诺曼-西里格佯谬（引力佯谬）
1. 1894年诺曼（C. Neumann）和西里格 （H. von Seeliger）又提出： 2. 假如宇宙无限大，物质均匀分布，密度 处处不等于零的话，那么作用于每一个 天体的万有引力将累积到无限大。 3. 但是这种现象也没有被观测到。这被称 作诺曼-西里格佯谬，又叫引力佯谬。
无限宇宙的困境
1. 在牛顿的无限宇宙框架里，前述三个佯谬 难以避免。 2. 另外，牛顿的经典力学只解释了宇宙中万 物的运行规律，不回答宇宙是如何来的。 3. 牛顿保留了上帝的位置，把“第一推动” 和管理宇宙的任务交由上帝完成。
广义相对论
直到二十世纪初期，爱因斯坦（Albert Einstein）提出广义相对论之后，关于时 间和空间的起始和终结问题，关于宇宙的 创生问题，才真正变成了一个科学问题， 或者说物理学问题，甚至数学问题。
二、观测手段的进步
1. 由于天文学研究对象的特殊性，它的现代 发展离不开观测手段的改进，这里主要指射 电望远镜的发展和应用。 2. 1937年，美国的雷伯制造了第一台射电望 远镜，抛物面直径达9米。 3. 1942年，英国海伊用军用的超高频雷达首 先发现了太阳射电。 4. 六十年代天文学上的4大发现——类星体、 0 3 K微波背景辐射、射电脉冲星和星际有 机分子，都是靠射电探测工具获得的。
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三、宇宙学的发展
宇宙论的基本问题
1. 宇宙从哪里来？又向何处去？ 2. 宇宙中的天体是如何运行的？ 3. 对于这样的问题，在人类历史上出现过 多种多样的答案。 4. 譬如基督教的回答是这样的：上帝创造 了宇宙以及其中的万物；天体的运行也 是上帝安排好的。
古希腊人的答案
1. 古希腊人用几何学来解释日月行星是如何运行 的，这些知识被公元二世纪的托勒密（Claudius Ptolemy）汇总在《至大论》一书中，构成我们 今天所知的地心宇宙体系。 2. 地心说是第一个精密的宇宙模型，用来解释太 阳、月亮和当时已知的五大行星如何绕着地球这 个宇宙的中心运行。 3. 后来该学说与亚里斯多德的哲学结合被纳入 《圣经》的框架，成为基督教的钦定宇宙模型。
广义相对论引力场方程、宇宙项
1. 爱因斯坦自己率先利用广义相对论引力场方程进 行宇宙学研究。 2. 爱因斯坦发现按照他的引力场方程，算出来的宇 宙是不稳定的，宇宙不是在膨胀便是在收缩。 3. 因此爱因斯坦在方程中凭空加上了额外的一个宇 宙项，这个所谓的宇宙项具有斥力的效应，这样 就可以用宇宙项的排斥来抵消物质的吸引。 4. 换言之，由宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇 宙中质量和能量产生的正时空曲率。
测光术在天文学上的应用
1. 1857年，英国人普格森 建立了光度与星等的基 本关系式，从此开始了 科学的测光工作。 2. 1859年，德国天文学家 泽内尔制作了第一架近 代光度计，并于1861年 公布了用这架仪器测量 到的226颗亮星的第一个 近代光度星表。
照相术在天文学上的应用
1. 1840年，美国的德雷伯最先把照相术应用于天 文观测，拍摄了月亮的照片。 2. 1880年开始，美国哈佛大学天文台用物端棱镜 拍摄了225，000多颗恒星的光谱照片，并按光谱 把这些星分类，成为著名的哈佛光谱分类。 3. 当前，天体物理学和理论物理学迅速发展，以 及它们之间日益广泛而深入地互相结合、渗透的 新趋势，使天体物理学出现许多分支，为人们更 深刻认识天体运行规律提供了新的理论武器。
类星体
射电脉冲星
星际有机分子
当今主要的光学望远镜， Keck、VLT、HST
当今主要的射电望远镜， Effelsberg、Arecibo 、VLA
当今主要的X射线望远镜， XMM，Chandra
中国现有和准备 建造的望远镜。
2.16m 兴隆
25m 上海佘山 新疆天山
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热力学佯谬——“热寂说”

根据热力学规律——热量会从温度高的物体流向 温度低的物体，最后使它们趋向于一个共同的温 度。如果宇宙是永恒、无限的，那么如果它遵循 热力学规律，可以想像宇宙最后会趋于同一温度， 即所谓宇宙的“热寂”，而不是像现在这样，各 种星体具有不同的温度，如太阳的表面温度大约 为6000℃。若宇宙无限“老”，那么它早就死亡 了；除非宇宙无限大，以至于不可能热平衡，或 者像很多物理学教科书所说的那样，从有限体系 得出的热力学规律不能用于无限的宇宙。那么宇 宙真是永恒、无限的吗？