二十世紀(jì)的天文學(xué)課件

1、二十世紀(jì)天文學(xué)與地質(zhì)學(xué)發(fā)展概況報告人：戴玉二十世紀(jì)的天文學(xué)十九世紀(jì)中葉誕生的天體物理學(xué)，在二十世紀(jì)一躍而成為天文學(xué)的主流；二十世紀(jì)四十年代后期，利用毫米波、米波等探測設(shè)備，研究天體的新學(xué)科；六十年代，航天時代的到來，使天文學(xué)沖破了地球大氣的禁錮，人類開始到大氣外去探測宇宙，使我們得以考察大到150億光年空間深度的天象，并追溯早于150億年前的宇宙事件。 首先，介紹觀測技術(shù)的發(fā)展。因為觀測技術(shù)的進步，推動了我們對宇宙空間認(rèn)識，進而，驗證了我們的關(guān)于宇宙的假設(shè)和理論。第一：早期的望遠鏡牛頓手制的反射望遠鏡 早期的折射望遠鏡 古代觀測天體第二：現(xiàn)代反射望遠鏡 20世紀(jì)天文史的發(fā)展，大型反射望遠鏡功不

2、可沒1917年11月“胡克望遠鏡”正式啟用了，整個望遠鏡重90噸，可以很方便地操作，并以很高的精度跟蹤恒星，它在以后的30年內(nèi)一直是望遠鏡之王，它是第一架、也是30年內(nèi)唯一能夠提供銀河系實際大小和太陽系所處位置信息的儀器。1948年，當(dāng)時世界上最為完善的“海爾反射望遠鏡”研制成功，它的成型鏡面凈重14.5噸，鏡筒重140噸，整個望遠鏡的可動部分重達530噸！它拍攝和分辨遙遠天體的能力比“胡克望遠鏡”要優(yōu)越得多，它能拍攝23等的暗星，能探測距離我們遠達幾億光年的暗弱星系。在以后許多年后，盡管許多國家造出了規(guī)格更高的望遠鏡，但都沒能超過“海爾望遠鏡”。前蘇聯(lián)天體物理臺的6米反射鏡。鏡體長25米重7

3、7噸，其大小堪稱第一，但就其性能而言，它仍然沒能超過口徑5米的海爾望遠鏡。前蘇聯(lián)6米反射鏡澳大利亞國家射電天文臺 美國夏威夷的8米光學(xué)望遠鏡 第三：太陽望遠鏡 1930年第一架法國天文學(xué)家李奧研制的日冕儀誕生了，這種儀器能夠有效地遮掉太陽，散射光極小，因此可以在太陽光普照的任何日子里，成功地拍攝日冕照片。從此以后，世界觀測日冕逐漸興起。 日冕儀只是太陽望遠鏡的一種，20世紀(jì)以來，由于實際觀測的需要，出現(xiàn)了各種太陽望遠鏡，如色球望遠鏡、太陽塔、組合太陽望遠鏡和真空太陽望遠鏡等。 太陽塔又名塔式望遠鏡，是太陽物理觀測的基本工具。外形是塔式建筑，通常高20米以上，塔的頂部安裝定天鏡，它將入射的太陽光

4、線垂直向下反射，進入成像光學(xué)系統(tǒng)和附屬儀器。太陽塔通常建為雙層結(jié)構(gòu)，除頂部有定天鏡外，中間安置太陽望遠鏡成像光學(xué)元件，在塔底或地下豎井內(nèi)設(shè)置大型太陽攝譜儀和其他附屬儀器。 真空太陽望遠鏡是將全部成像光學(xué)元件都放在真空筒中，這種望遠鏡可以消除儀器內(nèi)部氣流對成像的有害影響。最著名的真空太陽望遠鏡在美國薩克拉門托峰天文臺。這臺儀器安裝在寧靜度很高的高山上的，能夠觀測非常小的太陽表面和低層大氣的組織結(jié)構(gòu)，分辨率相當(dāng)于辨認(rèn)出距離96千米處一塊汽車牌照的能力，它代表了地面太陽儀器的最高水平。其次，介紹射電天文學(xué)方面的研究。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，天文的研究進入一個新的階段。20世紀(jì)初期人類還不能完全捕捉到天

5、體釋放出輻射的電磁波譜，這是當(dāng)時天文學(xué)家的遺憾。第一個發(fā)現(xiàn)來自宇宙無線電波的是美國電信工程師央斯基（19051950）。1940年，雷伯在美國用自制的直徑9.45米、頻率162兆赫的拋物面型射電望遠鏡證實了央斯基的發(fā)現(xiàn)，并測到了太陽以及其他一些天體發(fā)出的無線電波。 射電天文學(xué)給人類帶來的宇宙信息是無比豐富的。50年代，射電天文學(xué)家們就已經(jīng)對太陽射電進行了卓有成效的研究，描繪了銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的全景；60年代更有類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射四大發(fā)現(xiàn)；70年代詳細(xì)研究了一批射電星系核和類星體，發(fā)現(xiàn)了令人難以置信的超光速運動。 阿雷西博射電天文臺的拋物面射電望遠鏡 20世紀(jì)射電天文學(xué)四大

6、發(fā)現(xiàn)：類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射。 從前，人類只能看到天體的光學(xué)形象，而射電望遠鏡則為我們展示出天體的另一面無線電形象。由于無線電波可以穿過光波通不過的塵霧，射電望遠鏡能夠深入到以往憑光學(xué)方法看不到的地方。銀河系空間星際塵埃遮蔽的廣闊世界，在射電望遠鏡誕生以后，才第一次為人們所認(rèn)識。 1960年發(fā)現(xiàn)了第一個類星體，它的最大特征就是光譜線的紅移特別大，這表示它離我們地球非常遠，竟有幾十億到上百億光年以上。另一方面，類星體的光度要比整個銀河系（銀河系約有1000億顆恒星）還要強1001000倍，身電亮度更要強10萬倍?？墒穷愋求w的體積卻很小，只有銀河系的幾千萬分之一。是什么原因使類星體

7、能在如此小的體積內(nèi)積聚著這樣巨大的能量呢？是不是存在著一種我們今天還沒有了解的新能源呢？隨著多年來觀測資料的積累，但它們的本質(zhì)還是一個謎。1967年，兩位英國天文學(xué)家在天空中觀測到一個奇特的射電源，它們以極其精確的周期重復(fù)地發(fā)出一個個射電脈沖，脈沖的精確度勝過普通手表。起初，天文學(xué)家們甚至懷疑它們是來自宇宙中的高級生物向我們發(fā)送無線電報呢。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一系列這樣的天體，經(jīng)研究，天文學(xué)家認(rèn)識到，這是一種新的天體-快速自轉(zhuǎn)的中子星，稱為脈沖星。脈沖星現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的脈沖星有550多個。脈沖星的質(zhì)量與太陽差不多，體積卻十分小，通常直徑只有1020千米，因此密度很大，1立方厘米的脈沖星物質(zhì)竟有1億

8、噸，是太陽核心物質(zhì)密度的1萬億倍。脈沖星表面溫度在1000萬攝氏度以上，核心溫度更高達60億攝氏度。在這種高溫高壓下，物質(zhì)處于一種奇異的狀態(tài)-中子態(tài)，即原子的外層電子全部被擠入原子核而與核內(nèi)正電荷中和，結(jié)果，原子核呈中性不帶電狀態(tài)，核與核緊密相連地排在一起而使體積大大縮小?，F(xiàn)在，不少人認(rèn)為，脈沖星是種年老的恒星，因其核燃料消耗完畢，引起了一場災(zāi)變而壩縮的結(jié)果。脈沖星的發(fā)現(xiàn)者也因此獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獲。脈沖星及其伴星 1965年，兩位美國物理學(xué)家在尋找干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)的噪聲源時，偶然發(fā)現(xiàn)天空的各個方向都有著一種微弱的微波輻射，它們相應(yīng)于絕對溫度為3K的黑體輻射。這種輻射來自宇宙深處，各個

9、方向上幾乎完全相同，可見宇宙并不是“真空”。這個現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為微波背景輻射。當(dāng)年報道這項發(fā)現(xiàn)的論文雖然只有短短的600字，可是卻震撼了整個天體物理學(xué)界和理論物理學(xué)界。那兩位發(fā)現(xiàn)者還因此榮獲了1978年度的諾貝爾物理學(xué)獎。 20世紀(jì)60年代初，人們在對星際空間中的厘米波和毫米波射思輻射作了大量的觀測以后，出人意料地發(fā)現(xiàn)了多種多樣的以分子形式存在的宇宙物質(zhì)，其中不僅有簡單的無機物，還有復(fù)雜的有機分子。星際分子與恒星的演化有著密切的關(guān)系。更重要的是，星際有機分子的發(fā)現(xiàn)，為宇宙生命起源的研究提供了重要的線索。宇宙中廣泛存在著星際有機分子20世紀(jì)60年代天文學(xué)中的這四大發(fā)現(xiàn)，對于天文學(xué)的發(fā)展和人類認(rèn)

10、識宇宙都是非常重要的。 再次，我們介紹空間天文學(xué)方面的內(nèi)容。 40年代探空火箭技術(shù)和氣球技術(shù)，以及50年代末人造衛(wèi)星的上天，使天文學(xué)家宿愿終于實現(xiàn)。從此天文學(xué)從地面觀測躍進到空間觀測，從狹窄的光學(xué)波段、射電波段擴展到整個電磁波段，于是天文學(xué)便進入了全波段天文學(xué)，這是天文學(xué)發(fā)展史上的又一次飛躍，從此紅外天文學(xué)、紫外天文學(xué)、X射線天文學(xué)和射線天文學(xué)相繼應(yīng)運而生，在人類面前展示了一幅更加絢麗多彩的大宇宙圖象。射電波段： 雖然早在三十年代初央斯基等人就發(fā)現(xiàn)了來自地球以外的宇宙無線電波，但用無線電方法接收并研究天體的輻射，則是四十年代后期的事。那時，海伊、博爾頓、賴爾等人相繼探測宇宙輻射，從而建立了射電

11、天文學(xué)。三十多年來，從直徑只有幾米的拋物面天線,發(fā)展到今天的305米固定式拋射面天線。從當(dāng)年懷爾德的射電頻譜儀（1949年）、克里斯琴森的射電干涉儀(1951年)，進展到現(xiàn)代綜合孔徑射電望遠鏡和甚長基線干涉儀。通過大氣窗口，探查到銀河系核心的活動，描繪了旋渦結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)50多種星際分子，100多個超新星遺跡，300多個脈沖星，上千個射電星系和類星射電源，探測到各向同性的宇宙微波背景輻射，并試圖與可能存在的地外文明取得聯(lián)系。 紅外輻射是60年代被發(fā)現(xiàn)的，紅外天文學(xué)的研究在地面和高空以及外層空間全面展開。紅外波觀察絕對溫度四千度以下的天體，包括太陽系中的行星、衛(wèi)星和彗星，紅外輻射可以提供關(guān)于恒星的出

12、生和死亡的寶貴知識。第一顆紅外天文衛(wèi)星于1983年升空，它是美國、英國、荷蘭共同研制的，上面裝有一架60厘米 的紅外望遠鏡，它發(fā)現(xiàn)了三十 多萬個新天體。 第一顆紅外天文衛(wèi)星紫外波段： 地球大氣對波長短于4000埃的輻射完全不透明。人們習(xí)慣地把4000100埃波段叫紫外波段,其中 1700100埃波段稱遠紫外波段。早在1946年就用高空火箭取得了太陽的紫外光譜。1962年以來從軌道太陽觀測臺系列獲得大量太陽的紫外發(fā)射線光譜資料。1968年發(fā)射的軌道天文臺 2號，載有一紫外接收器，記錄了5,761個紫外輻射源。它們是近距熱星的冕、有激烈活動的亞矮星、熱亞矮星、白矮星、行星狀星云、耀星、矮新星和脈沖

13、星?！疤氐隆?1A(TD-1A)紫外天文衛(wèi)星的分光光度測量表明，實測到的能量分布同理論模型所預(yù)期的有所偏離。 X波段： 1000.01埃波段的輻射稱為X射線。六十年代以來，由于軌道太陽觀測臺系列的發(fā)射成功,太陽X射線方面的工作首先獲得成果,查明太陽X輻射的三個成分及其不同的輻射區(qū)。七十年代以后，進一步查明了太陽X射線爆發(fā)的能譜和偏振，發(fā)現(xiàn)X射線耀斑和冕洞。 在非太陽X射線天文學(xué)方面，早在1962年,第一次發(fā)現(xiàn)天蝎座方向的一個強大的X射線源。1969年發(fā)現(xiàn)蟹狀星云脈沖星NP0532的X脈沖輻射。1970年第一個觀測X射線的小型天文衛(wèi)星美國的“自由號”進入巡天軌道。隨后,荷蘭天文衛(wèi)星、英國的“羚羊

14、”5號、印度的“阿耶波多號”(Aryabhata)、美國的小型天文衛(wèi)星C、軌道太陽觀測臺8號、維拉衛(wèi)星、高能天文臺1號和2號等X射線衛(wèi)星和高能天文臺相繼探空。“自由號”的資料到1977年已編出四個 X射線源表。根據(jù)賈科尼、古爾斯基等人證認(rèn)，在“自由號”星表中的339個X射線源中，有能量集中在X波段的、處于演化終端的X射線星、脈沖星、超新星遺跡、偶現(xiàn)源和爆發(fā)源、球狀星團、塞佛特星系、類星體和星系團。其中1975年發(fā)現(xiàn)的宇宙X射線爆發(fā),是七十年代天體物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)之一。X射線天文學(xué)誕生以來只有十幾年的歷史，它已為我們展示了一幅與光學(xué)天空完全不同的宇宙面貌。X射線天文、光學(xué)天文和射電天文已構(gòu)成二十

15、世紀(jì)天文學(xué)的三個鼎足而立的強大支柱。 射線 ： 人們把波長短于0.01埃的輻射稱之為 輻射。它是波長比X射線還要短的電磁輻射，宇宙中許多過程都能產(chǎn)生射線。1962年兩個月球軌道上的衛(wèi)星“徘徊者”3號和5號發(fā)現(xiàn)了彌漫宇宙射線輻射。1972年兩次太陽耀斑事件中探測到射線爆發(fā)。1973年證實宇宙射線爆發(fā)。到1978年底，探測到的銀河系射線源一共只有13個,其中8個已證認(rèn)為超新星遺跡。哈勃空間望遠鏡 太陽系的探測海耳，美國著名天文學(xué)家 威爾遜山天文臺威爾遜山天文臺巴布科克父子繼承海耳的太陽研究傳統(tǒng)，于二十世紀(jì)五十年代初，研制出太陽光電磁像儀，進一步推動太陽活動規(guī)律和活動區(qū)物理的探討。1931年法國李奧

16、制成日冕儀，使人們在不發(fā)生日食的時候也能觀察日冕，探索太陽高層大氣。五十年代以來，射電觀測已成為太陽服務(wù)的常規(guī)項目,X射線太陽巡視也是小型天文衛(wèi)星的主旨之一。19621975年間發(fā)射了 8個環(huán)繞地球的軌道太陽觀測臺(OSO).1973年天空實驗室進入軌道,都為深入認(rèn)識太陽活動和日地關(guān)系提供了空前豐富的資料。 太陽耀斑太陽系行星的研究20世紀(jì)上半葉，天文學(xué)家用天體物理學(xué)的方法研究行星和它們的衛(wèi)星，獲得了豐富的行星和衛(wèi)星的物理信息。 人們對火星的研究更為關(guān)注。經(jīng)過反復(fù)觀測，斷定火星大氣中氧和水蒸氣的含量不會超過地球上相應(yīng)面積含量的幾千分之一，這表明火星上存在高級形式生命的可能性極小，并且測得火星的

17、大氣壓最多只有65毫米水銀柱，后來又發(fā)現(xiàn)火星大氣中有微量的二氧化碳，確認(rèn)火星的極冠是由冰組成的。通過對地球的近鄰金星的觀測表明，金星具有濃密的大氣，并有變幻莫測的氣象現(xiàn)象，天文學(xué)家們測得金星表面向著太陽一面的平均溫度高達+66度，赤道地區(qū)可達+95度。木 星土 星飛越各大行星的“旅行者”號1973年美國發(fā)射的“水手”10號探測器 美國“海盜”號著陸器在火星表面軟著陸 “火星極地著陸者”探測器 對月球的空間探測 1957年人類進入太空時代以后，對太陽系的研究發(fā)生了根本的變化，對月球進行多學(xué)科的研究。1961年美國“阿波羅”計劃開始，先后執(zhí)行“徘徊者”、“月球勘測者”、“月球軌道飛行器”三個輔助計

18、劃.“阿波羅” “月球勘探者”“徘徊者”1966年正式實施“阿波羅”登月計劃，1972年結(jié)束。1969年7月20日“阿波羅”實現(xiàn)了第一次人類登月的創(chuàng)舉。對月球進行了觀測、照相、采樣，還在月面上安裝了各種實驗儀器，發(fā)射了月球衛(wèi)星.前蘇聯(lián)的“月球號”探月計劃，首次拍得月球背面照片，據(jù)此天文學(xué)家繪制了世界第一張月背圖。該計劃的實施，使月球有了自動科學(xué)站，由地面站操縱，在月球上自動執(zhí)行考察任務(wù)。 對月球的太空探測，使人類對它的認(rèn)識進入了嶄新階段，對月球的深層研究開始。 前蘇聯(lián)的月球號探測器 恒星起源和演化的研究 十九世紀(jì)末，哈佛大學(xué)天文臺在E.C.皮克林和坎農(nóng)的領(lǐng)導(dǎo)下，根據(jù)物端棱鏡光譜，著手恒星分類。

19、 18901936年,陸續(xù)出版載有272,150顆恒星光譜一元分類的亨利德雷伯星表(HD星表)及其補編（HDE星表）,為建立恒星表面溫度序列奠定了基礎(chǔ)。 1905年,赫茨普龍根據(jù)光譜特征,確認(rèn)恒星有巨星和矮星之分。他和H.N.羅素分別繪制銀河星團的星等色指數(shù)圖和已知距離的恒星的絕對星等光譜型圖,從中發(fā)現(xiàn)恒星分布的規(guī)律。絕大多數(shù)恒星處在所謂的主星序上，而巨星和白矮星則分別彌漫在主星序之上的巨星分支中和主星序的左下角。H.N.羅素還提出恒星在圖上的演化走向。后人把恒星的 光譜光度圖稱為赫羅圖。處于主星序階段的恒星 1937年柯伊伯首先發(fā)現(xiàn)，一些銀河星團在赫羅圖上的位置差異可以用年齡不同加以解釋，這

20、說明赫羅圖是探討恒星演化的有效工具。赫羅圖1938年貝特指出，主序星的能源是氫變氦的熱核反應(yīng)，成功地闡明了恒星的產(chǎn)能機制，為理解太陽型恒星1010年的演化過程奠定了基礎(chǔ)。博克等人的光學(xué)觀測，以及六十年代以來貝克林、斯特羅姆等人的紅外觀測，都表明恒星起源于星際暗云，因吸積、收縮而成原恒星（或稱星胚或星胎）。人類對恒星的形成和演化的認(rèn)識和理解，是二十世紀(jì)天文學(xué)的一項重大成就。 銀河系的研究二十世紀(jì)初，卡普坦通過恒星計數(shù)和光度函數(shù)的統(tǒng)計研究,建立了以太陽系居中的、直徑長40,000光年的銀河系模型。1918年，沙普利對太陽系為銀河系中心的傳統(tǒng)觀念提出挑戰(zhàn)。他分析了當(dāng)時已知的球狀星團的視分布，并根據(jù)造

21、父變星的周光關(guān)系估算它們的距離，從而得出銀河系是直徑 300,000光年、厚30,000光年的透鏡型的恒星和星云系統(tǒng)。銀河系中心在人馬座方向,太陽距銀心50,000光年。這是哥白尼日心說以來,宣布太陽系并非居宇宙中心地位的壯舉。半個世紀(jì)中，沙普利模型的形狀經(jīng)受了新的觀測事實的考驗，已為世人所公認(rèn)。不過，由于不正確地假定星際間無吸光物質(zhì)，對距離尺度估計得偏高。直到1930年，特朗普勒通過研究銀河星團而證實星際吸光的存在，才重新訂正銀河系模型的大小。今日的公認(rèn)值是直徑約81,500光年、厚約3,3006,600光年，太陽距銀心約32,600光年。 1926年，林德布拉德指出，恒星運動的不對稱效應(yīng)是

22、銀河系自轉(zhuǎn)的反映。隨后，銀河系的較差自轉(zhuǎn)為奧爾特所證實,并求出太陽以每秒250公里的速度，沿圓軌道繞銀心運動,估計2.5億年公轉(zhuǎn)一周。他還估算出銀河系的質(zhì)量是1.41011太陽質(zhì)量。根據(jù)河外星系的啟示，人們推測銀河系也有旋渦結(jié)構(gòu)。五十年代初，摩根的高光度星空間分布研究和奧爾特等人的中性氫21厘米譜線射電分析，都確切地描繪出銀河系旋渦結(jié)構(gòu)和旋臂。六十年代，林家翹比較成功地用密度波理論解釋了旋渦結(jié)構(gòu)及其維持機制。 1944年,巴德基于星團赫羅圖的研究,提出星族概念，并將恒星劃分為星族和星族兩大類。星 族1957年，在梵蒂岡召開的一次國際學(xué)術(shù)會上，按照恒星的空間運動速度、距銀道面的距離、向銀心的聚集

23、程度、氦含量和年齡等參量，把星族又細(xì)分為中介星族、旋臂星族（極端星族）、盤星族、中介星族和暈星族（極端星族）。這五個次系的成員天體構(gòu)成銀冕、銀暈、銀心、銀盤和旋臂。第一星族和第二星族星系世界 1912年，勒維特觀測小麥哲倫云的造父變星，發(fā)現(xiàn)周光關(guān)系，從而推測小麥哲倫云的距離可能十分遙遠，也許在銀河系之外。1924年底，哈勃宣布他利用造父變星的周光關(guān)系,計算出仙女星系(M31)、人馬不規(guī)則星系(NGC6822)的距離,指出它們是銀河系以外的恒星系統(tǒng)。從那時起，誕生了星系天文學(xué)。古老的宇宙島觀念被證明是客觀現(xiàn)實；在銀河系之外“天外有天”的大宇宙概念的建立，是二十世紀(jì)天文學(xué)的又一重大成就。 仙女座河

24、外星系 1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系的譜線紅移量和星系距離成正比關(guān)系。假若承認(rèn)紅移是天體退行運動的多普勒效應(yīng)，那么紅移距離關(guān)系意味著星系普遍退行，而它們所處的空間整體在膨脹。宇宙膨脹正是相對論宇宙學(xué)所預(yù)期的結(jié)果之一。1956年，M.L.哈馬遜把紅移距離的線性關(guān)系擴展到紅移z=0.20，即退行速度達到光速的1/5。1977年,桑德奇更延伸到z=0.75，即退行速度為光速之半。按此而求出的距離已超過50億光年。這就是我們生活于一個不斷運動并演化著的宇宙中的觀測依據(jù)。 1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系的譜線紅移量和星系距離成正比關(guān)系。假若承認(rèn)紅移是天體退行運動的多普勒效應(yīng)，那么紅移距離關(guān)系意味著星系普遍

25、退行，而它們所處的空間整體在膨脹。宇宙膨脹正是相對論宇宙學(xué)所預(yù)期的結(jié)果之一。1956年，M.L.哈馬遜把紅移距離的線性關(guān)系擴展到紅移z=0.20，即退行速度達到光速的1/5。1977年,桑德奇更延伸到z=0.75，即退行速度為光速之半。按此而求出的距離已超過50億光年。這就是我們生活于一個不斷運動并演化著的宇宙中的觀測依據(jù)。 六十年代，在星系世界陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了以106108年為時間尺度的激擾現(xiàn)象和活動異常的特殊天體,例如,河外射電源和X射線源、類星體。與以1010年為演化尺度的絕大多數(shù)正常星系相比，它們的存在只是短暫的瞬間。七十年代以來，探索遠達百億光年以上的宇宙深空已成為現(xiàn)代天文學(xué)的主要課題。

26、最后，介紹空間站的建設(shè)。空間站是人類在太空進行各項科學(xué)研究活動的重要場所。1971年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一座空間站“禮炮”1號，1986年8月，最后一座“禮炮”7號停止載人飛行?！岸Y炮”1號1973年5月14日，美國發(fā)射了空間站“天空實驗室”，1974年天空實驗室封閉停用，并于1979年墜毀。美國的“天空實驗室”空間站 1983年，歐洲空間局發(fā)射了“空間實驗室”，它是一座隨航天飛機一同飛行的空間站。 1986年2月20日，前蘇聯(lián)發(fā)射了“和平”號空間站。它全長超過13米，重21噸，設(shè)計壽命10年，由工作艙、過渡艙、非密封艙三個部分組成，有6個對接口，可與各類飛船、航天飛機對接，并與之組成一個龐大的軌

27、道聯(lián)合體。“和平”號空間站 國際空間站 二十世紀(jì)宇宙學(xué) 曾幾何時，人類對宇宙的認(rèn)識是如此的膚淺，從十八世紀(jì)到十九世紀(jì)，牛頓的無限宇宙模型在宇宙學(xué)理論中占據(jù)了統(tǒng)治地位。這一模型認(rèn)為，宇宙在時間上是永恒的，沒有開端和起點，在空間上是無限的，沒有邊緣和界限。假如有誰提出宇宙的時間和空間是有限的，那么很難想象，在宇宙誕生之前自然界是一個什么樣子？宇宙邊界之外又存在著什么？ 1917年，愛因斯坦發(fā)表了根據(jù)廣義相對論對宇宙學(xué)所作的考察一文，文中他提出了現(xiàn)代宇宙學(xué)的第一個宇宙模型，即有限無邊的靜態(tài)宇宙模型。在這個模型中，愛因斯坦預(yù)先做了一個“近似性假設(shè)”，認(rèn)為從大尺度來考察，宇宙間的物質(zhì)是均勻分布且是各向同

28、性的。這一假設(shè)后來成為許多現(xiàn)代宇宙模型的前提，并被稱為“宇宙學(xué)原理”。這一原理可進一步表述為：宇宙中沒有任何一點具有優(yōu)越性，所有的位置都是平權(quán)的。 靜態(tài)宇宙模型認(rèn)為，宇宙一直保持靜止不變。愛因斯坦通過求解廣義相對論的引力場方程，提出了“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙學(xué)觀點。同年，荷蘭天文學(xué)家德西特也提出一個靜態(tài)宇宙模型，他認(rèn)為宇宙空間不隨時間而變化，但宇宙物質(zhì)卻存在著運動，物質(zhì)的平均密度趨于零。 1922年，前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼發(fā)表了著名論文論空間的曲率，重新求解了愛因斯坦的引力場方程，建立了弗里德曼宇宙模型。 他指出，這一方程是多解的，既存在著 愛因斯坦型、德西特模型那樣的靜態(tài)解， 也存在著兩類膨

29、脹解和一類振蕩解。 此后，人們對弗里德曼宇宙模型做 了進一步研究發(fā)現(xiàn)，宇宙究竟是單 調(diào)膨脹還是振蕩，關(guān)鍵取決于宇宙 內(nèi)物質(zhì)平均密度與臨界密度 c的比值。 1927年，比利時天文學(xué)家勒邁特通過求解引力場方程，也建立了一個膨脹的宇宙模型，他把當(dāng)時已觀測到的河外星云光譜普遍性紅移現(xiàn)象，解釋為宇宙膨脹的結(jié)果。 1929年，美國天文學(xué)家哈勃發(fā)表文章指出，河外星云的譜線紅移與它的距離成正比。也就是說，越遠的星系正以越快的速度遠離我們而去。距離與退行速度成正比，這就是著名的哈勃定律。哈勃定律的發(fā)現(xiàn)，使弗里德曼、勒邁特等人膨脹的宇宙模型在二十世紀(jì)三十年代盛極一時。哈勃定律 1948年，英國天文學(xué)家霍伊爾、邦迪

30、和戈爾共同提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型以完全宇宙學(xué)原理（空間、時間都高度均勻）為前提，認(rèn)為宇宙狀態(tài)應(yīng)該是始終保持不變的。但由于宇宙的膨脹，星系間平均距離不斷增大，勢必導(dǎo)致物質(zhì)分布密度變小，這就要求在引力場方程中引進物質(zhì)的創(chuàng)生項，以保持密度的連續(xù)穩(wěn)恒狀態(tài)。 穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型拒絕宇宙有一個開端，實際上是靜態(tài)宇宙模型考慮膨脹因素的修正版。它沒有起源困難，但怎樣使這種宇宙物質(zhì)源源不斷地產(chǎn)生出來，則令人費解，這一過程違反了質(zhì)能守恒定律。另外，它難以解釋微波背景輻射，目前星系分布情況和射電源計數(shù)情況與該理論所預(yù)言的也不相符。九十年代初，盡管準(zhǔn)穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型對這一理論進行了修補，但是，在此模型中，近似

31、無限長的宇宙年齡，仍沒有使奧伯斯夜晚的天空亮起來，實在令人感到奇怪。 大爆炸宇宙學(xué)說1948年，天文學(xué)伽莫夫把宇宙膨脹和物質(zhì)演化聯(lián)系起來，提出了一種全新的宇宙學(xué)理論，這就是現(xiàn)代天文學(xué)中最有影響的大爆炸宇宙學(xué)說。 喬治伽莫夫宇宙大爆炸大爆炸宇宙學(xué)說所面臨的問題: （1）“奇點”疑難 （2）“視界”疑難 （3）“平坦性”疑難 （4）“宇宙大尺度結(jié)構(gòu)”疑難 （5）宇宙紅移的“超光速”疑難 （6）“哈勃常數(shù)“疑難第一個問題是“奇點”疑難：原始的宇宙大火球是一個密度無限大、溫度無限高的“奇點”，宇宙中所有的物質(zhì)和能量都集中于這一點。就現(xiàn)有的物理學(xué)理論，無法給出這一“奇點”任何物理狀態(tài)上的描述。 第二個問

32、題是“視界”疑難：天文觀測表明，分布在宇宙中的微波背景輻射是高度各向同性的，強度的起伏不到萬分之一，因此，可以推測，各處的微波背景輻射是有聯(lián)系的。然而，大爆炸宇宙學(xué)說卻不允許有這種聯(lián)系，它無法給出宇宙的這種均勻性。 我們今天觀測到的宇宙是由很多區(qū)域構(gòu)成的，但這些區(qū)域在宇宙演化的早期并沒有來得及建立任何因果聯(lián)系，就已經(jīng)相互分離，視界距離小于宇宙膨脹的尺度。那么，它們?yōu)槭裁丛诤髞淼拇蟪叨壬?，卻表現(xiàn)出如此驚人的均勻性呢？ 第三個問題是“平坦性”疑難：只有假設(shè)宇宙之初幾乎是平坦的，今天觀測到的宇宙才會如此平坦，也就是非常接近于臨界狀態(tài)。但根據(jù)廣義相對論，最初的宇宙空間是極度彎曲的。那么，它又是如何被迅

33、速“熨平”到臨界狀態(tài)的呢？ 第四個問題是“宇宙大尺度結(jié)構(gòu)”疑難：進入八十年代，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，星系在宇宙中的分布具有聚集成巨大的纖維狀和薄片狀結(jié)構(gòu)的傾向，在星系聚集區(qū)纖維狀結(jié)構(gòu)之間，是數(shù)億光年無星系的“巨洞”，這就是宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。宇宙大尺度結(jié)構(gòu)顯然是在星系的聚集過程中形成的，而大爆炸宇宙學(xué)說則認(rèn)為宇宙中的物質(zhì)處在分離運動狀態(tài)，理論與現(xiàn)實之間存在著矛盾。 第五個問題是宇宙紅移的“超光速”疑難：在宇宙早期，人們無法推測宇宙大爆炸的那一刻物質(zhì)的分離速度，但我們今天卻能觀測到宇宙的這種膨脹效應(yīng)，這就是類星體的紅移。按多普勒效應(yīng)計算，只要天體的紅移值Z=1.25，就預(yù)示著這一天體以光速退行。根據(jù)狹義

34、相對論的觀點，物體的運動速度以光速為極限，就是說，宇宙中不應(yīng)該有紅移值超過1.25的天體。然而，在實際天文觀測中，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了上千個紅移值大于1.25的類星體，上百個紅移值大于3.0的類星體，據(jù)說在接近可觀測的宇宙邊緣，已發(fā)現(xiàn)了紅移值接近5.0的類星體。顯然，無限膨脹的宇宙已超出了光速極限的束縛，理論對此無法做出解釋，況且我們又是如何看到退行速度大于光速的天體呢？ 第六個問題是“哈勃常數(shù)“疑難：因為哈勃常數(shù)的倒數(shù)就是宇宙的年齡值，所以這是一個關(guān)于宇宙年齡的問題。天文學(xué)家已經(jīng)測定，宇宙中最古老的球狀星團的年齡是160億年，這應(yīng)該是宇宙年齡的下限。然而，自哈勃定律問世以來，所測得的哈勃常數(shù)卻始

35、終是一個不確定量，一直在50 100間大幅度變化。若取H。=75，則宇宙年齡為150億年，比球狀星團的年齡還要小，顯然是不合理的。因而以哈勃定律為計算依據(jù)的大爆炸宇宙學(xué)說，至今仍沒能給出宇宙的準(zhǔn)確年齡針對大爆炸宇宙學(xué)說所面臨的種種疑難，物理學(xué)家們并沒有放棄這一學(xué)說，而是從不同角度對它進行了補充和完善。二十世紀(jì)八十年代，麻省理工學(xué)院的粒子物理學(xué)家古斯等人將大統(tǒng)一理論中的真空對稱自發(fā)破缺機制引進了宇宙學(xué)，提出了“暴脹宇宙”的概念。 暴脹模型部分地解決了大爆炸宇宙模型所面臨的困難： 由于暴脹，宇宙所有性質(zhì)幾乎都在這個極短的瞬間散布到足夠大的空間中，兩個在暴脹前非常靠近的點，暴脹后雖然相距遙遠，但仍在

36、視界之內(nèi)，也就保持了因果關(guān)系。或者說，今天的宇宙是從一個比標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的原始狀態(tài)小得多的區(qū)域產(chǎn)生出來的，它的所有部分在當(dāng)時都有因果聯(lián)系，從而解決了視界問題。由于急劇而充分的暴脹，極早期宇宙小得光的穿越足以保證了初始區(qū)域內(nèi)的平滑，任何不規(guī)則性都會被這種空間的迅速擴展隨即“熨平”，同樣，在不同方向上膨脹速度的任何變化也立刻被暴脹“淹沒”了。如果引力作用是排斥的（假真空產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)），而膨脹是加速的，這個對決將促使宇宙膨脹越來越接近于某種臨界密度，被擴展得足夠平坦。平坦性問題也迎刃而解了。 盡管如此，面對宇宙在大尺度結(jié)構(gòu)上物質(zhì)的成團分布狀況，與極其均勻的微波背景輻射共存的奇怪現(xiàn)象，以及宇宙紅移等疑

37、難，物理學(xué)家們?nèi)匀幌菰诶Щ笾?。考古學(xué)和天文學(xué)的結(jié)合 考古天文學(xué)的興起，始于對英國索爾茲伯里以北的古代巨石建筑遺址，即著名的巨石陣所進行的研究。早在二百多年前就有人注意到，巨石陣的主軸線指向夏至?xí)r日出的方位，其中有兩塊石頭(現(xiàn)在的標(biāo)號為94號和93號石)的連線指向冬至?xí)r日落的方向。二十世紀(jì)初，英國天文學(xué)家洛基爾進一步研究了巨石陣他提出，從巨石陣中心望去，有一塊石頭(93號)，正指向5月6日和8月8日日落的位置；而另一塊石頭(91號)則指向2月5日和11月8日日出的位置。因此他推論，在建巨石陣的時代(約公元前2000年)已有一年分八個節(jié)氣的歷法。他的工作引起了許多天文學(xué)家和考古學(xué)家的注意。人們猜

38、測，巨石陣是遠古人類為觀測天象而建造的于是，對巨石陣進行了多次發(fā)掘。六十年代初，紐漢提出他找到了指向春分日和秋分日日出方位的標(biāo)志，并提出91、92、93、94號四塊石頭構(gòu)成一個矩形。矩形的長邊指向月亮的最南升起點和最北下落點的方位。差不多同時，天文學(xué)家霍金斯使用電子計算機對巨石陣中大量石頭構(gòu)成的各種指向線進行了分析計算，又找出許多新的指示日、月出沒方位的指向線?？紤]到現(xiàn)存的巨石陣遺址是分三次、后相隔幾個世紀(jì)建造的，而每次建造中都有指向日、月出沒方位的指向線，因此霍金斯認(rèn)為，巨石陣是古人有意建造的觀測太陽、月亮的觀象臺。他甚至認(rèn)為，巨石陣中56個圍成一個圓圈的奧布里洞能用來預(yù)報月食。后來天文學(xué)家

39、霍伊爾更認(rèn)為巨石陣能預(yù)報日食。 20世紀(jì)中國學(xué)者的天文學(xué)史研究 現(xiàn)代意義上的天文學(xué)史研究從20年代開始在中國起步，50年代和60年代得到迅速發(fā)展，80年代以后進入鼎盛時期。在過去100年中，出版專著(包括論文集)150多種。關(guān)于中國古代天文學(xué)史的研究處于世界領(lǐng)先地位。中國天文學(xué)史研究，是中國科學(xué)技術(shù)史研究最活躍、成果最多的領(lǐng)域之一。中國天文學(xué)的發(fā)展源遠流長，有關(guān)史料浩如煙海，其內(nèi)涵豐富多彩，包括有歷法、天文儀器與臺站、關(guān)于宇宙的理論、天體測量及星圖與星表、天象觀測與記錄、星占術(shù)、天文學(xué)家傳記、少數(shù)民族天文學(xué)、天文學(xué)起源、天文學(xué)社會史與中外交流史等諸多論題。 中國20世紀(jì)7次日全食 見Word天

40、文攝影作品：20世紀(jì)最后一次滿月（圖） 人類進入太空的首次記錄 人類進入太空已39載，首次記錄層出不窮，現(xiàn)摘選其中若干： 1961年4月12日，前蘇聯(lián)宇航員加加林乘東方1號飛船升空，歷時108分鐘，代表人類首次進入太空。1965年3月18日，前蘇聯(lián)宇航員列昂諾夫走出上升2號飛船，離船5米，停留12分鐘，首次實現(xiàn)人類航天史上的太空行走。1969年7月21日，美國宇航員阿姆斯特朗走出阿波羅11號飛船的登月艙，在月面停留21小時18分鐘，成為人類踏上月球第一人。1971年4月9日，前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一艘長期停留在太空的禮炮1號空間站。1981年4月21日，美國成功發(fā)射并返回世界上首架航天飛機哥倫比亞

41、號，使可重復(fù)使用的天地往返系統(tǒng)夢想成真。 1984年7月25日，前蘇聯(lián)薩維茨卡婭離開禮炮號空間站，成為第一位在太空行走的女宇航員。1985年7月25日，王贛駿乘挑戰(zhàn)者號航天飛機進入太空，成為第一位華裔宇航員。俄羅斯的波利亞科夫，于1994年至1995年間在和平號空間站上邊停留438天，成為在太空時間呆得最長的男宇航員；而美國的露西德于1996年在和平號上信留了188天，成為在太空時間呆得最長的女宇航員。1986年1月28日，挑戰(zhàn)者號航天飛機起飛時發(fā)生爆炸，7位宇航員全部遇難，成為迄今最大的一次航天災(zāi)難。1995年2月，發(fā)現(xiàn)號航天飛機上的美國宇航員科林斯成為第一位航天飛機的女駕駛員。1995年6

42、月29日，美國亞特蘭蒂斯號航天飛機與俄羅斯和平號空間站第一次對接，開始了總計9次的航天飛機與空間站的對接，為建造國際空間站拉開序幕。 挑戰(zhàn)者號緩緩升空 挑戰(zhàn)者號航天飛機在空中爆炸 遇難的中學(xué)女教師麥考利夫 宇航員們登機前向人們告別 宇航員家屬被驚呆了 二十世紀(jì)的地質(zhì)學(xué)地質(zhì)學(xué)是關(guān)于地球的物質(zhì)組成、內(nèi)部構(gòu)造、外部特征、各層圈之間的相互作用和演變歷史的知識體系。 地球自形成以來，經(jīng)歷了約46億年的演化過程，進行過錯綜復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，同時還受天文變化的影響，所以各個層圈均在不斷演變。 地質(zhì)學(xué)是一門什么科學(xué) 人類生存在地球上，它生活的環(huán)境和從事生產(chǎn)所需要的物質(zhì)資料都離不開地球。遠古時代我們的祖先便

43、試著了解地球，因而有了Geology（地質(zhì)學(xué)）這門學(xué)科，它與Geography（地理學(xué)）、Geometry（幾何學(xué)）、Geomonphology（地貌學(xué)）等都是關(guān)于大地的論述。 地質(zhì)學(xué)真正成為一門獨立的科學(xué)是在18世紀(jì)后半葉。隨著認(rèn)識能力的提高、探測手段的進步和資料知識的豐富，地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容也在不斷地擴大和更新。 人類對地質(zhì)現(xiàn)象的觀察和描述有著悠久的歷史，但作為一門學(xué)科，地質(zhì)學(xué)成熟的較晚。地質(zhì)學(xué)的研究對象是龐大的地球及其悠遠的歷史，這決定了這門學(xué)科具有特殊的復(fù)雜性。它是在不同學(xué)派、不同觀點的爭論中形成和發(fā)展起來的。 現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的發(fā)展 進入20世紀(jì)以來，社會和工業(yè)的發(fā)展，使得石油地質(zhì)學(xué)、水文地

44、質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)陸續(xù)形成獨立的分支學(xué)科。在地質(zhì)學(xué)各基礎(chǔ)學(xué)科穩(wěn)步發(fā)展的同時，由于各分支學(xué)科的相互滲透，數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)與地質(zhì)學(xué)的結(jié)合，新技術(shù)方法的采用，導(dǎo)致了一系列邊緣學(xué)科的出現(xiàn)。 地震波的研究揭示了固體地球的圈層構(gòu)造以及洋殼與路殼結(jié)構(gòu)的區(qū)別 ；高溫高壓巖石實驗研究，為人們認(rèn)識地殼深處地質(zhì)過程提供了較為可靠的依據(jù)。所有這些都促進了地質(zhì)學(xué)研究從定性到定量的過渡，并向微觀和宏觀兩個方向發(fā)展。 20世紀(jì)5060年代，全球范圍大規(guī)模的考察和探測，使地質(zhì)學(xué)研究從淺部轉(zhuǎn)向深部，從大陸轉(zhuǎn)向海洋，海洋地質(zhì)學(xué)有了迅速發(fā)展。 同時古地磁學(xué)、地?zé)釋W(xué)、重力測量都有重大進展，為新的全球構(gòu)造理論的產(chǎn)生提供了科學(xué)依據(jù)。 在這個基礎(chǔ)上，德國的魏格納于1915年提出的與傳統(tǒng)海陸固定論相悖離的大陸漂移說得以復(fù)活。 20世紀(jì)60年代初，美國的赫斯、迪茨提出的海底擴展理論較好地說明了漂移的機制。加拿大的威爾遜提出轉(zhuǎn)換斷層，并創(chuàng)用板塊一詞。60年代中期美國的摩根、法國的勒皮雄等提出板塊構(gòu)造說，用以說明全球構(gòu)造運動的基本理論，它標(biāo)志著新地球觀的形成，使現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)研究進入一個新階段。大陸漂移、海底擴張與板塊構(gòu)造學(xué)說展開世界地圖，明眼人一看就會驚異地發(fā)現(xiàn)，