chap.5 天文學(xué)的發(fā)展

燦爛星空，浩瀚宇宙，最神秘，最引人入勝；從古至今，不斷探索，最持久，最永無(wú)止境。

Chap.5天文學(xué)的發(fā)展

§5.1近代天文學(xué)的成就

§5.2現(xiàn)代的天文觀測(cè)

§5.3宇宙學(xué)的發(fā)展自然科學(xué)概論

Chap.5天文學(xué)的發(fā)展

§5.4天體的演化

天文學(xué)研究天體的分布，運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)，還研究天體的化學(xué)組成，物理性質(zhì)和演化的規(guī)律。它包括天體測(cè)量學(xué)，天體力學(xué)，天體物理學(xué)，射電天文學(xué)，空間天文學(xué)和宇宙學(xué)等分支學(xué)科。每個(gè)分支學(xué)科又包括若干個(gè)次級(jí)分支學(xué)科，在理論和技術(shù)兩方面都有豐富的內(nèi)容。

自然科學(xué)概論自然科學(xué)概論

天體測(cè)量學(xué)主要包括球面天文學(xué)，實(shí)用天文學(xué)等次級(jí)學(xué)科。

天體力學(xué)則包括天文動(dòng)力學(xué)，天體力學(xué)方法等次級(jí)學(xué)科。

天體物理學(xué)包括太陽(yáng)物理學(xué)，太陽(yáng)系物理學(xué)，恒星物理學(xué)，星系天文學(xué)，恒星天文學(xué)等。

射電天文學(xué)則包括射電天體物理學(xué)，射電天文方法，雷達(dá)天文學(xué)等自然科學(xué)概論

空間天文學(xué)又包括紅外天文學(xué)，紫外天文學(xué)，X射線天文學(xué)，射線天文學(xué)。

宇宙學(xué)是研究宇宙特征的新興學(xué)科。它主要研究宇宙的起源，結(jié)構(gòu)和演化，研究宇宙中物質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)以及宇宙的幾何特征等問(wèn)題。宇宙學(xué)目前包括相對(duì)論宇宙學(xué)，大爆炸宇宙學(xué)，宇宙演化理論等次級(jí)分支學(xué)科。天文學(xué)是一門(mén)古老又年輕的科學(xué)

----1萬(wàn)年前人類觀天象、測(cè)風(fēng)向、定時(shí)節(jié)近代自然科學(xué)是以天文學(xué)領(lǐng)域的革命為開(kāi)端的。天文學(xué)是一門(mén)最古老的科學(xué)。在西方，通過(guò)畢達(dá)哥拉斯、柏拉圖、喜帕恰斯、托勒密等人的研究，已經(jīng)提出了幾種不同的理論體系，成為一門(mén)最具理論色彩，又是提出理論模型最多的一門(mén)學(xué)科。同時(shí)，天文學(xué)與人們的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，人們種田靠天、畜牧靠天、航?？刻?、觀測(cè)時(shí)間也靠天，這就必然會(huì)有力推動(dòng)天文學(xué)的發(fā)展。自然科學(xué)概論§5.1近代天文學(xué)的成就

近代天文學(xué)是指16—19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的天文學(xué)。它是在古代天文學(xué)的基礎(chǔ)上，借助于近代物理學(xué)的成就形成的理論體系，包括天體力學(xué)，天體物理學(xué)，天體的觀測(cè)結(jié)果和形成的假說(shuō)。一、天體力學(xué)的成就自然科學(xué)概論

哥白尼創(chuàng)立的日心說(shuō)不僅動(dòng)搖了歐洲中世紀(jì)宗教神學(xué)的統(tǒng)治，而且奠定了近代天文學(xué)的基礎(chǔ)。在近代天文學(xué)中最先發(fā)展起來(lái)的是天體力學(xué)。天體力學(xué)是應(yīng)用牛頓的力學(xué)理論研究天體的運(yùn)動(dòng)和平衡的科學(xué)。

在牛頓之前，畢達(dá)哥拉斯，托勒密，哥白尼，第谷，開(kāi)普勒，惠更斯等人都對(duì)天體力學(xué)有貢獻(xiàn)，但是他們的工作都只局限在幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，而且取得的成果比較零散，沒(méi)有形成完整的理論體系。但是在牛頓創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)的體系之后，情況就不同了。有了經(jīng)典力學(xué)和微積分作為基礎(chǔ)，天體力學(xué)才真正地建立起來(lái)了。自然科學(xué)概論大學(xué)物理畢達(dá)哥拉斯，托勒密，哥白尼，第谷，開(kāi)普勒

1799年，法國(guó)的拉普拉斯出版了《天體力學(xué)》一書(shū)；這是天體力學(xué)的開(kāi)山之作。在這本書(shū)中，他把牛頓的萬(wàn)有引力定律推廣到整個(gè)太陽(yáng)系，研究了太陽(yáng)系中各個(gè)天體的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)他還證明了行星軌道的大小具有周期的變化，說(shuō)明了太陽(yáng)系的粒子性。他用自己的計(jì)算結(jié)果編出了精度很高的行星運(yùn)行表。自然科學(xué)概論拉普拉斯拉普拉斯視頻天體力學(xué)的建立和發(fā)展，使天文學(xué)從幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的范圍擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)的領(lǐng)域，使人們對(duì)天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力情況有了系統(tǒng)的，全面的認(rèn)識(shí)。在研究天體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，人們也在思考天體的起源和形成問(wèn)題?？档隆绽沟男窃萍僬f(shuō)是近代最有價(jià)值的太陽(yáng)系的起源和演變假說(shuō)?？档略?755年出版了《宇宙發(fā)展史概論》，第一個(gè)提出了太陽(yáng)系起源于原始星云的假說(shuō)。自然科學(xué)概論他認(rèn)為太陽(yáng)系的原始狀態(tài)是混沌的彌漫的微粒。起初密度較大的微粒吸引周圍密度較小的微粒，形成一個(gè)巨大的中心體，然后演變成原始的太陽(yáng)。其他較小的團(tuán)塊則在引力的的作用下向中心下落，同時(shí)由于斥力的作用使得團(tuán)塊改變運(yùn)動(dòng)方向，變成繞中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而成為行星和衛(wèi)星。自然科學(xué)概論康德的星云假說(shuō)具有重大的科學(xué)意義和哲學(xué)意義。康德認(rèn)為太陽(yáng)系是純物質(zhì)的，毫無(wú)其他神秘的或精神因素。他曾說(shuō)，只要給我物質(zhì)，我就能用它創(chuàng)造一個(gè)宇宙來(lái)。康德構(gòu)造宇宙只需要物質(zhì)和引力。另外，康德認(rèn)為只要引力和斥力就能說(shuō)明自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和發(fā)展的過(guò)程。因此，在康德的學(xué)說(shuō)中沒(méi)有停止，固定的觀念，而具有運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的思想。自然科學(xué)概論康德康德視頻

1796年，拉普拉斯也提出了一個(gè)星云假說(shuō)。他認(rèn)為太陽(yáng)系起源于一個(gè)巨大的，熾熱的，緩慢運(yùn)動(dòng)的原始星云，由于星云逐漸冷縮，使轉(zhuǎn)動(dòng)加快，從中分離出了繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體環(huán)。由于氣環(huán)的不均勻性，從而斷裂，逐漸形成了行星。星云的中心部分則凝聚成一團(tuán)，形成太陽(yáng)。自然科學(xué)概論康德和拉普拉斯的假說(shuō)有相同也有相異之處。后人常稱為康德—拉普拉斯星云假說(shuō)?？档碌脑夹窃剖菑浡墓腆w微粒，而拉普拉斯的星云則是熾熱的氣體。康德星云開(kāi)始是混亂的運(yùn)動(dòng)，后來(lái)才形成旋轉(zhuǎn)的?？档掠靡统饬?lái)解釋星云運(yùn)動(dòng)的原因。拉普拉斯不講運(yùn)動(dòng)的原因，也許他已發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題過(guò)于玄奧，是無(wú)論如何都說(shuō)不清楚的。自然科學(xué)概論康德提出星云假說(shuō)時(shí)并未引起人們的注意?？墒钱?dāng)拉普拉斯再次提出星云假說(shuō)時(shí)，卻引起巨大的反響，很快就得到公認(rèn)?？档隆绽沟男窃萍僬f(shuō)把發(fā)展變化的觀點(diǎn)引入了天文學(xué)，為天體的演化學(xué)說(shuō)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，星云假說(shuō)也是對(duì)牛頓以來(lái)占統(tǒng)治地位的形而上學(xué)思想的否定。當(dāng)然星云假說(shuō)并不能駁倒牛頓關(guān)于“第一推動(dòng)力”的假設(shè)。其實(shí)科學(xué)只能說(shuō)明一個(gè)有限系統(tǒng)的有限過(guò)程。它是不能解答無(wú)限的，終極的問(wèn)題的。自然科學(xué)概論二、天文觀測(cè)的成果自然科學(xué)概論

在19世紀(jì)中，天文觀測(cè)取得了不少新的成就，其中威廉赫歇爾的工作甚為突出。赫歇爾是德國(guó)天文學(xué)家，開(kāi)辟了恒星天文學(xué)的研究道路，是近代恒星天文學(xué)的創(chuàng)始人。

1、1783年，他通過(guò)對(duì)一些恒星的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)向著武仙座的方向運(yùn)動(dòng)。威廉赫歇爾

1805年，他又根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的27顆恒星的運(yùn)動(dòng)，再次進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)仍是向著武仙座的，與現(xiàn)今的測(cè)量結(jié)果相差不到十度。正如哥白尼證明地動(dòng)說(shuō)一樣，赫歇爾的研究證實(shí)了太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，是人類認(rèn)識(shí)宇宙空間的重大突破。自然科學(xué)概論

2、赫歇爾還證實(shí)了宇宙中存在雙星和聚星的現(xiàn)象。這是兩顆或多顆星在空間上的鄰近現(xiàn)象。聚星在17世紀(jì)就被觀測(cè)到了，但那時(shí)人們認(rèn)為這是一種偶然現(xiàn)象，沒(méi)有必然的聯(lián)系。可是赫歇爾卻不這樣認(rèn)為。他通過(guò)觀測(cè)得知這不是罕見(jiàn)的、偶然的天象，而是引力作用的一種必然結(jié)果。他認(rèn)為：雙星和聚星是由于引力的作用，使一些星球繞著系統(tǒng)的質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。自然科學(xué)概論雙星聚星他確定了一些雙星的運(yùn)動(dòng)周期，于1782年編出了260對(duì)雙星的星表，以后又增加到429對(duì)雙星。貝塞爾根據(jù)赫歇爾對(duì)雙星的研究，于1844年預(yù)言了天狼星和南河星都有一顆用眼看不見(jiàn)的伴星，稱為暗伴星。1862年，美國(guó)的克拉克果然發(fā)現(xiàn)了天狼星有一顆暗伴星。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了貝塞爾的研究，也證明了赫歇爾的雙星理論是正確的。同時(shí)更進(jìn)一步證實(shí)，牛頓的萬(wàn)有引力定律不僅適用于太陽(yáng)系，而且也適用于太陽(yáng)系以外的天體。

自然科學(xué)概論貝塞爾

3、赫歇爾發(fā)現(xiàn)了天王星并導(dǎo)致了海王星的發(fā)現(xiàn)。海王星的發(fā)現(xiàn)過(guò)程有重大的科學(xué)意義。

1781年，赫歇爾用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了土星之外的天王星，擴(kuò)大了當(dāng)時(shí)人們確定的太陽(yáng)系的邊界。1821年，布瓦爾編成了天王星的運(yùn)行表，并指出天王星的運(yùn)行出現(xiàn)反常，可能是受到了某種力量的干擾。1830年以后，貝塞爾提出天王星是受到了某個(gè)未知行星的影響。自然科學(xué)概論

1845年，英國(guó)的一個(gè)大學(xué)生亞當(dāng)斯首先算出了這顆未知行星的位置。次年，法國(guó)的勒威耶也算出這顆行星的位置。一個(gè)月后，柏林天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)加勒根據(jù)勒威耶的計(jì)算發(fā)現(xiàn)了這顆星，稱為海王星。海王星的發(fā)現(xiàn)不是出自觀測(cè)，而是理論的預(yù)言和計(jì)算結(jié)果的證實(shí)。這不僅說(shuō)明天文學(xué)已經(jīng)成熟為一門(mén)理論科學(xué)，而且再一次證明牛頓力學(xué)是宏觀運(yùn)動(dòng)的正確描述，用它解決機(jī)械運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題是十分成功的。自然科學(xué)概論

4、小行星的發(fā)現(xiàn)也是19世紀(jì)天文觀測(cè)的重要成就。1772年，德國(guó)天文學(xué)家波德研究了提丟斯的發(fā)現(xiàn)，提出了提丟斯—波德定則。這條定律指出，從金星開(kāi)始各行星到太陽(yáng)的平均距離服從一個(gè)關(guān)系：（天文單位）。根據(jù)這一定律的計(jì)算，在木星和火星之間還應(yīng)該有一顆行星。1801年，亞齊果然在這一天區(qū)發(fā)現(xiàn)了一顆小行星。以后天文學(xué)家接二連三地在太陽(yáng)系中發(fā)現(xiàn)小行星。到19世紀(jì)末，發(fā)現(xiàn)的小行星有400多顆。小行星的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)又深入了一步，知道了太陽(yáng)系中的一類新的天體。自然科學(xué)概論1980-2010發(fā)現(xiàn)的小行星

5、恒星視差的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)天文學(xué)的又一成果。視差就是從有一定距離的兩個(gè)點(diǎn)上觀察同一個(gè)目標(biāo)所產(chǎn)生的方向差異。從目標(biāo)看兩個(gè)點(diǎn)之間的夾角，叫做這兩個(gè)點(diǎn)的視差，兩點(diǎn)之間的距離稱作基線。只要知道視差角度和基線長(zhǎng)度，就可以計(jì)算出目標(biāo)和觀測(cè)者之間的距離。哥白尼曾經(jīng)預(yù)言，人們?cè)谟^測(cè)恒星時(shí)必然受到恒星產(chǎn)生微小的視位移，這稱為恒星視差。光行差指在同一瞬間，運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者所觀測(cè)到的天體視方向與靜止的觀測(cè)者所觀測(cè)到天體的真方向之差。

1725年，布萊德雷(德)在尋找恒星的周年視差時(shí)發(fā)現(xiàn)了恒星的周年光行差。自然科學(xué)概論光行差周年光行差由于地球的繞日運(yùn)動(dòng)，在地球上觀測(cè)恒星光線的方向并不是固定不變的，而是發(fā)生一些變化。這種現(xiàn)象是證明地球運(yùn)動(dòng)的一個(gè)直接證據(jù)。1837年，斯特魯維(俄)終于觀察到了織女星的周年視差。1838年，貝塞爾也宣布觀察到了恒星視差。光行差和恒星視差的發(fā)現(xiàn)有力的證明了哥白尼地動(dòng)學(xué)說(shuō)的正確性。這也說(shuō)明，天文觀測(cè)是天文學(xué)理論的最終依據(jù)。與觀測(cè)結(jié)果不相符合的理論是難以成立的。自然科學(xué)概論最先測(cè)定的恒星的周年視差觀測(cè)者測(cè)定恒星測(cè)定年代測(cè)定數(shù)值現(xiàn)代測(cè)定值布萊德雷（德）天鵝座6118380.314?0.30?亨德遜（英）南門(mén)二18390.98?0.76?斯特魯維（俄）織女星18390.261?0.124?布萊德雷（1784-1846），德國(guó)著名的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，1837年，布萊德雷發(fā)現(xiàn)天鵝座61正在非常緩慢地改變位置，第二年，他宣布這顆星的視差是0.31弧秒，這是世界上最早測(cè)定的恒星視差之一。物理學(xué)研究物質(zhì)最基本，最普遍的運(yùn)動(dòng)。因而，無(wú)論在什么年代，物理學(xué)的成就對(duì)各門(mén)自然科學(xué)都會(huì)產(chǎn)生重大的影響和推動(dòng)作用。在19世紀(jì)的天文學(xué)中，由于物理學(xué)的理論，方法和技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了一門(mén)天體物理學(xué)。天文學(xué)的這一分支研究天體的化學(xué)組成，物理性質(zhì)以及天體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和演化規(guī)律。天體物理學(xué)的誕生與分光術(shù)，照相術(shù)和測(cè)光術(shù)的應(yīng)用有密切的關(guān)系。自然科學(xué)概論三、天體物理學(xué)的誕生分光技術(shù)是牛頓首創(chuàng)的。他做了三棱鏡分光實(shí)驗(yàn)，得到了日光的連續(xù)光譜。到了1814年，夫瑯禾費(fèi)制成了第一個(gè)分光鏡，仔細(xì)地研究了太陽(yáng)的光譜。他發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的暗線，并且用分光鏡研究了月亮，金星，火星等的光譜，對(duì)于日光和星光的光譜做了系統(tǒng)的分析。后來(lái)，克希霍夫和本生提出了兩條光譜定律：1，每一種元素都有自己特有的光譜；2，每一種元素都能吸收它發(fā)射的譜線。

自然科學(xué)概論2009都江堰的日偏食演示白光的色散現(xiàn)象他們還發(fā)現(xiàn)，灼熱的固體和液體發(fā)射連續(xù)光譜，氣體則發(fā)射不連續(xù)的線狀光譜。他們的研究成果不但科學(xué)地解釋了光譜的本質(zhì)，而且使望遠(yuǎn)鏡和分光術(shù)結(jié)合起來(lái)，有力地推動(dòng)了天體分光學(xué)的研究。同時(shí)，人們對(duì)于天體的物理性質(zhì)和化學(xué)組成也發(fā)生了興趣，開(kāi)始了研究。自然科學(xué)概論氫原子光譜白光光譜雨后彩虹——連續(xù)光譜照相術(shù)是法國(guó)的尼普斯于19世紀(jì)30年代發(fā)明的，并且很快應(yīng)用到天文學(xué)上，起了很大的作用。1840年，美國(guó)的德拉珀?duì)柕谝粋€(gè)拍出了月亮的照片。以后，照相術(shù)，望遠(yuǎn)鏡，分光術(shù)互相結(jié)合，不斷改進(jìn)，成了研究天體的重要手段。自然科學(xué)概論

測(cè)光術(shù)就是測(cè)量天體射到地球上的光量。如果沒(méi)有測(cè)光術(shù)，人們就只能用肉眼感覺(jué)天體的明暗，不可能得出定量的，準(zhǔn)確的結(jié)論。1856年，普森(英)利用前人的成果建立了光度和星等之間的關(guān)系：相鄰兩個(gè)星等之間的亮度級(jí)差近似等于2.5倍。1859年，澤內(nèi)爾(德)制成了第一架近代的光度計(jì)；1861年又編出了第一個(gè)光度星表。在這些研究成果的基礎(chǔ)上才產(chǎn)生了恒星光度學(xué)。自然科學(xué)概論1856年，英國(guó)人普森建立了光度與星等的基本關(guān)系式，開(kāi)始了科學(xué)的測(cè)光工作。2.1859年，德國(guó)天文學(xué)家澤內(nèi)爾制作了第一架近代光度計(jì)，并于1861年公布了用這架儀器測(cè)量到的226顆亮星的第一個(gè)近代光度星表。

分光術(shù)，照相術(shù)和測(cè)光術(shù)是天文學(xué)的基本技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，促成了天體物理學(xué)的誕生和發(fā)展。這也說(shuō)明，天文學(xué)的發(fā)展不僅與數(shù)學(xué)有密切的關(guān)系，而且與物理學(xué)的發(fā)展和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展有密不可分的關(guān)系。有了必要的計(jì)算能力，有了必要的觀測(cè)手段，有了必要的理論依據(jù)，天文學(xué)才能深入地研究天體的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及天體運(yùn)動(dòng)和演化的規(guī)律。自然科學(xué)概論

§5.2現(xiàn)代的天文觀測(cè)自然科學(xué)概論一、觀測(cè)手段的發(fā)展

天文學(xué)的研究對(duì)象是各種各樣的星體。就目前而言，近距離的觀察天體是辦不到的，只能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的間接的觀察和測(cè)量。因此，天文學(xué)的發(fā)展特別依賴于觀測(cè)手段的發(fā)展和改進(jìn)。

從古代的天體測(cè)量學(xué)到近代的天體力學(xué)，再到現(xiàn)代的天體物理學(xué)的發(fā)展，都是與天文觀測(cè)手段的提高和更新是息息相關(guān)的。進(jìn)入20世紀(jì)以后，由于現(xiàn)代科技的蓬勃發(fā)展，天文觀測(cè)的手段日新月異、進(jìn)步非常的快，因而使現(xiàn)代天文學(xué)加速地發(fā)展起來(lái)。

1、光學(xué)測(cè)量技術(shù)有了新的進(jìn)展。隨著制造能力的提高，出現(xiàn)了越來(lái)越大的天文望遠(yuǎn)鏡。自然科學(xué)概論在20世紀(jì)的20年代，天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡直經(jīng)由1米增加到2米，人類觀測(cè)宇宙空間的能力提高了一倍，使得視野超出了銀河星系，發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的河外星系。到了70年代，物鏡的口徑增大到了6米，視野又大為開(kāi)拓，獲得了許多河外星系的信息。目前的天文望遠(yuǎn)鏡不僅是口徑日益增大，而且還裝置了光電成像高靈敏度的終端設(shè)備，使用了激光測(cè)距、星象復(fù)原等技術(shù)。特別是電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使光學(xué)觀測(cè)儀器的面貌煥然一新，獲得宇宙信息的能力大為提高。自然科學(xué)概論1、美國(guó)于1992年，1996年建成的兩個(gè)10米口徑的凱克I和凱克II號(hào)望遠(yuǎn)鏡，其聯(lián)合干涉觀測(cè)相當(dāng)于一架口徑14米望遠(yuǎn)鏡的威力。2、歐南天文臺(tái)(ESO)建造的超大望遠(yuǎn)鏡(VLT)，由4架口徑8米的望遠(yuǎn)鏡組成(=16m)；3、美國(guó)、英國(guó)等六國(guó)聯(lián)合建造的雙子座望遠(yuǎn)鏡由兩個(gè)8m望遠(yuǎn)鏡組成，于1998年完成一架，第二架于2000年完成。4、日本的8.2m昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡也已投入使用。世界上的大望遠(yuǎn)鏡我國(guó)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

名稱與口徑天文臺(tái)地點(diǎn)2.40米望遠(yuǎn)鏡國(guó)家天文臺(tái)（云南）麗江高美谷2.16米望遠(yuǎn)鏡國(guó)家天文臺(tái)(總部)河北興隆1.5米望遠(yuǎn)鏡上海天文臺(tái)上海佘山1.26米望遠(yuǎn)鏡國(guó)家天文臺(tái)(總部)河北興隆1.2米望遠(yuǎn)鏡國(guó)家天文臺(tái)(云南)云南昆明1.05米望遠(yuǎn)鏡陜西天文臺(tái)陜西臨潼1.0米望遠(yuǎn)鏡國(guó)家天文臺(tái)(云南)云南昆明太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡國(guó)家天文臺(tái)（總部）北京懷柔未來(lái)世界大望遠(yuǎn)鏡CELT加州超大望遠(yuǎn)鏡30米美里克天文臺(tái)GSMT巨型拼嵌望遠(yuǎn)鏡30米美麥克唐納ELT超大望遠(yuǎn)鏡50米瑞典倫德天文臺(tái)MAXAT極大口徑望遠(yuǎn)鏡

50米美國(guó)立天文臺(tái)OWL超凡望遠(yuǎn)鏡100米歐南臺(tái)1KM射電望遠(yuǎn)鏡多國(guó)

2、近幾十年來(lái)紅外探測(cè)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，制出了許多大口徑的紅外望遠(yuǎn)鏡。特別是由于空間技術(shù)的發(fā)展，用紅外技術(shù)探測(cè)到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡根本看不到的數(shù)萬(wàn)個(gè)紅外光源，發(fā)現(xiàn)了低溫紅外星和紅外星云等。

3、開(kāi)辟了新的“天窗”，增加了地面上的天文探測(cè)能力。宇宙天體不停地向周圍發(fā)射大量的電磁波，但是大部分電磁波都被地球的大氣層嚴(yán)重吸收而不能到達(dá)地面。自然科學(xué)概論能夠到達(dá)地面的只有兩個(gè)波段，通常稱為兩個(gè)天窗。一個(gè)是光學(xué)天窗，它包括可見(jiàn)光和一小部分紅外線和一小部分紫外線。另外一個(gè)是無(wú)線電天窗，它是波長(zhǎng)為1毫米至波長(zhǎng)60米的無(wú)線電波。自古以來(lái)，人們只能通過(guò)光學(xué)天窗，尤其是可見(jiàn)光來(lái)觀測(cè)太空。無(wú)線電天窗是1931年才發(fā)現(xiàn)的。1937年人類制成了第一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡。隨著射電觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們又發(fā)現(xiàn)了大量的天體和新的天文現(xiàn)象。自然科學(xué)概論

4、開(kāi)創(chuàng)了空間探測(cè)技術(shù)。光學(xué)天窗和無(wú)線電天窗只占天體電磁波譜的很小一部分，這使得地面上的天文探測(cè)還是受到很大的局限。為了擺脫這一局限，20世紀(jì)40年代有人使用高空氣球和高空火箭升到稠密的大氣之外去進(jìn)行探測(cè)。但是升高的極為有限，效果甚微。近20多年來(lái)，由于人造地球衛(wèi)星和宇宙飛船的制造和應(yīng)用，由于紫外望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡等各種先進(jìn)的探測(cè)工具的使用，天文學(xué)開(kāi)辟了空間探測(cè)的新領(lǐng)域。

自然科學(xué)概論哈勃望遠(yuǎn)鏡大學(xué)物理

不同輻射波段的太陽(yáng)光學(xué)紫外X射線射電大學(xué)物理不同波段的旋渦星系M81

光學(xué)中紅外遠(yuǎn)紅外

X射線紫外射電

空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展使人類突破了大氣層的屏蔽，獲得了許多新的成果。這些成果是站在地面上無(wú)法得到的。例如，1975年，發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源的爆發(fā)。由于空間探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，天文學(xué)不但由天窗時(shí)代進(jìn)入了全波時(shí)代，而且還從觀測(cè)時(shí)代推進(jìn)到實(shí)驗(yàn)時(shí)代。這是天文學(xué)發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。自然科學(xué)概論二、射電天文學(xué)的發(fā)展自然科學(xué)概論

1、射電天文學(xué)是利用天體的射電性質(zhì)來(lái)研究天文現(xiàn)象的一門(mén)科學(xué)。天體發(fā)射無(wú)線電波的現(xiàn)象被稱為射電現(xiàn)象。天體發(fā)射的無(wú)線電波到達(dá)地面時(shí)一般都比較微弱。但是由于無(wú)線電接收設(shè)備的靈敏度不斷提高，射電波便對(duì)地面上的無(wú)線電通信產(chǎn)生了干擾，從而引起了人們的注意，發(fā)展了射電天文學(xué)。利用天體的射電性質(zhì)來(lái)研究天文現(xiàn)象是天文學(xué)各個(gè)分支普遍使用的一種方法和手段。由于它手段獨(dú)特、發(fā)展迅速，能與空間天文學(xué)、光學(xué)天文學(xué)并駕齊驅(qū)，是天文學(xué)中重要的分支學(xué)科。

1931年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師央斯荃用高靈敏度的天線研究長(zhǎng)途電信中的干擾時(shí)，屢屢接收到一種來(lái)歷不明、但是較為穩(wěn)定的干擾。經(jīng)過(guò)一年多的精心測(cè)量和深入地分析，他發(fā)現(xiàn)這種干擾電波是來(lái)自遙遠(yuǎn)的太空，而且每當(dāng)天線指向銀河系的中心時(shí)，這種電波就會(huì)顯得格外地強(qiáng)烈。自然科學(xué)概論人們從此就發(fā)現(xiàn)了射電現(xiàn)象。自此以后，無(wú)線電技術(shù)不斷發(fā)展，射電現(xiàn)象就頻繁出現(xiàn)。1937年，瑞伯制成了第一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，并證實(shí)了央斯荃的發(fā)現(xiàn)。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的急需，雷達(dá)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。1942年，英國(guó)的雷達(dá)接收到來(lái)自太陽(yáng)的射電干擾。這時(shí)人們才確認(rèn)天體能發(fā)射無(wú)線電波。從此雷達(dá)技術(shù)被用于天文觀測(cè)，開(kāi)始了射電天文學(xué)的發(fā)展。自然科學(xué)概論最初的射電探測(cè)技術(shù)在分辨本領(lǐng)和成像能力兩方面比光學(xué)觀測(cè)差的很多。用它只能測(cè)出射電天體的方向，并不能確定它的形狀和位置。解決這兩個(gè)問(wèn)題是發(fā)展射電天文學(xué)的關(guān)鍵。20世紀(jì)60年代的研究很有成效，取得了兩次突破。一個(gè)是采用“甚長(zhǎng)基線干涉儀”，大大的提高了射電探測(cè)的分辨率。另一個(gè)是采用了“綜合孔徑”射電望遠(yuǎn)鏡，從而能容易得到天體的射電圖像，能達(dá)到很高的靈敏度。

自然科學(xué)概論在60年代制成了直徑100米，工作波長(zhǎng)為2厘米至3厘米的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡，以及直徑為10米、工作波長(zhǎng)為2至3毫米的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡。這兩種射電望遠(yuǎn)鏡能測(cè)量射電天文譜線，還能證認(rèn)大批的星際分子譜線。射電探測(cè)能力的提高，不僅能對(duì)已知天體進(jìn)行射電研究，獲得它們的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，而且還發(fā)現(xiàn)了大量的以往不知的天體和天文現(xiàn)象。這些新的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了對(duì)天體結(jié)構(gòu)和天體演化的研究。自然科學(xué)概論貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）中國(guó)在建世界最大射電望遠(yuǎn)鏡/a/20140103/002154.htm射電天文學(xué)的興起，迅速地改變了人們腦海中的宇宙圖景。它的突出成就是20世紀(jì)60年代的關(guān)于類星體、脈沖星、3K微波背景輻射和星際有機(jī)分子的發(fā)現(xiàn)。

2、最早被射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的是類星體。美國(guó)的桑德奇等人為了尋找某些射電源的對(duì)應(yīng)光學(xué)天體，于1960年用月掩射電源法發(fā)現(xiàn)了一種天體具有很特殊的光譜。1962年其他天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了類似的天體。這種天體在天文照相底片上貌似恒星，于是稱其為“類星體”。

自然科學(xué)概論

類星體是一種光度極高、距離極遠(yuǎn)的奇異天體，它們的大小不到一光年，而光度卻比直徑約為10萬(wàn)光年的巨星系還大一千倍！

1963年施來(lái)特首先辨認(rèn)出類星體的譜線是氫原子產(chǎn)生的。不過(guò)它的很大的紅移使譜線變得奇特了。同時(shí)人們還發(fā)現(xiàn)，類星體距我們很遙遠(yuǎn)，體積很小，能量卻很大。這些觀測(cè)結(jié)果是物理學(xué)和天體學(xué)都無(wú)法解釋的。因此，類星體的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)和天體演化學(xué)中新的課題，具有很大的影響。自然科學(xué)概論發(fā)現(xiàn)宇宙中最恐怖類星體群

3、脈沖星是英國(guó)休伊什等人于1967年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)他們用射電望遠(yuǎn)鏡研究星際的閃爍現(xiàn)象，偶然間接收到來(lái)自宇宙空間的射電脈沖信號(hào)。這些脈沖的周期從0.1秒到0.2秒不等，但它們的周期卻非常穩(wěn)定，因而使發(fā)現(xiàn)者認(rèn)為它是外星“小綠人”發(fā)來(lái)的電碼。后來(lái)，天文學(xué)家把這種能發(fā)出電脈沖的天體稱為脈沖星，并且證明脈沖星就是朗道(蘇)等人在30年代時(shí)所預(yù)言的中子星。自然科學(xué)概論

中子星是恒星演化到晚期時(shí)形成為一種特殊的星體。它之所以能發(fā)出射電脈沖，是因?yàn)樗且粋€(gè)自轉(zhuǎn)很快的磁體。脈沖星具有超高壓、超高溫、超高密度、超強(qiáng)磁場(chǎng)和超強(qiáng)輻射等極端性質(zhì)。因此對(duì)脈沖星的研究不僅能極大地豐富天體演化的理論，而且對(duì)于極端物理和極端技術(shù)的研究也具有重要意義。自然科學(xué)概論脈沖星

4、3K微波背景輻射是解決無(wú)線電通信問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)的。20世紀(jì)60年代初期，為了改進(jìn)與通信衛(wèi)星的聯(lián)系，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室建立了高靈敏度的號(hào)角式接受天線系統(tǒng)，以尋找各種可能的干擾。1964年，彭喬亞斯(美)和威爾遜(美)在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，收到了一種來(lái)歷不明又消除不掉的微波干擾。經(jīng)測(cè)試，這種干擾相當(dāng)于物質(zhì)在3.5K的溫度下發(fā)出的輻射。又經(jīng)過(guò)一年的測(cè)量，他們發(fā)現(xiàn)這種輻射不僅是各向同性，而且與季節(jié)無(wú)關(guān)。自然科學(xué)概論

宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)在近代天文學(xué)上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個(gè)有力的證據(jù)。宇宙背景輻與類星體、脈沖星、星際有機(jī)分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。彭齊亞斯和威爾遜也因發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自然科學(xué)概論普朗克探測(cè)器繪出精確宇宙微波背景輻射圖

§5.3

宇宙學(xué)的發(fā)展自然科學(xué)概論人們對(duì)宇宙這個(gè)詞：常有兩種不同的理解。第一種是哲學(xué)家或神學(xué)上的理解，認(rèn)為宇宙泛指天地萬(wàn)物，包含自然界的一切，是無(wú)限的。第二種是科學(xué)上的理解，宇宙是指人類觀測(cè)到的大尺度的時(shí)空系統(tǒng)，宇宙是有限的。因此，哲學(xué)上的宇宙是一種信仰對(duì)象，科學(xué)中的宇宙是一種認(rèn)識(shí)對(duì)象。宇宙學(xué)就是人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)和研究成果。宇宙是發(fā)展的、變化的、可認(rèn)識(shí)的，因而宇宙學(xué)也必然是發(fā)展的、變化的、有時(shí)代特征的。自然科學(xué)概論一、經(jīng)典宇宙觀自然科學(xué)概論

1、人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)是由近及遠(yuǎn)，由小及大的。古代自然哲學(xué)家談?wù)摰挠钪鎯H是大地和天空。公元2世紀(jì)時(shí)，托勒密提出了“地心說(shuō)”，認(rèn)為宇宙是個(gè)有限的球體、地球靜止地位于球心，日月星辰則圍繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)。托勒密寫(xiě)出了13卷的《天文學(xué)大成》，在中世紀(jì)被基督教奉為經(jīng)典名著，盛行了一千多年。托勒密的地心說(shuō)就是他那個(gè)時(shí)代的宇宙學(xué)，是為了解釋當(dāng)時(shí)的天文現(xiàn)象而提出的。地球中心學(xué)說(shuō)模型在15-16世紀(jì)，波蘭的哥白尼經(jīng)過(guò)幾十年的觀測(cè)和研究，發(fā)現(xiàn)了地心說(shuō)的錯(cuò)誤，提出了日心論。他認(rèn)為太陽(yáng)是宇宙的中心，地球和行星都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，人們所看到的天體運(yùn)動(dòng)只是地球自轉(zhuǎn)所造成的視覺(jué)發(fā)應(yīng)。哥白尼的日心論代表了他那個(gè)時(shí)代的宇宙學(xué)水平，不但在當(dāng)時(shí)有重大的反宗教意義，而且奠定了現(xiàn)代天文學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)后世的自然科學(xué)有深遠(yuǎn)的影響。自然科學(xué)概論日心學(xué)說(shuō)到了1609年，伽里略使用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了木星的四個(gè)大衛(wèi)星和金星的盈虧，充分證明了日心說(shuō)的正確性，而且視野已經(jīng)擴(kuò)展到銀河系。銀河是由無(wú)數(shù)個(gè)恒星組成的。從此人類對(duì)宇宙的理解便從太陽(yáng)系擴(kuò)大到了銀河系。18世紀(jì)時(shí)，天文學(xué)家認(rèn)為宇宙就是“星系”，而不再是銀河系了。自然科學(xué)概論到了20世紀(jì)，大型的天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，電子技術(shù)和無(wú)線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，射電望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)化技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，特別是空間技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，極大地推進(jìn)了人類對(duì)宇宙的觀測(cè)和理解。

1957年，第一顆人造衛(wèi)星上天，開(kāi)創(chuàng)了從太空觀測(cè)，研究地球和宇宙的新時(shí)代。1969年，宇宙飛船把人類送上了月球，隨后，宇宙探測(cè)器飛近水星，金星和火星。自然科學(xué)概論

20世紀(jì)70年代，先驅(qū)者號(hào)宇宙飛船攜帶了與外星人聯(lián)系的金星信息板飛向太空深處。旅行者2號(hào)攜帶地球之音，115張幻燈片，35種地球音響，60種人類語(yǔ)言，擦木星，火星而過(guò)，脫離了太陽(yáng)系，向宇宙的深處飛去，以探索宇宙人是否存在。“天空實(shí)驗(yàn)室”及航天飛機(jī)的成功使人類在沒(méi)有地球大氣層干擾的情況下能對(duì)月球和各大行星就近觀測(cè)和直接取樣觀測(cè)，以及對(duì)宇宙環(huán)境的直接觀測(cè)。自然科學(xué)概論1973年美國(guó)發(fā)射第一艘星際飛船先驅(qū)者10號(hào)這些觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了地球大氣的磁層和宇宙中存在的Z射線、R射線、紅外線、紫外線，并且測(cè)到了大行星表面的物理特征和化學(xué)成分，極大地豐富了人類對(duì)太陽(yáng)系和宇宙的認(rèn)識(shí)。

2、牛頓總結(jié)了前人的成果，提出了物體運(yùn)動(dòng)的三大定律和萬(wàn)有引力定律，對(duì)地面上物體的運(yùn)動(dòng)和天空中星球的運(yùn)動(dòng)給出了統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于這種成功，牛頓提出了他的宇宙模型：不計(jì)其數(shù)的形體在無(wú)限的、絕對(duì)的時(shí)空中均勻的分布。自然科學(xué)概論他們靠萬(wàn)有引力互相聯(lián)系，沿著各自的軌跡永不停息的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。這樣的模型代表了17世紀(jì)到20世紀(jì)初人們的宇宙觀，通常稱為牛頓經(jīng)典宇宙觀。

在牛頓的模型中，宇宙沒(méi)有邊界。在無(wú)限的宇宙空間中，不論沿什么方向都可看到均勻分布的無(wú)窮多天體。這種無(wú)限宇宙模型雖然得到了公認(rèn)，但是它卻存在著無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷。這種缺陷反映在兩個(gè)著名的佯謬中。自然科學(xué)概論第一個(gè)是本特利佯謬。1692年，本特利致信牛頓，對(duì)他的宇宙模型提出異議：如果宇宙是無(wú)限的，則宇宙中每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都需要受到無(wú)窮大的力，這將使宇宙中的物質(zhì)坍縮到一點(diǎn)，不可能均勻分布。牛頓則認(rèn)為，由于恒星的分布是均勻的，因而萬(wàn)有引力達(dá)到平衡，不會(huì)造成坍縮。其實(shí)，這種解釋是不能成立的。因?yàn)橐坏┯幸活w恒星發(fā)生些微的移動(dòng)，平衡便會(huì)失去，坍縮就會(huì)出現(xiàn)。自然科學(xué)概論第二個(gè)佯謬是奧伯斯佯謬。早在1720年，哈雷就已提到：如果恒星是無(wú)限多，那么向任何一個(gè)方向都能看到恒星，天空就會(huì)通亮，就不會(huì)出現(xiàn)日落之后的黑夜。后來(lái)奧伯斯解釋說(shuō)，恒星之間存在云和塵埃，擋住了我們的視線，出現(xiàn)了黑夜。這個(gè)解釋顯然也是不能成立的。因?yàn)楹阈前l(fā)出去的光線一定能把塵云加熱到發(fā)光，使得天空被光芒照亮。自然科學(xué)概論牛頓宇宙學(xué)的困難是無(wú)法克服的。這就使得提出新的宇宙模型是很有必要的了。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論為依據(jù)，提出了新的宇宙模型。自然科學(xué)概論二、現(xiàn)代宇宙學(xué)的產(chǎn)生自然科學(xué)概論

1905年愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，1916年又提出了廣義相對(duì)論。在當(dāng)時(shí)，愛(ài)因斯坦為了檢驗(yàn)自己的理論，把具有強(qiáng)引力場(chǎng)的天體系統(tǒng)作為廣義相對(duì)論的處理對(duì)象。1917年，他發(fā)表了第一篇宇宙學(xué)論文，從而開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。在這篇論文中，愛(ài)因斯坦分析了牛頓的無(wú)線宇宙模型的不合理處，提出了一個(gè)“有限、無(wú)邊、靜態(tài)”的宇宙模型。同年，德西特提出了空虛膨脹宇宙模型。1922年，弗里德曼提出了一個(gè)非靜態(tài)宇宙模型，1927年，勒梅特在弗里德曼理論的基礎(chǔ)上提出了大尺度空間隨時(shí)間膨脹的概念。上述這些宇宙模型都是以廣義相對(duì)論為前提的早期研究成果。自然科學(xué)概論愛(ài)因斯坦關(guān)于時(shí)間、空間和引力的全新理論愛(ài)因斯坦1897—195520世紀(jì)最偉大的科學(xué)家1917年愛(ài)因斯坦建立有限無(wú)邊的靜態(tài)宇宙模型1922年弗里德曼提出宇宙演化動(dòng)態(tài)模型1927年勒梅特提出膨脹宇宙模型對(duì)于愛(ài)因斯坦的“有限，無(wú)邊，靜態(tài)”模型可以做些粗淺的理解。通常的球面就是一個(gè)例子。有限是指它的面積有限，無(wú)邊是指球面上沒(méi)有邊界。在球面上的任意兩點(diǎn)之間，最短的連線不是直線，而是球面上的某條曲線。因此，球面不是平直空間，而是二維的彎曲空間。自然科學(xué)概論人物欄目_愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦宇宙模型是一個(gè)有限無(wú)邊的三維空間，數(shù)學(xué)上可以把這樣的空間表達(dá)為三維超球。在這個(gè)超球上運(yùn)動(dòng)是遇不到邊界的。如果你一直往西走，就會(huì)從東邊回到出發(fā)點(diǎn)，這就是愛(ài)因斯坦的有限無(wú)邊宇宙。不過(guò)這個(gè)宇宙的范圍極大，光線繞行一周也需要許多億年。自然科學(xué)概論在人們的觀念中總是樂(lè)于接受靜態(tài)的宇宙模型，因?yàn)殪o態(tài)模型不需要與創(chuàng)生之前，末日之后的問(wèn)題打交道。當(dāng)初愛(ài)因斯坦建立的引力場(chǎng)方程并沒(méi)有靜態(tài)的解，可是他在方程中添加了一個(gè)宇宙常數(shù)項(xiàng)，得到了他喜歡的靜態(tài)解。自然科學(xué)概論

宇宙學(xué)原理：愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論宇宙模型消除了牛頓宇宙模型中的佯謬。他的思想和方法為現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但是他的靜態(tài)模型是不符合天文事實(shí)的。天文觀測(cè)表明，宇宙是動(dòng)態(tài)的，正在做膨脹運(yùn)動(dòng)的。

1917年，愛(ài)因斯坦在構(gòu)造第一個(gè)宇宙模型時(shí)使用了一個(gè)假設(shè)：物質(zhì)在宇宙空間中的分布是均勻的，各向同性的。如果從我們習(xí)慣的宏觀角度來(lái)看，有些地方星體密集，有些地方?jīng)]有星體，這條假設(shè)顯然是錯(cuò)誤的。自然科學(xué)概論宇宙學(xué)中把愛(ài)因斯坦的上述假設(shè)稱為“宇宙學(xué)原理”。這條原理是歷史的產(chǎn)物?；叵牍糯?，亞里士多德和托勒密從日常經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，提出地球是宇宙的中心。后來(lái)人們才逐漸認(rèn)識(shí)到地球、太陽(yáng)、銀河系都不是中心；宇宙根本就沒(méi)有中心。今日的學(xué)者已經(jīng)公認(rèn)：在宇宙中，觀察者在任何一點(diǎn)觀測(cè)到的自然規(guī)律都應(yīng)該是一樣的。

自然科學(xué)概論目前，已經(jīng)有資料顯示，在3億-10億光年的范圍內(nèi)，星系的分布是相當(dāng)均勻的。宇宙學(xué)原理是否能成立，還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。在1910-1920年間，洛威爾天文臺(tái)的斯里弗(美)發(fā)現(xiàn)許多星系的光譜線都有向紅端移動(dòng)的現(xiàn)象。這說(shuō)明光譜線的波長(zhǎng)增大了。產(chǎn)生紅移現(xiàn)象的原因可以用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋。自然科學(xué)概論火車?guó)Q笛而過(guò)(多普勒)馬航與多普勒效應(yīng)

哈勃紅移與哈勃定律：當(dāng)一列火車迎面駛來(lái)時(shí)，我們聽(tīng)到汽笛的聲調(diào)（頻率）會(huì)變高，當(dāng)火車駛?cè)r(shí)，汽笛的聲調(diào)會(huì)變低。光源也有類似的多普勒效應(yīng)。星系存在紅移現(xiàn)象，說(shuō)明星系正在離開(kāi)我們向遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)。星系的紅移量Z與其退行的速度V成正比，即Z=V/C。

1929年，哈勃進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)所有銀河外星系的譜線都有紅移現(xiàn)象，而且紅移量Z與距離D成正比，即（Z=HoD/C）自然科學(xué)概論

這個(gè)關(guān)系式叫做哈勃定律。式中C為光速Ho是哈勃常數(shù)，D是星系和我們的距離。由哈勃定律可得V=HoD。這說(shuō)明：星系的運(yùn)行速度與它到我們的距離成正比，也就是說(shuō)，星系越遠(yuǎn)，退行越快，紅移量也越大。哈勃定律是20世紀(jì)天體物理學(xué)中的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。它告訴我們，所有的星系都在離我們而去。把哈勃定律和宇宙學(xué)原理結(jié)合起來(lái)便可以推知，各個(gè)星系并不只是對(duì)我們做遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)，而是毫無(wú)例外的相互遠(yuǎn)離。自然科學(xué)概論這就是說(shuō)，從任何一個(gè)星系上看。其他星系都在退后。由此得知：宇宙的空間尺度正在增大，宇宙正處在膨脹之中。不僅如此，由哈勃定律還可以證明：宇宙的膨脹是一種全空間的均勻膨脹。也就是說(shuō)宇宙在膨脹的同時(shí)仍然保持空間分布的均勻性。自然科學(xué)概論對(duì)于三維有限無(wú)邊宇宙的膨脹，我們?nèi)钥梢杂枚S的球面來(lái)加以類比。不妨把膨脹的宇宙類比為一個(gè)不斷吹大的氣球。球面上的點(diǎn)代表一個(gè)星系。在氣球不斷膨脹時(shí)，氣球上所有點(diǎn)之間的距離都在不斷增大，點(diǎn)的密集程度不斷減小。站在任意一個(gè)點(diǎn)上觀測(cè)其他的點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一切點(diǎn)都在做退行運(yùn)動(dòng)，而且越運(yùn)動(dòng)退行得速度越快。這種情景好像是哈勃站在地球上能觀察到的星系退行情況。自然科學(xué)概論宇宙的膨脹模型紅移現(xiàn)象和哈勃定律否定了靜態(tài)的宇宙模型，雄辯地證明宇宙是動(dòng)態(tài)的，宇宙是在膨脹。愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程本來(lái)給出的是動(dòng)態(tài)宇宙群，可是他當(dāng)時(shí)竟然修改引力場(chǎng)方程，非要弄成靜態(tài)解，塑造出自己喜歡的靜態(tài)宇宙模型。后來(lái)愛(ài)因斯坦責(zé)備了自己，說(shuō)這是他一生中做出的最大的一件錯(cuò)事。自然科學(xué)概論三、大爆炸宇宙學(xué)自然科學(xué)概論如果承認(rèn)由哈勃定律得出的宇宙膨脹結(jié)論，必然要認(rèn)為早期的宇宙比現(xiàn)在小，物質(zhì)比現(xiàn)在密集。20世紀(jì)40年代，加莫夫(美)等人提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：宇宙在100多億年以前是由一個(gè)超高溫、超高密的“宇宙蛋”經(jīng)過(guò)爆炸產(chǎn)生出來(lái)的。宇宙大爆炸宇宙蛋發(fā)生了大爆炸，宇宙便生出了，然后經(jīng)過(guò)由熱到冷，由密到疏的演化，發(fā)展成為今日的宇宙。用這種觀點(diǎn)研究宇宙的起源和演化，被人稱為大爆炸宇宙學(xué)。由大爆炸學(xué)說(shuō)建立的宇宙模型稱為標(biāo)準(zhǔn)模型。自然科學(xué)概論

大爆炸理論的不少預(yù)言已經(jīng)被觀測(cè)證實(shí)。它的一個(gè)最著名的預(yù)言是：今日的宇宙仍然存在背景輻射。大爆炸理論認(rèn)為，宇宙物質(zhì)由空間中一個(gè)點(diǎn)爆炸以后，所有的物質(zhì)都被拋射出去，互相遠(yuǎn)離。在初期，這些物質(zhì)是高溫、高壓、高密的，溫度在1000億度左右。到100萬(wàn)年時(shí)，早期的熱輻射開(kāi)始在宇宙空間中自由傳播。伴隨宇宙膨脹，溫度逐漸降低。根據(jù)理論計(jì)算，到今日殘留下來(lái)的熱輻射溫度是3K左右。自然科學(xué)概論

1964年，彭齊亞斯和威爾遜在美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室工作從事消除噪音，改善衛(wèi)星通信的工作。他們反復(fù)改進(jìn)儀器，但總是消除不掉來(lái)自天空的、溫度為3K的噪音。最后得出結(jié)論：這種輻射不可能來(lái)自某個(gè)天體。

1965年，普林斯頓大學(xué)的迪克(美)率隊(duì)訪問(wèn)了彭齊亞斯和威爾遜。經(jīng)過(guò)一番分析，他們認(rèn)定：這種噪音就是大爆炸理論所預(yù)言的背景輻射。自然科學(xué)概論彭齊亞斯威爾遜彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)使大爆炸理論聲名大作，使大多數(shù)宇宙學(xué)家認(rèn)同了這一理論。他們兩人也因這一重大發(fā)現(xiàn)獲得1978年諾貝爾獎(jiǎng)。

大爆炸理論的另一個(gè)預(yù)言是：在宇宙物質(zhì)中氦占四分之一。經(jīng)許多天文學(xué)家的大量測(cè)量，結(jié)果確實(shí)如此。自然科學(xué)概論大爆炸理論還預(yù)言:宇宙的年齡約為160億年。人們用測(cè)定放射性同位素半衰期的方法測(cè)得太陽(yáng)系的年齡約為50億年；利用天文學(xué)方法測(cè)量恒星表面的溫度，從而確定球狀星團(tuán)的年齡是100億年；用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)到了130億年的天體。這證明天體年齡的測(cè)量結(jié)果與大爆炸理論的預(yù)言是相符的。自然科學(xué)概論一系列預(yù)言的證實(shí)，使大爆炸宇宙學(xué)獲得巨大的成功，成為現(xiàn)代宇宙學(xué)的主流。大爆炸宇宙模型是當(dāng)代人類的宇宙觀。大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為宇宙是由原始火球（素點(diǎn)）的爆炸產(chǎn)生出來(lái)的。在爆炸之后，宇宙開(kāi)始膨脹，在膨脹的過(guò)程中溫度不斷下降，密度不斷減小。它的演變過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段：自然科學(xué)概論

1、基本粒子形成階段。這一階段經(jīng)歷1秒鐘，又稱為宇宙極早階段。

0秒時(shí)發(fā)生大爆炸，宇宙由一個(gè)原始的素點(diǎn)開(kāi)始，時(shí)間和空間也同時(shí)開(kāi)始。這時(shí)的宇宙溫度無(wú)限高，密度無(wú)限大；物質(zhì)的存在形式不得而知。在10-44秒時(shí)，宇宙的密度為1023kg/m3，溫度為1032K。這時(shí)的宇宙只有時(shí)間、空間和真空?qǐng)?，沒(méi)有任何粒子。自然科學(xué)概論在10-36

秒時(shí)，溫度降到1028K

，宇宙突然暴漲，直徑增大了1050倍。在4×10-11秒—10-6秒期間，出現(xiàn)了夸克、輕子等大數(shù)量的基礎(chǔ)組元。由于能量非常高，這時(shí)強(qiáng)、弱和電磁作用沒(méi)有區(qū)別，是統(tǒng)一的一種力。在10-6秒左右，宇宙的溫度降到1013K。這時(shí)夸克有可能結(jié)合成介子、重子（質(zhì)子和中子等一類強(qiáng)子），是強(qiáng)子的生成階段。這時(shí)強(qiáng)、弱、電磁作用逐漸分開(kāi)。自然科學(xué)概論在10-2秒左右，宇宙溫度到1011K，物質(zhì)密度下降到1011kg/m3，產(chǎn)生重子的反應(yīng)停止，重子中只剩下質(zhì)子和中子。宇宙進(jìn)入了輕子時(shí)代。宇宙中最重要的成分變?yōu)楣庾?、各種中微子和正負(fù)電子。相對(duì)實(shí)物粒子來(lái)講，光子占優(yōu)勢(shì)。于是，宇宙進(jìn)入輻射優(yōu)勢(shì)階段。

2、輻射優(yōu)勢(shì)階段。這個(gè)階段又叫元素起源階段，是大爆炸后的第一秒到30分鐘。自然科學(xué)概論在1秒時(shí)，宇宙的物質(zhì)密度降到107kg/m3

，溫度降到1010K。這時(shí)的宇宙不僅整體上膨脹占優(yōu)勢(shì)，而且各處都是輻射為主的階段。這時(shí)質(zhì)子與中子的相互轉(zhuǎn)換使質(zhì)子數(shù)目增多、中子的數(shù)目減少。

4秒以后，宇宙的溫度降到109K以下。此時(shí)正負(fù)電子對(duì)迅速湮滅，中子與質(zhì)子的轉(zhuǎn)換反應(yīng)基本停止。這時(shí)的重子中，中子數(shù)約占14%，質(zhì)子數(shù)約占86%。自然科學(xué)概論

3分鐘以后，宇宙的溫度降到106K以下。中子和質(zhì)子有可能結(jié)合成氘核，氘核又進(jìn)一步反應(yīng)形成氦核，所以這個(gè)階段又叫核合成（即元素形成）階段。核合成結(jié)束時(shí)，氦的質(zhì)量占宇宙總質(zhì)量的28%左右，氘占1%，其余的大部分是氡，還有少量的鋰和鈹。在30分鐘時(shí)，由于溫度較低，各種粒子相互碰撞，再發(fā)生反應(yīng)的可能性很小，于是宇宙中各種粒子數(shù)的豐度便基本上保持不變。自然科學(xué)概論在大爆炸后的半小時(shí)，宇宙中光子數(shù)與重子數(shù)之比約為109。這時(shí)的宇宙是光子的海洋，進(jìn)入了輻射的鼎盛期。

3、物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)階段。大爆炸后的1萬(wàn)年左右，宇宙的溫度降到105K，光子的輻射逐漸減弱。40萬(wàn)年后，高能光子都變成低能光子，它們不能再激發(fā)原子。這樣，宇宙中的光子和原子成為沒(méi)有耦合作用的兩種獨(dú)立組分，于是宇宙變得透明。當(dāng)宇宙的溫度降到4000K時(shí)，原子開(kāi)始形成。自然科學(xué)概論

起先只產(chǎn)生了較輕的元素，宇宙中的物質(zhì)主要是氣狀的。在以后漫長(zhǎng)的時(shí)期中，當(dāng)發(fā)生了某種非均勻的擾動(dòng)時(shí)，有些氣體物質(zhì)便在引力的作用下凝成了氣體云（星云）。氣體再進(jìn)一步收縮，就產(chǎn)生了各種各樣的星系和恒星。在星系和恒星的內(nèi)部才產(chǎn)生了較重的元素。以上是大爆炸宇宙學(xué)描繪的宇宙演化的大致圖景。由于沒(méi)有觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的佐證，至今只能作為一種假說(shuō)。自然科學(xué)概論大爆炸宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型宇宙誕生（100多億年前）高溫、高密狀態(tài)Planck時(shí)代1032K大統(tǒng)一時(shí)代1028K強(qiáng)子時(shí)代輕子時(shí)代核合成時(shí)代復(fù)合時(shí)代1013K1011K109K4000K10-44s粒子產(chǎn)生10-36s重子不對(duì)稱性產(chǎn)生10-6s大量強(qiáng)子過(guò)程10-2s輕子過(guò)程3min

中子質(zhì)子合成輕原子核4×105a中性原子生成，光子脫耦，星系形成大爆炸宇宙理論與其他的各種宇宙模型相比，是比較成功的一種。它能證明較多的觀測(cè)事實(shí)而且能證明其它學(xué)說(shuō)不能證明的宇宙氦豐度。但是大爆炸理論也遇到了一些困難。其一是膨脹的原始物質(zhì)云如何凝聚成各級(jí)天體的問(wèn)題沒(méi)有得到解決。其二是原始火球在爆炸時(shí)是具有無(wú)限高的溫度和無(wú)限大的密度的“奇點(diǎn)”，這是一種無(wú)法理解的說(shuō)法。其三，對(duì)原始火球或宇宙蛋的來(lái)源很難給出合理的科學(xué)解釋或哲學(xué)解釋，很有些神話的味道。自然科學(xué)概論

其四，大爆炸宇宙理論的依據(jù)是星系的退行引起了星系的譜線紅移。但是“紅移”未必是“退行”造成的。紅移的原因有待于進(jìn)一步的觀測(cè)和探討。由于大爆炸宇宙理論存在不少困難，英國(guó)的邦迪等人于1948年提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論。這一理論首先補(bǔ)充了宇宙學(xué)原理，認(rèn)為“宇宙的大型結(jié)構(gòu)不隨時(shí)間變化”。他們認(rèn)為，宇宙中的物質(zhì)分布不但在空間上是均勻的、各向同性的，而且在時(shí)間上也是穩(wěn)定不變的。自然科學(xué)概論

他們既提出新的宇宙原理又認(rèn)同宇宙膨脹，于是認(rèn)為在宇宙膨脹中有新的物質(zhì)不斷產(chǎn)生出來(lái)，否則的話，就不能保持物質(zhì)的密度不變、不能保持宇宙的穩(wěn)恒性。這種理論認(rèn)為新的物質(zhì)不是由輻射形成的，而是從虛無(wú)中創(chuàng)生出來(lái)的。另外，這個(gè)理論也解釋不了宇宙中的微波背景輻射。法國(guó)的伏庫(kù)勒等人提出了另一種等級(jí)式宇宙模型。他們首先不承認(rèn)宇宙學(xué)原理，而是認(rèn)為宇宙的結(jié)構(gòu)是分等級(jí)的。自然科學(xué)概論宇宙由小到大分別是恒星、星系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)等，而且在大尺度上宇宙物質(zhì)也是成團(tuán)的。由這個(gè)模型推出，離我們?cè)竭h(yuǎn)的地方物質(zhì)密度越小。等級(jí)式模型沒(méi)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)表述，也沒(méi)有重要的理論預(yù)言，所以附和的人不多。按照大爆炸理論，自大爆炸以后，宇宙便不斷地膨脹，至今已有150多億年。宇宙是一個(gè)引力作用的系統(tǒng)，膨脹的速度應(yīng)該逐漸減小，但是目前的觀測(cè)表明，宇宙膨脹的速度還沒(méi)有明顯的減緩。自然科學(xué)概論自然科學(xué)概論由廣義相對(duì)論可知，宇宙將來(lái)是繼續(xù)膨脹還是可能收縮要取決于宇宙的密度是大于還是小于臨界密度。

弗里德曼(蘇)等人曾利用廣義相對(duì)論的愛(ài)因斯坦方程推導(dǎo)出了決定宇宙命運(yùn)的臨界密度式中Ho是哈勃常數(shù)，G是萬(wàn)有引力常數(shù)。取=15千米/秒·百萬(wàn)光年，可以算出:自然科學(xué)概論如果宇宙的真實(shí)密度，則得出結(jié)論：宇宙將一直膨脹下去，稱其為開(kāi)放宇宙。對(duì)于開(kāi)放宇宙而言，星系和恒星內(nèi)部的核燃料必將耗盡，宇宙必然衰亡，成為黑暗世界。如果，則宇宙將會(huì)收縮，稱為封閉宇宙。隨著收縮的進(jìn)行，宇宙的溫度會(huì)越來(lái)越高，又將恢復(fù)成原始火球，再往后又會(huì)突然爆炸、膨脹。所以封閉的宇宙又可稱為震蕩宇宙或循環(huán)宇宙。許多學(xué)者認(rèn)為，我們現(xiàn)在的宇宙是震蕩宇宙。其理由是，在我們的宇宙中還有數(shù)量巨大的暗物質(zhì)沒(méi)有計(jì)算進(jìn)去。就目前的計(jì)算，宇宙的平均密度還不足臨界密度的1/10，顯然是開(kāi)放宇宙。但是我們計(jì)算的物質(zhì)只不過(guò)是宇宙中的一點(diǎn)發(fā)光物質(zhì)。其實(shí)宇宙物質(zhì)的大部分是暗物質(zhì)。自然科學(xué)概論有人估算銀河系中的暗物質(zhì)就多達(dá)80%。由此可見(jiàn)，如果大爆炸理論是可靠的，臨界密度理論是可靠的，暗物質(zhì)理論也是可靠的，我們便可相信：現(xiàn)在的宇宙是一個(gè)可以死而復(fù)生的震蕩宇宙。自然科學(xué)概論

§5.4天體的演化自然科學(xué)概論天體演化學(xué)是天文學(xué)的一個(gè)重要分支。它研究各種天體和天體系統(tǒng)的起源和演化。18世紀(jì)康德和拉普拉斯提出星云假說(shuō)來(lái)解釋太陽(yáng)系的起源，開(kāi)創(chuàng)了天體演化學(xué)。到了20世紀(jì)，由于天文觀測(cè)取得新的成果以及物理學(xué)的支持，又進(jìn)一步推動(dòng)了天體演化學(xué)的發(fā)展。一、星系和星系團(tuán)的起源和演變自然科學(xué)概論

萬(wàn)有引力把分散的物質(zhì)聚集成團(tuán)，從而形成了星系和星系團(tuán)。星系是構(gòu)成宇宙的基本單元。每個(gè)星系中都有數(shù)十億數(shù)千億顆恒星以及星云和星際塵埃等。不同星系的大小和質(zhì)量相差極大。小星系的質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的106倍，而大星系的質(zhì)量可以達(dá)到倍1011以上。小星系的尺度有數(shù)萬(wàn)光年，大星系的尺度可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)光年以上。宇宙中單獨(dú)存在的星系是比較少的。大多數(shù)星系是相互結(jié)合，形成雙星系、多重星系群和星系團(tuán)。有些星系團(tuán)還進(jìn)一步組成超星系團(tuán)。例如銀河系和仙女星系等40多個(gè)星系組成了一個(gè)小星系團(tuán)。室女座星系團(tuán)是離我們最近的星系團(tuán)；它距我們約有6.2×107光年。目前人類能夠觀察到的星系團(tuán)已經(jīng)超過(guò)了一萬(wàn)個(gè)。自然科學(xué)概論隨著觀測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中星系的分布是不均勻的。有的區(qū)域中星系特別少，形成很大的空洞。但是這和宇宙學(xué)原理并不矛盾。因?yàn)樵趦|光年的大范圍內(nèi)，星系、星系團(tuán)的分布仍然是很均勻的、各向同性的。自然科學(xué)概論

大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為，星系的產(chǎn)生是宇宙誕生以后40萬(wàn)年的事情。在產(chǎn)生星系之前，宇宙空間的溫度已經(jīng)降到4000k以下。那時(shí)宇宙中充滿了中性的原子氣體，物質(zhì)在任何范圍內(nèi)都是均勻分布的。那么在均勻的物質(zhì)分布中是怎樣形成星系、星系團(tuán)的呢？這是宇宙學(xué)中很重要也很難回答的問(wèn)題。目前比較一致的說(shuō)法是：萬(wàn)有引力把分散的物質(zhì)聚集成團(tuán)，從而形成了星系和星系團(tuán)。自然科學(xué)概論

萬(wàn)有引力有一個(gè)極為重要的性質(zhì)：引力的不穩(wěn)定性。例如均勻介質(zhì)的一個(gè)區(qū)域中如果有一個(gè)擾動(dòng)使這個(gè)區(qū)域突然縮小一點(diǎn)，那么這個(gè)區(qū)域中各質(zhì)點(diǎn)間的距離便減小一點(diǎn)。這就使得質(zhì)點(diǎn)間的相互引力增大了，于是導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域進(jìn)一步縮小。最終這個(gè)區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)便會(huì)凝聚成天體。

20世紀(jì)初，英國(guó)的物理學(xué)家金斯對(duì)恒星和星系的起源做了深入的研究。他用流體力學(xué)的方法研究了萬(wàn)有引力的不穩(wěn)定性，得出了金斯定理。自然科學(xué)概論

另外星系和星系團(tuán)的形成還和宇宙的暗物質(zhì)有直接的關(guān)系。我們能看見(jiàn)的物質(zhì)主要是中子、質(zhì)子這一類可見(jiàn)的重子物質(zhì)。如果單靠看得見(jiàn)的這些重子物質(zhì)，宇宙是形成不了今天所能觀測(cè)到的星系和星系團(tuán)的。這就說(shuō)明宇宙中還存在大量的我們看不見(jiàn)的物質(zhì)，這些物質(zhì)要比看得見(jiàn)的物質(zhì)的總質(zhì)量大的多，稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)雖然不能看到，但是也具有質(zhì)量和引力。暗物質(zhì)中可能有重子物質(zhì)，但是大部分不可能是重子物質(zhì)。自然科學(xué)概論暗物質(zhì)對(duì)于宇宙的運(yùn)動(dòng)演化和結(jié)構(gòu)的形成起到極為重要的作用，甚至是主要的作用。人們發(fā)現(xiàn)星系的質(zhì)量與光度的比值（質(zhì)光比）要大于太陽(yáng)的質(zhì)光比。這一事實(shí)表明，越大的天體系統(tǒng)包含的暗物質(zhì)越多。暗物質(zhì)是分布于整個(gè)宇宙之中的。自然科學(xué)概論二、恒星的起源和演化自然科學(xué)概論

由于萬(wàn)有引力的不穩(wěn)定性，宇宙中均勻分布的中性原子氣體會(huì)逐漸聚集成星系和星系團(tuán)。早期的星系仍是十分稀薄的氣體云。它的主要成分是氫原子，還有一些氮原子。氫與氮的數(shù)目比約為16:1。需要解釋的是氣體云是怎樣演變成恒星的，恒星的內(nèi)部又是怎樣產(chǎn)生各種重元素的。目前的解釋依然是依據(jù)萬(wàn)有引力的不穩(wěn)定性。在某種擾動(dòng)之下，由于萬(wàn)有引力的不穩(wěn)定性，使星系中的氣體云繼續(xù)收縮，原子之間的萬(wàn)有引力不斷增大。當(dāng)引力的作用壓倒了熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，空洞區(qū)域中的原子越來(lái)越少，密集區(qū)中的原子更加密集，以致于變成密集的球體。隨著收縮的持續(xù)，球體中心處氣體的壓強(qiáng)、溫度和密度都急劇的增大，氫原子也被電離了。當(dāng)核心的溫度高到1.5×107k時(shí)，電離了的高能質(zhì)子相互碰撞，發(fā)生了核反應(yīng)。自然科學(xué)概論這種質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)相當(dāng)于四個(gè)氫核聚變成一個(gè)氮核，同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)中微子，兩個(gè)正電子和兩個(gè)光子。根據(jù)反應(yīng)中的質(zhì)量虧損可以計(jì)算出1克的氫轉(zhuǎn)化為氮時(shí)釋放出來(lái)的能量是1011焦耳。熱核反應(yīng)中不斷釋放出來(lái)的能量必然形成巨大的輻射壓力，阻止球體的收縮。當(dāng)輻射壓力與引力相等時(shí)，球體便處于動(dòng)態(tài)平衡，成為一顆恒星。以上就是恒星起源的簡(jiǎn)要理論。自然科學(xué)概論恒星誕生以后，都會(huì)進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定時(shí)期。在穩(wěn)定期中，雖然星內(nèi)的熱核反應(yīng)仍然在繼續(xù)，但是恒星的體積和溫度卻沒(méi)有明顯的變化。宇宙學(xué)中把熱核聚變產(chǎn)生的恒星稱為主序星，把主序星的穩(wěn)定期稱作主序星階段。主序星的穩(wěn)定期是它壽命的99%。在恒星的核心部分，氫不斷地聚變成氮，以延續(xù)他的壽命。當(dāng)核心部分的氫快用完時(shí)，熱核反應(yīng)的速度明顯地減小，引力與輻射壓力的平衡就會(huì)被破壞。自然科學(xué)概論由于引力大于壓力，恒星又要收縮。在收縮中，恒星內(nèi)層和中層的溫度，壓強(qiáng)和密度將隨之升高，這導(dǎo)致恒星外殼的氫開(kāi)始燃燒并且膨脹。當(dāng)核心區(qū)的溫度達(dá)到109K時(shí)，在核心區(qū)將發(fā)生三個(gè)氮核聚變成碳核，碳核和氮核再聚變成氧核的熱核反應(yīng)。由于外殼的氫燃燒區(qū)不斷膨脹，離核心越來(lái)越遠(yuǎn)，使得恒星的表面的溫度降低，顏色變紅。這時(shí)我們稱它為紅巨星，表明恒星已經(jīng)老化了。自然科學(xué)概論當(dāng)恒星內(nèi)部的核燃料耗盡時(shí)，在引力的作用下它猛烈的坍縮，走向終點(diǎn)。由于質(zhì)量的不同，恒星的結(jié)局分為三種：演變成白矮星，或中子星，或黑洞。第一類：若恒星的原始質(zhì)量小于8倍太陽(yáng)質(zhì)量，則坍塌以后將形成白矮星。白矮星的質(zhì)量為1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，而且密度極大，可以達(dá)到106kg/m3,是地球密度的幾十萬(wàn)倍。自然科學(xué)概論白矮星的表面溫度很高，發(fā)出白光。他的內(nèi)部已經(jīng)沒(méi)有核反應(yīng)，表面溫度必然下降，因而白光不能持久，慢慢的變成紅矮星，黑矮星。第二類：若恒星的原始質(zhì)量大于8倍的太陽(yáng)質(zhì)量，則坍縮以后將成為中子星。這類恒星坍縮之后的質(zhì)量約為1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，而且電子被擠到原子核內(nèi)，與質(zhì)子結(jié)合成中子，同時(shí)發(fā)出中微子。于是恒星核變成了主要由中子組成的一個(gè)巨大的原子核，所以稱為中子星。自然科學(xué)概論形成中子星的過(guò)程非常猛烈，導(dǎo)致恒星內(nèi)部發(fā)生巨大的核爆炸，以致于把外殼炸得粉碎，噴向四面八方。由于爆炸時(shí)釋放出極為巨大的能量，使星的亮度突然增大了幾十億倍，人們認(rèn)為產(chǎn)生了新星，超新星。其實(shí)這是恒星死亡的信號(hào)，并沒(méi)有產(chǎn)生新的星球。爆發(fā)后留下的殘骸坍縮成一顆直徑為10千米的星球。他幾乎完全是由中子組成的，故名中