chap.5 天文學的發(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，最永無止境。

Chap.5天文學的發(fā)展

§5.1近代天文學的成就

§5.2現(xiàn)代的天文觀測

§5.3宇宙學的發(fā)展自然科學概論

Chap.5天文學的發(fā)展

§5.4天體的演化

天文學研究天體的分布，運動和結(jié)構(gòu)，還研究天體的化學組成，物理性質(zhì)和演化的規(guī)律。它包括天體測量學，天體力學，天體物理學，射電天文學，空間天文學和宇宙學等分支學科。每個分支學科又包括若干個次級分支學科，在理論和技術(shù)兩方面都有豐富的內(nèi)容。

自然科學概論自然科學概論

天體測量學主要包括球面天文學，實用天文學等次級學科。

天體力學則包括天文動力學，天體力學方法等次級學科。

天體物理學包括太陽物理學，太陽系物理學，恒星物理學，星系天文學，恒星天文學等。

射電天文學則包括射電天體物理學，射電天文方法，雷達天文學等自然科學概論

空間天文學又包括紅外天文學，紫外天文學，X射線天文學，射線天文學。

宇宙學是研究宇宙特征的新興學科。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)的分布和運動以及宇宙的幾何特征等問題。宇宙學目前包括相對論宇宙學，大爆炸宇宙學，宇宙演化理論等次級分支學科。天文學是一門古老又年輕的科學

----1萬年前人類觀天象、測風向、定時節(jié)近代自然科學是以天文學領(lǐng)域的革命為開端的。天文學是一門最古老的科學。在西方，通過畢達哥拉斯、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，成為一門最具理論色彩，又是提出理論模型最多的一門學科。同時，天文學與人們的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，人們種田靠天、畜牧靠天、航?？刻?、觀測時間也靠天，這就必然會有力推動天文學的發(fā)展。自然科學概論§5.1近代天文學的成就

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

哥白尼創(chuàng)立的日心說不僅動搖了歐洲中世紀宗教神學的統(tǒng)治，而且奠定了近代天文學的基礎(chǔ)。在近代天文學中最先發(fā)展起來的是天體力學。天體力學是應用牛頓的力學理論研究天體的運動和平衡的科學。

在牛頓之前，畢達哥拉斯，托勒密，哥白尼，第谷，開普勒，惠更斯等人都對天體力學有貢獻，但是他們的工作都只局限在幾何學和運動學方面，而且取得的成果比較零散，沒有形成完整的理論體系。但是在牛頓創(chuàng)立了經(jīng)典力學的體系之后，情況就不同了。有了經(jīng)典力學和微積分作為基礎(chǔ)，天體力學才真正地建立起來了。自然科學概論大學物理畢達哥拉斯，托勒密，哥白尼，第谷，開普勒

1799年，法國的拉普拉斯出版了《天體力學》一書；這是天體力學的開山之作。在這本書中，他把牛頓的萬有引力定律推廣到整個太陽系，研究了太陽系中各個天體的運動，同時他還證明了行星軌道的大小具有周期的變化，說明了太陽系的粒子性。他用自己的計算結(jié)果編出了精度很高的行星運行表。自然科學概論拉普拉斯拉普拉斯視頻天體力學的建立和發(fā)展，使天文學從幾何學和運動學的范圍擴展到動力學的領(lǐng)域，使人們對天體的運動規(guī)律和受力情況有了系統(tǒng)的，全面的認識。在研究天體運動的同時，人們也在思考天體的起源和形成問題?？档隆绽沟男窃萍僬f是近代最有價值的太陽系的起源和演變假說。康德在1755年出版了《宇宙發(fā)展史概論》，第一個提出了太陽系起源于原始星云的假說。自然科學概論他認為太陽系的原始狀態(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，形成一個巨大的中心體，然后演變成原始的太陽。其他較小的團塊則在引力的的作用下向中心下落，同時由于斥力的作用使得團塊改變運動方向，變成繞中心的旋轉(zhuǎn)運動而成為行星和衛(wèi)星。自然科學概論康德的星云假說具有重大的科學意義和哲學意義?？档抡J為太陽系是純物質(zhì)的，毫無其他神秘的或精神因素。他曾說，只要給我物質(zhì)，我就能用它創(chuàng)造一個宇宙來?？档聵?gòu)造宇宙只需要物質(zhì)和引力。另外，康德認為只要引力和斥力就能說明自然界的運動規(guī)律和發(fā)展的過程。因此，在康德的學說中沒有停止，固定的觀念，而具有運動和發(fā)展的思想。自然科學概論康德康德視頻

1796年，拉普拉斯也提出了一個星云假說。他認為太陽系起源于一個巨大的，熾熱的，緩慢運動的原始星云，由于星云逐漸冷縮，使轉(zhuǎn)動加快，從中分離出了繞中心轉(zhuǎn)動的氣體環(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，形成太陽。自然科學概論康德和拉普拉斯的假說有相同也有相異之處。后人常稱為康德—拉普拉斯星云假說?？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?？档滦窃崎_始是混亂的運動，后來才形成旋轉(zhuǎn)的?？档掠靡统饬斫忉屝窃七\動的原因。拉普拉斯不講運動的原因，也許他已發(fā)現(xiàn)這一問題過于玄奧，是無論如何都說不清楚的。自然科學概論康德提出星云假說時并未引起人們的注意?？墒钱斃绽乖俅翁岢鲂窃萍僬f時，卻引起巨大的反響，很快就得到公認?？档隆绽沟男窃萍僬f把發(fā)展變化的觀點引入了天文學，為天體的演化學說奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時，星云假說也是對牛頓以來占統(tǒng)治地位的形而上學思想的否定。當然星云假說并不能駁倒牛頓關(guān)于“第一推動力”的假設(shè)。其實科學只能說明一個有限系統(tǒng)的有限過程。它是不能解答無限的，終極的問題的。自然科學概論二、天文觀測的成果自然科學概論

在19世紀中，天文觀測取得了不少新的成就，其中威廉赫歇爾的工作甚為突出。赫歇爾是德國天文學家，開辟了恒星天文學的研究道路，是近代恒星天文學的創(chuàng)始人。

1、1783年，他通過對一些恒星的觀測，發(fā)現(xiàn)太陽向著武仙座的方向運動。威廉赫歇爾

1805年，他又根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的27顆恒星的運動，再次進行分析，發(fā)現(xiàn)太陽的運動仍是向著武仙座的，與現(xiàn)今的測量結(jié)果相差不到十度。正如哥白尼證明地動說一樣，赫歇爾的研究證實了太陽的運動，是人類認識宇宙空間的重大突破。自然科學概論

2、赫歇爾還證實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世紀就被觀測到了，但那時人們認為這是一種偶然現(xiàn)象，沒有必然的聯(lián)系?？墒呛招獱枀s不這樣認為。他通過觀測得知這不是罕見的、偶然的天象，而是引力作用的一種必然結(jié)果。他認為：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)動的現(xiàn)象。自然科學概論雙星聚星他確定了一些雙星的運動周期，于1782年編出了260對雙星的星表，以后又增加到429對雙星。貝塞爾根據(jù)赫歇爾對雙星的研究，于1844年預言了天狼星和南河星都有一顆用眼看不見的伴星，稱為暗伴星。1862年，美國的克拉克果然發(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。同時更進一步證實，牛頓的萬有引力定律不僅適用于太陽系，而且也適用于太陽系以外的天體。

自然科學概論貝塞爾

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

1781年，赫歇爾用望遠鏡發(fā)現(xiàn)了土星之外的天王星，擴大了當時人們確定的太陽系的邊界。1821年，布瓦爾編成了天王星的運行表，并指出天王星的運行出現(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未知行星的影響。自然科學概論

1845年，英國的一個大學生亞當斯首先算出了這顆未知行星的位置。次年，法國的勒威耶也算出這顆行星的位置。一個月后，柏林天文臺臺長加勒根據(jù)勒威耶的計算發(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，而是理論的預言和計算結(jié)果的證實。這不僅說明天文學已經(jīng)成熟為一門理論科學，而且再一次證明牛頓力學是宏觀運動的正確描述，用它解決機械運動的問題是十分成功的。自然科學概論

4、小行星的發(fā)現(xiàn)也是19世紀天文觀測的重要成就。1772年，德國天文學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，從金星開始各行星到太陽的平均距離服從一個關(guān)系：（天文單位）。根據(jù)這一定律的計算，在木星和火星之間還應該有一顆行星。1801年，亞齊果然在這一天區(qū)發(fā)現(xiàn)了一顆小行星。以后天文學家接二連三地在太陽系中發(fā)現(xiàn)小行星。到19世紀末，發(fā)現(xiàn)的小行星有400多顆。小行星的發(fā)現(xiàn)使人們對太陽系的認識又深入了一步，知道了太陽系中的一類新的天體。自然科學概論1980-2010發(fā)現(xiàn)的小行星

5、恒星視差的發(fā)現(xiàn)是19世紀天文學的又一成果。視差就是從有一定距離的兩個點上觀察同一個目標所產(chǎn)生的方向差異。從目標看兩個點之間的夾角，叫做這兩個點的視差，兩點之間的距離稱作基線。只要知道視差角度和基線長度，就可以計算出目標和觀測者之間的距離。哥白尼曾經(jīng)預言，人們在觀測恒星時必然受到恒星產(chǎn)生微小的視位移，這稱為恒星視差。光行差指在同一瞬間，運動中的觀測者所觀測到的天體視方向與靜止的觀測者所觀測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發(fā)現(xiàn)了恒星的周年光行差。自然科學概論光行差周年光行差由于地球的繞日運動，在地球上觀測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)象是證明地球運動的一個直接證據(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學說的正確性。這也說明，天文觀測是天文學理論的最終依據(jù)。與觀測結(jié)果不相符合的理論是難以成立的。自然科學概論最先測定的恒星的周年視差觀測者測定恒星測定年代測定數(shù)值現(xiàn)代測定值布萊德雷（德）天鵝座6118380.314?0.30?亨德遜（英）南門二18390.98?0.76?斯特魯維（俄）織女星18390.261?0.124?布萊德雷（1784-1846），德國著名的天文學家和數(shù)學家，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，這是世界上最早測定的恒星視差之一。物理學研究物質(zhì)最基本，最普遍的運動。因而，無論在什么年代，物理學的成就對各門自然科學都會產(chǎn)生重大的影響和推動作用。在19世紀的天文學中，由于物理學的理論，方法和技術(shù)的應用，產(chǎn)生了一門天體物理學。天文學的這一分支研究天體的化學組成，物理性質(zhì)以及天體的運動狀態(tài)和演化規(guī)律。天體物理學的誕生與分光術(shù)，照相術(shù)和測光術(shù)的應用有密切的關(guān)系。自然科學概論三、天體物理學的誕生分光技術(shù)是牛頓首創(chuàng)的。他做了三棱鏡分光實驗，得到了日光的連續(xù)光譜。到了1814年，夫瑯禾費制成了第一個分光鏡，仔細地研究了太陽的光譜。他發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的暗線，并且用分光鏡研究了月亮，金星，火星等的光譜，對于日光和星光的光譜做了系統(tǒng)的分析。后來，克?；舴蚝捅旧岢隽藘蓷l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地解釋了光譜的本質(zhì)，而且使望遠鏡和分光術(shù)結(jié)合起來，有力地推動了天體分光學的研究。同時，人們對于天體的物理性質(zhì)和化學組成也發(fā)生了興趣，開始了研究。自然科學概論氫原子光譜白光光譜雨后彩虹——連續(xù)光譜照相術(shù)是法國的尼普斯于19世紀30年代發(fā)明的，并且很快應用到天文學上，起了很大的作用。1840年，美國的德拉珀爾第一個拍出了月亮的照片。以后，照相術(shù)，望遠鏡，分光術(shù)互相結(jié)合，不斷改進，成了研究天體的重要手段。自然科學概論

測光術(shù)就是測量天體射到地球上的光量。如果沒有測光術(shù)，人們就只能用肉眼感覺天體的明暗，不可能得出定量的，準確的結(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：相鄰兩個星等之間的亮度級差近似等于2.5倍。1859年，澤內(nèi)爾(德)制成了第一架近代的光度計；1861年又編出了第一個光度星表。在這些研究成果的基礎(chǔ)上才產(chǎn)生了恒星光度學。自然科學概論1856年，英國人普森建立了光度與星等的基本關(guān)系式，開始了科學的測光工作。2.1859年，德國天文學家澤內(nèi)爾制作了第一架近代光度計，并于1861年公布了用這架儀器測量到的226顆亮星的第一個近代光度星表。

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

§5.2現(xiàn)代的天文觀測自然科學概論一、觀測手段的發(fā)展

天文學的研究對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，只能進行遠距離的間接的觀察和測量。因此，天文學的發(fā)展特別依賴于觀測手段的發(fā)展和改進。

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

1、光學測量技術(shù)有了新的進展。隨著制造能力的提高，出現(xiàn)了越來越大的天文望遠鏡。自然科學概論在20世紀的20年代，天文望遠鏡的物鏡直經(jīng)由1米增加到2米，人類觀測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，視野又大為開拓，獲得了許多河外星系的信息。目前的天文望遠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，使用了激光測距、星象復原等技術(shù)。特別是電子計算機的應用，使光學觀測儀器的面貌煥然一新，獲得宇宙信息的能力大為提高。自然科學概論1、美國于1992年，1996年建成的兩個10米口徑的凱克I和凱克II號望遠鏡，其聯(lián)合干涉觀測相當于一架口徑14米望遠鏡的威力。2、歐南天文臺(ESO)建造的超大望遠鏡(VLT)，由4架口徑8米的望遠鏡組成(=16m)；3、美國、英國等六國聯(lián)合建造的雙子座望遠鏡由兩個8m望遠鏡組成，于1998年完成一架，第二架于2000年完成。4、日本的8.2m昴星團望遠鏡也已投入使用。世界上的大望遠鏡我國的光學望遠鏡

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

50米美國立天文臺OWL超凡望遠鏡100米歐南臺1KM射電望遠鏡多國

2、近幾十年來紅外探測技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，制出了許多大口徑的紅外望遠鏡。特別是由于空間技術(shù)的發(fā)展，用紅外技術(shù)探測到光學望遠鏡根本看不到的數(shù)萬個紅外光源，發(fā)現(xiàn)了低溫紅外星和紅外星云等。

3、開辟了新的“天窗”，增加了地面上的天文探測能力。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重吸收而不能到達地面。自然科學概論能夠到達地面的只有兩個波段，通常稱為兩個天窗。一個是光學天窗，它包括可見光和一小部分紅外線和一小部分紫外線。另外一個是無線電天窗，它是波長為1毫米至波長60米的無線電波。自古以來，人們只能通過光學天窗，尤其是可見光來觀測太空。無線電天窗是1931年才發(fā)現(xiàn)的。1937年人類制成了第一臺射電望遠鏡。隨著射電觀測技術(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。自然科學概論

4、開創(chuàng)了空間探測技術(shù)。光學天窗和無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還是受到很大的局限。為了擺脫這一局限，20世紀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行探測。但是升高的極為有限，效果甚微。近20多年來，由于人造地球衛(wèi)星和宇宙飛船的制造和應用，由于紫外望遠鏡、X射線望遠鏡等各種先進的探測工具的使用，天文學開辟了空間探測的新領(lǐng)域。

自然科學概論哈勃望遠鏡大學物理

不同輻射波段的太陽光學紫外X射線射電大學物理不同波段的旋渦星系M81

光學中紅外遠紅外

X射線紫外射電

空間探測技術(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)。由于空間探測技術(shù)的應用，天文學不但由天窗時代進入了全波時代，而且還從觀測時代推進到實驗時代。這是天文學發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折點。自然科學概論二、射電天文學的發(fā)展自然科學概論

1、射電天文學是利用天體的射電性質(zhì)來研究天文現(xiàn)象的一門科學。天體發(fā)射無線電波的現(xiàn)象被稱為射電現(xiàn)象。天體發(fā)射的無線電波到達地面時一般都比較微弱。但是由于無線電接收設(shè)備的靈敏度不斷提高，射電波便對地面上的無線電通信產(chǎn)生了干擾，從而引起了人們的注意，發(fā)展了射電天文學。利用天體的射電性質(zhì)來研究天文現(xiàn)象是天文學各個分支普遍使用的一種方法和手段。由于它手段獨特、發(fā)展迅速，能與空間天文學、光學天文學并駕齊驅(qū)，是天文學中重要的分支學科。

1931年，美國貝爾電話實驗室的工程師央斯荃用高靈敏度的天線研究長途電信中的干擾時，屢屢接收到一種來歷不明、但是較為穩(wěn)定的干擾。經(jīng)過一年多的精心測量和深入地分析，他發(fā)現(xiàn)這種干擾電波是來自遙遠的太空，而且每當天線指向銀河系的中心時，這種電波就會顯得格外地強烈。自然科學概論人們從此就發(fā)現(xiàn)了射電現(xiàn)象。自此以后，無線電技術(shù)不斷發(fā)展，射電現(xiàn)象就頻繁出現(xiàn)。1937年，瑞伯制成了第一臺射電望遠鏡，并證實了央斯荃的發(fā)現(xiàn)。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭的急需，雷達技術(shù)迅速發(fā)展起來。1942年，英國的雷達接收到來自太陽的射電干擾。這時人們才確認天體能發(fā)射無線電波。從此雷達技術(shù)被用于天文觀測，開始了射電天文學的發(fā)展。自然科學概論最初的射電探測技術(shù)在分辨本領(lǐng)和成像能力兩方面比光學觀測差的很多。用它只能測出射電天體的方向，并不能確定它的形狀和位置。解決這兩個問題是發(fā)展射電天文學的關(guān)鍵。20世紀60年代的研究很有成效，取得了兩次突破。一個是采用“甚長基線干涉儀”，大大的提高了射電探測的分辨率。另一個是采用了“綜合孔徑”射電望遠鏡，從而能容易得到天體的射電圖像，能達到很高的靈敏度。

自然科學概論在60年代制成了直徑100米，工作波長為2厘米至3厘米的拋物面射電望遠鏡，以及直徑為10米、工作波長為2至3毫米的拋物面射電望遠鏡。這兩種射電望遠鏡能測量射電天文譜線，還能證認大批的星際分子譜線。射電探測能力的提高，不僅能對已知天體進行射電研究，獲得它們的靜態(tài)和動態(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)推動了對天體結(jié)構(gòu)和天體演化的研究。自然科學概論貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）中國在建世界最大射電望遠鏡/a/20140103/002154.htm射電天文學的興起，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分子的發(fā)現(xiàn)。

2、最早被射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)的是類星體。美國的桑德奇等人為了尋找某些射電源的對應光學天體，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”。

自然科學概論

類星體是一種光度極高、距離極遠的奇異天體，它們的大小不到一光年，而光度卻比直徑約為10萬光年的巨星系還大一千倍！

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

3、脈沖星是英國休伊什等人于1967年發(fā)現(xiàn)的。當時他們用射電望遠鏡研究星際的閃爍現(xiàn)象，偶然間接收到來自宇宙空間的射電脈沖信號。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)者認為它是外星“小綠人”發(fā)來的電碼。后來，天文學家把這種能發(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年代時所預言的中子星。自然科學概論

中子星是恒星演化到晚期時形成為一種特殊的星體。它之所以能發(fā)出射電脈沖，是因為它是一個自轉(zhuǎn)很快的磁體。脈沖星具有超高壓、超高溫、超高密度、超強磁場和超強輻射等極端性質(zhì)。因此對脈沖星的研究不僅能極大地豐富天體演化的理論，而且對于極端物理和極端技術(shù)的研究也具有重要意義。自然科學概論脈沖星

4、3K微波背景輻射是解決無線電通信問題時發(fā)現(xiàn)的。20世紀60年代初期，為了改進與通信衛(wèi)星的聯(lián)系，美國的貝爾實驗室建立了高靈敏度的號角式接受天線系統(tǒng)，以尋找各種可能的干擾。1964年，彭喬亞斯(美)和威爾遜(美)在做實驗時，收到了一種來歷不明又消除不掉的微波干擾。經(jīng)測試，這種干擾相當于物質(zhì)在3.5K的溫度下發(fā)出的輻射。又經(jīng)過一年的測量，他們發(fā)現(xiàn)這種輻射不僅是各向同性，而且與季節(jié)無關(guān)。自然科學概論

宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)在近代天文學上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個有力的證據(jù)。宇宙背景輻與類星體、脈沖星、星際有機分子一道，并稱為20世紀60年代天文學“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年的諾貝爾物理學獎。自然科學概論普朗克探測器繪出精確宇宙微波背景輻射圖

§5.3

宇宙學的發(fā)展自然科學概論人們對宇宙這個詞：常有兩種不同的理解。第一種是哲學家或神學上的理解，認為宇宙泛指天地萬物，包含自然界的一切，是無限的。第二種是科學上的理解，宇宙是指人類觀測到的大尺度的時空系統(tǒng)，宇宙是有限的。因此，哲學上的宇宙是一種信仰對象，科學中的宇宙是一種認識對象。宇宙學就是人類對宇宙的認識和研究成果。宇宙是發(fā)展的、變化的、可認識的，因而宇宙學也必然是發(fā)展的、變化的、有時代特征的。自然科學概論一、經(jīng)典宇宙觀自然科學概論

1、人類對宇宙的認識是由近及遠，由小及大的。古代自然哲學家談?wù)摰挠钪鎯H是大地和天空。公元2世紀時，托勒密提出了“地心說”，認為宇宙是個有限的球體、地球靜止地位于球心，日月星辰則圍繞著地球運轉(zhuǎn)。托勒密寫出了13卷的《天文學大成》，在中世紀被基督教奉為經(jīng)典名著，盛行了一千多年。托勒密的地心說就是他那個時代的宇宙學，是為了解釋當時的天文現(xiàn)象而提出的。地球中心學說模型在15-16世紀，波蘭的哥白尼經(jīng)過幾十年的觀測和研究，發(fā)現(xiàn)了地心說的錯誤，提出了日心論。他認為太陽是宇宙的中心，地球和行星都繞太陽運轉(zhuǎn)，人們所看到的天體運動只是地球自轉(zhuǎn)所造成的視覺發(fā)應。哥白尼的日心論代表了他那個時代的宇宙學水平，不但在當時有重大的反宗教意義，而且奠定了現(xiàn)代天文學的基礎(chǔ)，對后世的自然科學有深遠的影響。自然科學概論日心學說到了1609年，伽里略使用自制的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了木星的四個大衛(wèi)星和金星的盈虧，充分證明了日心說的正確性，而且視野已經(jīng)擴展到銀河系。銀河是由無數(shù)個恒星組成的。從此人類對宇宙的理解便從太陽系擴大到了銀河系。18世紀時，天文學家認為宇宙就是“星系”，而不再是銀河系了。自然科學概論到了20世紀，大型的天文望遠鏡的發(fā)展，電子技術(shù)和無線電技術(shù)的廣泛應用，射電望遠鏡和雷達技術(shù)的應用，自動化技術(shù)和電子計算機的應用，特別是空間技術(shù)的發(fā)展和應用，極大地推進了人類對宇宙的觀測和理解。

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

20世紀70年代，先驅(qū)者號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號攜帶地球之音，115張幻燈片，35種地球音響，60種人類語言，擦木星，火星而過，脫離了太陽系，向宇宙的深處飛去，以探索宇宙人是否存在?！疤炜諏嶒炇摇奔昂教祜w機的成功使人類在沒有地球大氣層干擾的情況下能對月球和各大行星就近觀測和直接取樣觀測，以及對宇宙環(huán)境的直接觀測。自然科學概論1973年美國發(fā)射第一艘星際飛船先驅(qū)者10號這些觀測發(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，并且測到了大行星表面的物理特征和化學成分，極大地豐富了人類對太陽系和宇宙的認識。

2、牛頓總結(jié)了前人的成果，提出了物體運動的三大定律和萬有引力定律，對地面上物體的運動和天空中星球的運動給出了統(tǒng)一的運動規(guī)律。由于這種成功，牛頓提出了他的宇宙模型：不計其數(shù)的形體在無限的、絕對的時空中均勻的分布。自然科學概論他們靠萬有引力互相聯(lián)系，沿著各自的軌跡永不停息的循環(huán)運動。這樣的模型代表了17世紀到20世紀初人們的宇宙觀，通常稱為牛頓經(jīng)典宇宙觀。

在牛頓的模型中，宇宙沒有邊界。在無限的宇宙空間中，不論沿什么方向都可看到均勻分布的無窮多天體。這種無限宇宙模型雖然得到了公認，但是它卻存在著無法彌補的缺陷。這種缺陷反映在兩個著名的佯謬中。自然科學概論第一個是本特利佯謬。1692年，本特利致信牛頓，對他的宇宙模型提出異議：如果宇宙是無限的，則宇宙中每一個質(zhì)點都需要受到無窮大的力，這將使宇宙中的物質(zhì)坍縮到一點，不可能均勻分布。牛頓則認為，由于恒星的分布是均勻的，因而萬有引力達到平衡，不會造成坍縮。其實，這種解釋是不能成立的。因為一旦有一顆恒星發(fā)生些微的移動，平衡便會失去，坍縮就會出現(xiàn)。自然科學概論第二個佯謬是奧伯斯佯謬。早在1720年，哈雷就已提到：如果恒星是無限多，那么向任何一個方向都能看到恒星，天空就會通亮，就不會出現(xiàn)日落之后的黑夜。后來奧伯斯解釋說，恒星之間存在云和塵埃，擋住了我們的視線，出現(xiàn)了黑夜。這個解釋顯然也是不能成立的。因為恒星發(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。自然科學概論牛頓宇宙學的困難是無法克服的。這就使得提出新的宇宙模型是很有必要的了。愛因斯坦的相對論為依據(jù)，提出了新的宇宙模型。自然科學概論二、現(xiàn)代宇宙學的產(chǎn)生自然科學概論

1905年愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論，1916年又提出了廣義相對論。在當時，愛因斯坦為了檢驗自己的理論，把具有強引力場的天體系統(tǒng)作為廣義相對論的處理對象。1917年，他發(fā)表了第一篇宇宙學論文，從而開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學。在這篇論文中，愛因斯坦分析了牛頓的無線宇宙模型的不合理處，提出了一個“有限、無邊、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間膨脹的概念。上述這些宇宙模型都是以廣義相對論為前提的早期研究成果。自然科學概論愛因斯坦關(guān)于時間、空間和引力的全新理論愛因斯坦1897—195520世紀最偉大的科學家1917年愛因斯坦建立有限無邊的靜態(tài)宇宙模型1922年弗里德曼提出宇宙演化動態(tài)模型1927年勒梅特提出膨脹宇宙模型對于愛因斯坦的“有限，無邊，靜態(tài)”模型可以做些粗淺的理解。通常的球面就是一個例子。有限是指它的面積有限，無邊是指球面上沒有邊界。在球面上的任意兩點之間，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。自然科學概論人物欄目_愛因斯坦愛因斯坦宇宙模型是一個有限無邊的三維空間，數(shù)學上可以把這樣的空間表達為三維超球。在這個超球上運動是遇不到邊界的。如果你一直往西走，就會從東邊回到出發(fā)點，這就是愛因斯坦的有限無邊宇宙。不過這個宇宙的范圍極大，光線繞行一周也需要許多億年。自然科學概論在人們的觀念中總是樂于接受靜態(tài)的宇宙模型，因為靜態(tài)模型不需要與創(chuàng)生之前，末日之后的問題打交道。當初愛因斯坦建立的引力場方程并沒有靜態(tài)的解，可是他在方程中添加了一個宇宙常數(shù)項，得到了他喜歡的靜態(tài)解。自然科學概論

宇宙學原理：愛因斯坦提出的相對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的。天文觀測表明，宇宙是動態(tài)的，正在做膨脹運動的。

1917年，愛因斯坦在構(gòu)造第一個宇宙模型時使用了一個假設(shè)：物質(zhì)在宇宙空間中的分布是均勻的，各向同性的。如果從我們習慣的宏觀角度來看，有些地方星體密集，有些地方?jīng)]有星體，這條假設(shè)顯然是錯誤的。自然科學概論宇宙學中把愛因斯坦的上述假設(shè)稱為“宇宙學原理”。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)驗出發(fā)，提出地球是宇宙的中心。后來人們才逐漸認識到地球、太陽、銀河系都不是中心；宇宙根本就沒有中心。今日的學者已經(jīng)公認：在宇宙中，觀察者在任何一點觀測到的自然規(guī)律都應該是一樣的。

自然科學概論目前，已經(jīng)有資料顯示，在3億-10億光年的范圍內(nèi)，星系的分布是相當均勻的。宇宙學原理是否能成立，還有待進一步的驗證。在1910-1920年間，洛威爾天文臺的斯里弗(美)發(fā)現(xiàn)許多星系的光譜線都有向紅端移動的現(xiàn)象。這說明光譜線的波長增大了。產(chǎn)生紅移現(xiàn)象的原因可以用多普勒效應來解釋。自然科學概論火車鳴笛而過(多普勒)馬航與多普勒效應

哈勃紅移與哈勃定律：當一列火車迎面駛來時，我們聽到汽笛的聲調(diào)（頻率）會變高，當火車駛?cè)r，汽笛的聲調(diào)會變低。光源也有類似的多普勒效應。星系存在紅移現(xiàn)象，說明星系正在離開我們向遠處運動。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）自然科學概論

這個關(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。這說明：星系的運行速度與它到我們的距離成正比，也就是說，星系越遠，退行越快，紅移量也越大。哈勃定律是20世紀天體物理學中的一項重大發(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原理結(jié)合起來便可以推知，各個星系并不只是對我們做遠離運動，而是毫無例外的相互遠離。自然科學概論這就是說，從任何一個星系上看。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。也就是說宇宙在膨脹的同時仍然保持空間分布的均勻性。自然科學概論對于三維有限無邊宇宙的膨脹，我們?nèi)钥梢杂枚S的球面來加以類比。不妨把膨脹的宇宙類比為一個不斷吹大的氣球。球面上的點代表一個星系。在氣球不斷膨脹時，氣球上所有點之間的距離都在不斷增大，點的密集程度不斷減小。站在任意一個點上觀測其他的點，會發(fā)現(xiàn)一切點都在做退行運動，而且越運動退行得速度越快。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態(tài)的，宇宙是在膨脹。愛因斯坦的引力場方程本來給出的是動態(tài)宇宙群，可是他當時竟然修改引力場方程，非要弄成靜態(tài)解，塑造出自己喜歡的靜態(tài)宇宙模型。后來愛因斯坦責備了自己，說這是他一生中做出的最大的一件錯事。自然科學概論三、大爆炸宇宙學自然科學概論如果承認由哈勃定律得出的宇宙膨脹結(jié)論，必然要認為早期的宇宙比現(xiàn)在小，物質(zhì)比現(xiàn)在密集。20世紀40年代，加莫夫(美)等人提出了一個大膽的假設(shè)：宇宙在100多億年以前是由一個超高溫、超高密的“宇宙蛋”經(jīng)過爆炸產(chǎn)生出來的。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。用這種觀點研究宇宙的起源和演化，被人稱為大爆炸宇宙學。由大爆炸學說建立的宇宙模型稱為標準模型。自然科學概論

大爆炸理論的不少預言已經(jīng)被觀測證實。它的一個最著名的預言是：今日的宇宙仍然存在背景輻射。大爆炸理論認為，宇宙物質(zhì)由空間中一個點爆炸以后，所有的物質(zhì)都被拋射出去，互相遠離。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100萬年時，早期的熱輻射開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)理論計算，到今日殘留下來的熱輻射溫度是3K左右。自然科學概論

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

1965年，普林斯頓大學的迪克(美)率隊訪問了彭齊亞斯和威爾遜。經(jīng)過一番分析，他們認定：這種噪音就是大爆炸理論所預言的背景輻射。自然科學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)宇宙學家認同了這一理論。他們兩人也因這一重大發(fā)現(xiàn)獲得1978年諾貝爾獎。

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

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秒時發(fā)生大爆炸，宇宙由一個原始的素點開始，時間和空間也同時開始。這時的宇宙溫度無限高，密度無限大；物質(zhì)的存在形式不得而知。在10-44秒時，宇宙的密度為1023kg/m3，溫度為1032K。這時的宇宙只有時間、空間和真空場，沒有任何粒子。自然科學概論在10-36

秒時，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，這時強、弱和電磁作用沒有區(qū)別，是統(tǒng)一的一種力。在10-6秒左右，宇宙的溫度降到1013K。這時夸克有可能結(jié)合成介子、重子（質(zhì)子和中子等一類強子），是強子的生成階段。這時強、弱、電磁作用逐漸分開。自然科學概論在10-2秒左右，宇宙溫度到1011K，物質(zhì)密度下降到1011kg/m3，產(chǎn)生重子的反應停止，重子中只剩下質(zhì)子和中子。宇宙進入了輕子時代。宇宙中最重要的成分變?yōu)楣庾印⒏鞣N中微子和正負電子。相對實物粒子來講，光子占優(yōu)勢。于是，宇宙進入輻射優(yōu)勢階段。

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

，溫度降到1010K。這時的宇宙不僅整體上膨脹占優(yōu)勢，而且各處都是輻射為主的階段。這時質(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。此時正負電子對迅速湮滅，中子與質(zhì)子的轉(zhuǎn)換反應基本停止。這時的重子中，中子數(shù)約占14%，質(zhì)子數(shù)約占86%。自然科學概論

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，氘核又進一步反應形成氦核，所以這個階段又叫核合成（即元素形成）階段。核合成結(jié)束時，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，由于溫度較低，各種粒子相互碰撞，再發(fā)生反應的可能性很小，于是宇宙中各種粒子數(shù)的豐度便基本上保持不變。自然科學概論在大爆炸后的半小時，宇宙中光子數(shù)與重子數(shù)之比約為109。這時的宇宙是光子的海洋，進入了輻射的鼎盛期。

3、物質(zhì)的優(yōu)勢階段。大爆炸后的1萬年左右，宇宙的溫度降到105K，光子的輻射逐漸減弱。40萬年后，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有耦合作用的兩種獨立組分，于是宇宙變得透明。當宇宙的溫度降到4000K時，原子開始形成。自然科學概論

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。在以后漫長的時期中，當發(fā)生了某種非均勻的擾動時，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描繪的宇宙演化的大致圖景。由于沒有觀測和實驗的佐證，至今只能作為一種假說。自然科學概論大爆炸宇宙標準模型宇宙誕生（100多億年前）高溫、高密狀態(tài)Planck時代1032K大統(tǒng)一時代1028K強子時代輕子時代核合成時代復合時代1013K1011K109K4000K10-44s粒子產(chǎn)生10-36s重子不對稱性產(chǎn)生10-6s大量強子過程10-2s輕子過程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事實而且能證明其它學說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)云如何凝聚成各級天體的問題沒有得到解決。其二是原始火球在爆炸時是具有無限高的溫度和無限大的密度的“奇點”，這是一種無法理解的說法。其三，對原始火球或宇宙蛋的來源很難給出合理的科學解釋或哲學解釋，很有些神話的味道。自然科學概論

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一步的觀測和探討。由于大爆炸宇宙理論存在不少困難，英國的邦迪等人于1948年提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論。這一理論首先補充了宇宙學原理，認為“宇宙的大型結(jié)構(gòu)不隨時間變化”。他們認為，宇宙中的物質(zhì)分布不但在空間上是均勻的、各向同性的，而且在時間上也是穩(wěn)定不變的。自然科學概論

他們既提出新的宇宙原理又認同宇宙膨脹，于是認為在宇宙膨脹中有新的物質(zhì)不斷產(chǎn)生出來，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。這種理論認為新的物質(zhì)不是由輻射形成的，而是從虛無中創(chuàng)生出來的。另外，這個理論也解釋不了宇宙中的微波背景輻射。法國的伏庫勒等人提出了另一種等級式宇宙模型。他們首先不承認宇宙學原理，而是認為宇宙的結(jié)構(gòu)是分等級的。自然科學概論宇宙由小到大分別是恒星、星系、星系團、超星系團等，而且在大尺度上宇宙物質(zhì)也是成團的。由這個模型推出，離我們越遠的地方物質(zhì)密度越小。等級式模型沒有嚴謹?shù)臄?shù)學表述，也沒有重要的理論預言，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。宇宙是一個引力作用的系統(tǒng)，膨脹的速度應該逐漸減小，但是目前的觀測表明，宇宙膨脹的速度還沒有明顯的減緩。自然科學概論自然科學概論由廣義相對論可知，宇宙將來是繼續(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論的愛因斯坦方程推導出了決定宇宙命運的臨界密度式中Ho是哈勃常數(shù)，G是萬有引力常數(shù)。取=15千米/秒·百萬光年，可以算出:自然科學概論如果宇宙的真實密度，則得出結(jié)論：宇宙將一直膨脹下去，稱其為開放宇宙。對于開放宇宙而言，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，則宇宙將會收縮，稱為封閉宇宙。隨著收縮的進行，宇宙的溫度會越來越高，又將恢復成原始火球，再往后又會突然爆炸、膨脹。所以封閉的宇宙又可稱為震蕩宇宙或循環(huán)宇宙。許多學者認為，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)沒有計算進去。就目前的計算，宇宙的平均密度還不足臨界密度的1/10，顯然是開放宇宙。但是我們計算的物質(zhì)只不過是宇宙中的一點發(fā)光物質(zhì)。其實宇宙物質(zhì)的大部分是暗物質(zhì)。自然科學概論有人估算銀河系中的暗物質(zhì)就多達80%。由此可見，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)在的宇宙是一個可以死而復生的震蕩宇宙。自然科學概論

§5.4天體的演化自然科學概論天體演化學是天文學的一個重要分支。它研究各種天體和天體系統(tǒng)的起源和演化。18世紀康德和拉普拉斯提出星云假說來解釋太陽系的起源，開創(chuàng)了天體演化學。到了20世紀，由于天文觀測取得新的成果以及物理學的支持，又進一步推動了天體演化學的發(fā)展。一、星系和星系團的起源和演變自然科學概論

萬有引力把分散的物質(zhì)聚集成團，從而形成了星系和星系團。星系是構(gòu)成宇宙的基本單元。每個星系中都有數(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)量大約是太陽質(zhì)量的106倍，而大星系的質(zhì)量可以達到倍1011以上。小星系的尺度有數(shù)萬光年，大星系的尺度可以達到數(shù)百萬光年以上。宇宙中單獨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。有些星系團還進一步組成超星系團。例如銀河系和仙女星系等40多個星系組成了一個小星系團。室女座星系團是離我們最近的星系團；它距我們約有6.2×107光年。目前人類能夠觀察到的星系團已經(jīng)超過了一萬個。自然科學概論隨著觀測技術(shù)的改進，天文學家發(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。但是這和宇宙學原理并不矛盾。因為在億光年的大范圍內(nèi)，星系、星系團的分布仍然是很均勻的、各向同性的。自然科學概論

大爆炸宇宙學認為，星系的產(chǎn)生是宇宙誕生以后40萬年的事情。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、星系團的呢？這是宇宙學中很重要也很難回答的問題。目前比較一致的說法是：萬有引力把分散的物質(zhì)聚集成團，從而形成了星系和星系團。自然科學概論

萬有引力有一個極為重要的性質(zhì)：引力的不穩(wěn)定性。例如均勻介質(zhì)的一個區(qū)域中如果有一個擾動使這個區(qū)域突然縮小一點，那么這個區(qū)域中各質(zhì)點間的距離便減小一點。這就使得質(zhì)點間的相互引力增大了，于是導致這個區(qū)域進一步縮小。最終這個區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)便會凝聚成天體。

20世紀初，英國的物理學家金斯對恒星和星系的起源做了深入的研究。他用流體力學的方法研究了萬有引力的不穩(wěn)定性，得出了金斯定理。自然科學概論

另外星系和星系團的形成還和宇宙的暗物質(zhì)有直接的關(guān)系。我們能看見的物質(zhì)主要是中子、質(zhì)子這一類可見的重子物質(zhì)。如果單靠看得見的這些重子物質(zhì)，宇宙是形成不了今天所能觀測到的星系和星系團的。這就說明宇宙中還存在大量的我們看不見的物質(zhì)，這些物質(zhì)要比看得見的物質(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)。自然科學概論暗物質(zhì)對于宇宙的運動演化和結(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）要大于太陽的質(zhì)光比。這一事實表明，越大的天體系統(tǒng)包含的暗物質(zhì)越多。暗物質(zhì)是分布于整個宇宙之中的。自然科學概論二、恒星的起源和演化自然科學概論

由于萬有引力的不穩(wěn)定性，宇宙中均勻分布的中性原子氣體會逐漸聚集成星系和星系團。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)萬有引力的不穩(wěn)定性。在某種擾動之下，由于萬有引力的不穩(wěn)定性，使星系中的氣體云繼續(xù)收縮，原子之間的萬有引力不斷增大。當引力的作用壓倒了熱運動時，空洞區(qū)域中的原子越來越少，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、溫度和密度都急劇的增大，氫原子也被電離了。當核心的溫度高到1.5×107k時，電離了的高能質(zhì)子相互碰撞，發(fā)生了核反應。自然科學概論這種質(zhì)子-質(zhì)子反應相當于四個氫核聚變成一個氮核，同時產(chǎn)生兩個中微子，兩個正電子和兩個光子。根據(jù)反應中的質(zhì)量虧損可以計算出1克的氫轉(zhuǎn)化為氮時釋放出來的能量是1011焦耳。熱核反應中不斷釋放出來的能量必然形成巨大的輻射壓力，阻止球體的收縮。當輻射壓力與引力相等時，球體便處于動態(tài)平衡，成為一顆恒星。以上就是恒星起源的簡要理論。自然科學概論恒星誕生以后，都會進入一個穩(wěn)定時期。在穩(wěn)定期中，雖然星內(nèi)的熱核反應仍然在繼續(xù)，但是恒星的體積和溫度卻沒有明顯的變化。宇宙學中把熱核聚變產(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。當核心部分的氫快用完時，熱核反應的速度明顯地減小，引力與輻射壓力的平衡就會被破壞。自然科學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，壓強和密度將隨之升高，這導致恒星外殼的氫開始燃燒并且膨脹。當核心區(qū)的溫度達到109K時，在核心區(qū)將發(fā)生三個氮核聚變成碳核，碳核和氮核再聚變成氧核的熱核反應。由于外殼的氫燃燒區(qū)不斷膨脹，離核心越來越遠，使得恒星的表面的溫度降低，顏色變紅。這時我們稱它為紅巨星，表明恒星已經(jīng)老化了。自然科學概論當恒星內(nèi)部的核燃料耗盡時，在引力的作用下它猛烈的坍縮，走向終點。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倍太陽質(zhì)量，而且密度極大，可以達到106kg/m3,是地球密度的幾十萬倍。自然科學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)沒有核反應，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，同時發(fā)出中微子。于是恒星核變成了主要由中子組成的一個巨大的原子核，所以稱為中子星。自然科學概論形成中子星的過程非常猛烈，導致恒星內(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，人們認為產(chǎn)生了新星，超新星。其實這是恒星死亡的信號，并沒有產(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