諾貝爾天文學(xué)獎項賞析第二章

1、第二，天文學(xué)和國防，國民經(jīng)濟和人類日常生活關(guān)系，第一，天文學(xué)研究對象，內(nèi)容和方法2，天文學(xué)的主要觀察技術(shù)和方法3，天文學(xué)和國防，國民經(jīng)濟和人類日常生活關(guān)系4，天文學(xué)和其他學(xué)科關(guān)系5，21世紀天文學(xué)面臨的機會，挑戰(zhàn)，1，天文學(xué)研究對象，天體：銀河系中的星星、星團、星云；像銀河系這樣的眾多外星系、宇宙空間的事前源、紅外源、X-張藝興源等都是自然天體。人工天體：人造衛(wèi)星、宇宙火箭、行星間探測器、軌道天文臺等是人工天體。獵戶座星云、銀河系仙女座大星云、恒星、星系和星系之間充滿了星際介質(zhì)、電磁場、引力場等。星際介質(zhì)、電磁場、重力場都是天文學(xué)研究的對象。天文學(xué)一直在關(guān)注和探索宇宙空間是否有暗物質(zhì)、暗能量、

2、反物質(zhì)。UFO和外星人等問題也是天文學(xué)關(guān)注和研究的重要領(lǐng)域。2)，浩瀚的“宇宙”:是指空間和時間的統(tǒng)稱。我國古代天文學(xué)中有句諺語：“四面上下說宇宙，古往今來說主?！薄疤铡?在天文學(xué)研究中，通常指地球大氣。天體的位置，距離，運動，物質(zhì)結(jié)構(gòu)，化學(xué)組成和進化規(guī)律。研究宇宙科舉、現(xiàn)在和未來。2，研究內(nèi)容，3，天文學(xué)研究方法，人類主要通過從天體和宇宙接收電磁輻射來認識宇宙空間。天文學(xué)是觀測科學(xué)。研究方法：觀測理論再觀測，天文學(xué)是通過觀測建立理論模型，再觀測，補充和修改基本定律和理論。天文觀測在天文學(xué)中占有特殊的地位。觀測方法和觀測工具的改進和創(chuàng)新，總是促進天文學(xué)的發(fā)展，甚至會引起天文學(xué)的深刻革命。相反

3、，天文觀測的要求和觀測技術(shù)的更新極大地促進了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。天文學(xué)理論可以預(yù)測未來的變化，從觀測中獲得的數(shù)據(jù)以力學(xué)、物理、化學(xué)等自然科學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)手段進行計算和分析，建立天文學(xué)的基本理論體系。通過觀測持續(xù)改進和完善天文學(xué)理論，天文學(xué)的理論體系不僅可以預(yù)測現(xiàn)有的觀測事實，還可以預(yù)測未來的變化，如重要的天象的出現(xiàn)，同時還可以反演以前的天象。第二，天文學(xué)的主要觀測技術(shù)和方法，現(xiàn)在的天文觀測已經(jīng)進入了“全波段天文學(xué)”時代。也就是說，人類可以對天體的所有波進行電磁輻射觀測和研究。全波段天文學(xué)是現(xiàn)代天文學(xué)的重要標志。1609年，伽利略制作了第一臺光學(xué)折射望遠鏡，口徑4.4厘米，焦距1.2米。19

4、32-1934年間，美國貝爾實驗室無線電工程師揚斯基在銀河系中心接受了22兆赫無線輻射。成為牙齒發(fā)現(xiàn)射電天文學(xué)誕生的象征。1957年，第一個人造衛(wèi)星天空開啟了全波段天文學(xué)時代。大氣外部和宇宙天文觀測蓬勃發(fā)展，天文學(xué)家視野進一步擴大。自1990年以來，哈勃空間望遠鏡和拉格朗日點軌道天文臺(人類已經(jīng)擁有從天體所有波段接收輻射的能力)。電磁波譜，1，是目前世界上最大的光學(xué)望遠鏡，最大的折射望遠鏡是美國葉克斯天文臺，水經(jīng)口徑101.6厘米，相對口徑，即光力從A=D/F=1/19.4，1897年開始工作。最大的反射望遠鏡是美國凱克天文臺，水景直徑10米的拋物線，超比(F/D)=1.75，從1992年開始

5、開放。最大的折疊反射望遠鏡德國卡爾什瓦茲希爾德天文臺，主鏡203厘米，水晶鏡134厘米，超比(F/D)=3.0，從1960年開始運作。折疊反射望遠鏡系統(tǒng)，2，射電天文觀測，射電望遠鏡天線系統(tǒng)，接收系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)三部分：天線系統(tǒng)：與光學(xué)望遠鏡物鏡相同，用于容納天體的電波輻射。接收器系統(tǒng)：對應(yīng)于光學(xué)望遠鏡分析器和各種探測器。記錄裝置：圖像或圖表提供的射電望遠鏡天線通過赤道或地平裝置瞄準天體。美國綠化劑43米射電天文望遠鏡、英國佐德烈銀行76米射電望遠鏡、德國波恩100米口徑射電望遠鏡、美國阿雷西博天文臺305米射電望遠鏡、當前世界最大305米射電望遠鏡、無線電干擾儀、綜合孔徑射電望遠鏡、a、根據(jù)電

6、磁波干擾原理，使用組合天線提高分辨力。例如：結(jié)合雙天線傳播干涉儀、極長基線干涉儀(VLBI)等B、面狀天線系統(tǒng)，形成大型天線系統(tǒng)，可以提高觀測天球天文圖像的分辨率。大陣列(VLA):由27面天線組成的基線長度為30公里。3，哈勃空間望遠鏡(HST)和軌道天文臺于1990年四月二十五日被“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機運輸升空。配備了5套輔助設(shè)備，包括主鏡2.4米、輔助鏡30厘米、各寬視野/行星照相機、暗弱天體照相機、暗天體光譜儀、高分辨率光譜儀、精密的導(dǎo)性傳感器等。觀測紅外、紫外線、回歸的寶貴天文圖像，逐漸向人類揭示宇宙奧秘。(威廉莎士比亞，溫斯頓，現(xiàn)譯)，4，太陽系行星，深空探測器，空間中的紅外波段天文觀

7、測，紫外線天文觀測，X射線，射線觀測等一系列天文學(xué)已進入全波段觀測時代。1957年首次登上地球衛(wèi)星天空后，打開行星空間探測，各種行星探測車將太陽系代星和小行星，行星衛(wèi)星，現(xiàn)在太陽系的八大行星都有行星探測車。目前，宇宙深空探測器已經(jīng)脫離太陽系，踏上尋找地外文明的旅程。旅行者1號二日，三日，天文學(xué)和國防，國民經(jīng)濟，人類日常生活關(guān)系，一，基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域天文學(xué)，從天文學(xué)研究對象和內(nèi)容來看，天文學(xué)是最古老的科學(xué)。作為基礎(chǔ)學(xué)科，天文學(xué)在認識自然和探索物質(zhì)世界的客觀規(guī)律中發(fā)揮著重要作用。在自然科學(xué)各學(xué)科的發(fā)展過程中，天文學(xué)始終起著主導(dǎo)作用。1)，哥白尼的日心說，1543年，哥白尼提出了一心模型的想法，糾正了地

8、球宇宙中心這個錯誤的認識。半個多世紀后，開普勒正確地描述了繞行星太陽運行的軌道方程，即繞行星運行的開普勒三定律。從神學(xué)的束縛中解放自然科學(xué)。哥白尼這個發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們的世界觀，人類的地球在太空上并不特別。據(jù)現(xiàn)代天文觀測，太陽既不是以宇宙為中心，也不是太陽系，也不是以宇宙為中心。有太陽系的銀河系也不是以宇宙為中心。2)，牛頓萬有引力定律，開普勒行星太陽周圍運動的三個茄子定律是建立牛頓萬有引力定律的基礎(chǔ)。1687年，牛頓發(fā)表了他的引力理論。通過天文觀測定量驗證了牛頓萬有引力定律的正確性。在此基礎(chǔ)上，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，促進了力學(xué)和物理學(xué)的大發(fā)展。3)，原子結(jié)構(gòu)模型，第一個原子結(jié)構(gòu)模型與太陽系的結(jié)

9、構(gòu)類似，后來通過實驗確認。氦元素天文學(xué)家觀測太陽第一次發(fā)現(xiàn)！通過太陽光譜的發(fā)現(xiàn)和精確測量，可以知道天體的化學(xué)組成和演化規(guī)律。天文學(xué)中的一些發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會給其他學(xué)科造成深刻的變化。4)，愛因斯坦廣義相對論天文學(xué)4大驗證，20世紀初愛因斯坦狹義相對論和廣義相對論(1905年1915年)。廣義相對論預(yù)言：恒星的光通過太陽邊緣時產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，稱為光的重力偏轉(zhuǎn)。白矮星譜線重力紅移存在等，光的重力偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象在1919年被日蝕觀測證實。水星軌道最近的進動廣義相對論效應(yīng)；牙齒的預(yù)言都是通過天文觀測證實的。重力波的廣義相對論預(yù)言通過脈沖雙星軌道變化的天文觀測得到了確認。水星軌道近日點進動，據(jù)觀測，水星近日點進動周期每56

10、00.73/100年出現(xiàn)一次。據(jù)人們計算，對已知行星牙齒水星軌道攝動的影響不值得每5557.62/100年，以及每43/100年對進動牙齒進行合理解釋。這是多年來牛頓引力理論牙齒無法解決的問題。起初，我懷疑水星軌道內(nèi)有一個關(guān)于水星重力的行星。天文愛好者施瓦夫為此尋找了17年，當然找不到不存在的火星。廣義相對論發(fā)布后，利用4位數(shù)施工測地線方程求解水星軌道運動，三維空間投影測地線時，發(fā)現(xiàn)水星軌道的近日點是不斷的進動橢圓軌道，進動周期正好是每100年43次。用水星近日點進動的相對論效應(yīng)解決了牛頓引力理論長期沒有問題解決的問題。5)，星際有機分子的發(fā)現(xiàn)，星際有機分子的發(fā)現(xiàn)，在20世紀60年代射電天文學(xué)

11、四大發(fā)現(xiàn)中排在第一位。星際分子的元素構(gòu)成主要有六種。氫(h)、氧(o)、氮(n)、碳(c)、硫(s)和硅(Si)。其中氫、氧、氮、碳、硫、磷(P)被稱為“生命元素”，這是構(gòu)成地球上各種生物的最基本的元素。構(gòu)成生命的這些基本元素廣泛存在于宇宙空間。促進了星際有機分子的發(fā)現(xiàn)、地外生命研究和搜索。生命，將挑戰(zhàn)生命科學(xué)！此外，類星體、射電星系、銀河核活動等高能現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)等對化學(xué)、生物學(xué)和物理學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。尤其是類星體的紅移，高亮度，今天對高能物理學(xué)提出了嚴重的挑戰(zhàn)！6)、數(shù)學(xué)和計算方法的推進、天文觀測數(shù)據(jù)處理和天體運動理論的研究離不開計算方法，相反，天文問題的解決有力地促進了數(shù)學(xué)科學(xué)的發(fā)展。歷史上

12、大量的天文學(xué)家也是杰出的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。7)，對地學(xué)、氣象學(xué)的影響，天文學(xué)、地學(xué)、氣象學(xué)的關(guān)系更加密切。高精度大地測量方法和手段來自天文學(xué)(G P S，)。例如：3S(GPS，GIS，RS)太陽活動是大氣環(huán)流、各種氣象的原因。2，天文學(xué)研究成果直接提供國防、國民經(jīng)濟和人們的日常生活服務(wù)。天文學(xué)不僅是基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，天文學(xué)也是應(yīng)用性強的實用學(xué)科。天文學(xué)研究成果在很多方面直接提供國防、國民經(jīng)濟和人們的日常生活服務(wù)。通過以下例子說明：1)、時間測量和計時，20世紀70年代原子時(基于原子內(nèi)部能級轉(zhuǎn)換頻率構(gòu)建的時間測量系統(tǒng))牙齒時間標準替代世界時，時間測量的標準是世界時。當前時間標準是以國際原子時秒長

13、度為基準的原子時(TAI)。世界時(UT)是基于地球自轉(zhuǎn)的時間測量系統(tǒng)。世界是通過天文觀測和時間測量理論實現(xiàn)的。根據(jù)地球太陽空戰(zhàn)運動建立的時間計量系統(tǒng)稱為歷書。目前，高精度世界詩的測量和計時仍然是科學(xué)研究和大地測量的重要依據(jù)。高精度時間在航海、航空、航天、通信、物理實驗、大地測量等許多部門都有重要的應(yīng)用。國家高精度時間系統(tǒng)由天文學(xué)部門維護和提供(中國科學(xué)院國家計時中心，陜西臨潼)。人們?nèi)粘Ｉ钍褂玫膮f(xié)調(diào)世界時UTC和歷法等都由天文部門提供。，2)、天球參考系統(tǒng)和地球參考系統(tǒng)、天文參考系統(tǒng)由兩個獨立連接的天球參考系統(tǒng)和地球參考系統(tǒng)組成。天文歷、各種天體位置力表、地面站坐標測量，為航天、航海、大地

14、、重力測量提供了重要依據(jù)。人造衛(wèi)星精密定軌、使用人造衛(wèi)星大地測量、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等都離不開精確的天體位置力表。3)、太陽活動監(jiān)控和預(yù)測，太陽活動期間太陽復(fù)制增加。如此大量的高能傳記粒子、紫外線、x射線到達行星間空間和地球上空，地球磁場和電離層影響破壞、短波通信和電力傳輸，威脅飛機、衛(wèi)星和宇宙飛船的飛行安全。太陽活動也是大氣環(huán)流氣候變化發(fā)生的直接原因。4)、人造衛(wèi)星和空間探測器軌道設(shè)計和精密定軌、人造衛(wèi)星和空間探測器通信、導(dǎo)航、氣象、測量、勘探、醫(yī)藥、軍事等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。天文學(xué)對人造衛(wèi)星及空間探測器軌道設(shè)計及衛(wèi)星發(fā)射后的觀測起著決定性的作用。5)、衛(wèi)星在定位、通信和導(dǎo)航中的應(yīng)用，人造衛(wèi)星前，

15、人們根據(jù)觀測太陽和近星空間位置確定地面點坐標和航行中輪船飛機的位置。全球衛(wèi)星位置導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、我國北斗第一代和第二代位置導(dǎo)航系統(tǒng)都使用人造衛(wèi)星位置和導(dǎo)航。氣象衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、大地和遙感衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星等。6)，近地小天體的監(jiān)視，部分近地小行星、彗星，以及人類為探索太空發(fā)射而發(fā)射的各種宇宙飛船，都可能對地球及人類構(gòu)成威脅。監(jiān)視牙齒小天體的運動并預(yù)測正確的軌道是天文學(xué)的使命。近地小天體的監(jiān)測已成為發(fā)達國家的國策。我國已將近小天體的監(jiān)視納入國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展計劃，由專門的天文機構(gòu)執(zhí)行。7)，利用天文地球動力學(xué)、天文方法和天體測量資料研究地球板塊運動、大陸漂移、地震等。8)、利用歷史、考古學(xué)的作

16、用、歷史上的天象記錄，考證歷史事件發(fā)生的年代，是天文學(xué)在歷史考古學(xué)中的應(yīng)用。20世紀未完成的，我國“夏商直大公司”項目，即我國古代彗星、日月儀式等天象記錄，利用天體力學(xué)方法計算發(fā)生的年代，將考古發(fā)掘和歷史文獻結(jié)合起來，確定無王閥州等正確的年代，并將中國歷史年向前延長1200年，獲得了獎、獎、獎、獎、獎、獎、獎、獎。相反，由于天文觀測對科學(xué)技術(shù)的要求，促進時代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的事例很多。例如：天體輻射的信號都比較弱，天文觀測的需要促進微弱信號檢測技術(shù)的發(fā)展。隨時跟蹤觀測要求，促進計算方法和跟蹤技術(shù)的發(fā)展。另外，宇宙天文觀測促進了能源和新材料等技術(shù)的發(fā)展。4，21世紀的天文學(xué)，21世紀的天文學(xué)研究提出了三個茄子主要特征。1)、天文學(xué)已成為國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要組成部分，尤其是在位置導(dǎo)航、通信、遙感、偵察、目標跟蹤、精密柔道、空間對抗等方面，天文學(xué)都占有重要地位。航天事業(yè)的發(fā)展也為天文學(xué)的應(yīng)用提供了新的手段和