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仰望星空,都曾有天文梦,可是,天文学真的是你以为的天文学吗? 精选

已有 2613 次阅读 2017-11-14 09:04 |系统分类:科研笔记

和浩瀚的宇宙相比,地球是多么渺小,人的一生又何其短暂;但人类存在的价值之一,在于人的智慧代代相传,人类集体的智慧能够探究浩瀚宇宙中的无穷奥秘。人生于世,时时都应意识到我们生活在社会群体中,我们生活在自然怀抱里。当我们与社会中的别人打交道时,崇高的道德准则是必须遵守的;人在自然怀抱里更不能无视天地宇宙之间自然界庄严的规律。仰望星空,无论是几十年前还是几十年后,无论你身在地球上什么地方,灿烂的群星总以它那无比的深邃和静谧,向你展示着神秘而和谐的宇宙图景,使你心驰神往,无限遐思,心灵得到净化。

探索宇宙是人类永恒的欲望

探索宇宙的成果是人类集体智能的结晶。天文学家总是在前人成就的基础上,上穷碧落下黄泉,进行更深层次、更广范围的宇宙探测。16世纪哥白尼(N.Copernicus)的太阳中心说,改变了人们几千年来以为地球是宇宙中心的观念。17世纪牛顿(I.Newton)建立的经典力学理论架构,使人们认识到天体也和地面上的物体一样服从统一的运动规律。18世纪发现天王星,19世纪首次测定恒星的距离,20世纪初人们知道了太阳是银河系的一个成员,而且处在银河系中比较靠边的位置。20世纪20年代肯定了河外星系的存在,美国天文学家哈勃(E.P.Hubble)首次测定了河外星系的距离;30年代出现射电天文学;40年代建成5米口径的光学望远镜;50年代人造卫星上天;60年代天文学四大发现;60~70年代人类登上月球;80年代航天飞机问世;90年代哈勃空间望远镜被送入太空。世纪之交,一批口径10米级的光学望远镜建成或正在建造,各种目的的全波段大型观测设备已经进入太空或即将进入太空;21世纪的头20年,人类有可能登上火星和在月球上建立天文观测基地。现代天文学家探测宇宙的能力已深达137亿光年的距离,观测到数以百亿计的星系。人类正在探究宇宙创生的历史和未来命运,寻访地球以外的生命或文明的踪迹。从遥远太空回眸地球,地球上看似渺小的人类,正用自己无穷的智慧和非凡的能力追寻着神秘而和谐的茫茫宇宙中发生的一切——这就是人类的追求、永恒的欲望。


天文学与人类社会发展的关系

天文学诞生和发展的动力源泉,不单是人的好奇心,更在于人类社会生活和生产实践的需要。创造尼罗河文化的古埃及人,在多年的农耕经验中发现,天上最亮的恒星天狼星一旦在黎明之前出现于东方地平线上,尼罗河水就要开始泛滥了。他们据此得知了相当准确的“年”的周期概念,把天体出没的规律与河水涨落的关系以及农作物生长周期和人所要采取的农业措施科学地结合在一起。中国、印度、古巴比伦、希腊、马雅这些远古文明发达的民族都有各自的以天象周期为基础的历法,用于指导农业生产和社会生活。即使逐水草而居的原始游牧民族也懂得根据星象确定方向、位置和季节。人类考古所能见到的最古老的文字,如古巴比伦泥版书上的楔形文字和中国殷墟的甲骨文,都有关于天文的记载。各民族观察天文的历史几乎和民族本身的历史一样久远。

如果说中国、古希腊和古阿拉伯人创造的天文学成就是人类天文学发展的第一次辉煌,它是以农业社会生产发展的需要为其动力,那么开始于欧洲文艺复兴时期,以哥白尼、开普勒(J.Kepler)、牛顿为代表的人类天文学发展的第二次辉煌,则是伴随着工业社会生产方式的萌芽和发展而产生的。掠夺殖民地、人口三角贸易这些原始资本积累过程使航海技术空前发达,而航海是离不开天文的。

当代社会,人类以和平与发展为共识,科学技术居于社会的先导地位,科学技术水平成为衡量社会发达程度的重要标志。20世纪60年代以来,信息技术、微电子技术、空间技术、能源革命和生物基因工程等新兴科学技术群迅速崛起,人类更加关注地球在宇宙环境中的地位、安全和未来命运,以更大的热情去探索宇宙深空的各种奥秘,寻找地球以外的生命乃至人类的知音。发达国家的科学研究投资中,天文学研究所占的比重不断增加,人才、技术和设备不断加强,天文学正在进入一个历史上新的辉煌时期。如果说,300年前,哥白尼-牛顿时代的天文学发展是在几千年缓慢积累的基础上,人类认识宇宙的第一次飞跃,那么,在科学技术突飞猛进的当代,我们正面临着的天文学的新发展,将是人类认识宇宙的第二次飞跃。

数学、物理学、化学、天文学、地球科学、生命科学被认为是现代自然科学的六大基础学科。天文学与其他学科之间有着广泛的相互渗透、相互促进发展的关系,其中数学和物理学尤为突出。天体力学的奠基者牛顿、欧拉(L.Euler)、达朗贝尔(J.L.R.d′Alembert)、拉格朗日(J.L.Lagrange)、拉普拉斯(P.S.Laplace)、高斯(J.G.F.Gauss)、哈密顿(W.R.Hamilton)、庞加莱等同时也是数学大师。1942年,爱因斯坦在纪念牛顿诞辰300周年的文章中写道:“那些为现代技术发展所不可缺少的理智工具,主要来自对星空的观察。”“像牛顿那样的有创造能力的思想家……他们的思想由于凝视这星空而展翅高飞。”1950年,爱因斯坦在国际外科医学院发表演说:在牛顿那个时代,“物理学像天体力学的小妹妹一样随之发展,而生物学则又是像物理学的小妹妹一样随之发展。”爱因斯坦的广义相对论是近代物理学的理论基础,但广义相对论几个方面的验证都在天上:弱引力场中的光线偏转、引力红移、雷达回波延迟、行星近日点进动和引力波。1915年,卢瑟福(E.Rutherford)提出原子模型不到4年,天文学家证实了天狼伴星是一颗密度高达250万克/厘米3的白矮星,只有新提出的原子模型才能解释物质的如此高密状态。20世纪20年代,天文学家爱丁顿(A.S.Eddington)研究恒星内部结构,提出恒星的巨大能量必定源自恒星内部的原子核反应;12年后,物理学家贝特(H.A.Bethe)和魏茨泽克(C.F.Weizsacker)弄清了恒星内部的质子-质子反应和碳—氮—氧循环这两种热核反应的具体过程,并从此打开了人类新能源开发研究的大门。20世纪60年代,天文学家发现脉冲星,证实了物理学家和天体物理学家预言的中子星的存在,进而掀起了探索更高致密度的天体——黑洞是否存在的热潮。当代关于超新星、类星体、活动星系核和γ射线暴的探测成果,已经揭示了宇宙中还存在着比热核反应更加强大的能源机制。19世纪与20世纪之交,物理学的天空出现两朵小小的乌云,竟然酝酿出漫天的狂飙,动摇了几个世纪以来建成的物理学大厦。雨过天晴,相对论和量子力学这两座全新的、现代物理学理论架构巍然耸立,人类社会进入科学技术迅猛发展的新时期。20世纪与21世纪之交,又有两朵乌云——暗物质和暗能量涌现天际,天文学中发现的γ射线暴、巨型黑洞附近的吸积流、引力透镜、宇宙加速膨胀等新奇天象,也许会促使人类像19世纪和20世纪之交,甚或像在文艺复兴时代那样,产生基本物理观念的革命性变化。

天文学与社会政治、宗教、文化的关系也比其他学科更为密切。古人敬畏上天,“仰之如日月,敬之如神明”(《左传·襄公十四年》)。历代封建统治者都以天子自居。“老子天下第一”,也只在天下称霸,不敢涉及天上。就连平民百姓的婚姻大事也要“一拜天地”。有人考证,“天文”原本是“天纹”,即天上显示的图像。统治者们想从“天文”中获得神明的启示,同时又利用“天文”维护自己的权威。所谓“天垂象,观吉凶”(《周易·系辞传》),“以保邦于未危,以处身于无祸”(唐·李淳风),中国古代的天文学始终是与王权政治并驾齐驱的。西方国家长期政教合一,文艺复兴时代,在科学与宗教的斗争中,天文学处在前沿地位。教会对哥白尼、布鲁诺(G.Bruno)和伽利略(Galileo Galilei)的残酷迫害,皆因他们的天文学从精神上动摇了宗教统治的根基。

在文学艺术领域中,天文学也有不可或缺的地位。法国一位作家说过:“天上的星、地上的花、人间的爱是世上最美的三样东西。”芸芸众生,沧桑多变,世态炎凉,唯有遥远的天体给人以恬静、永恒的感觉。昭如日月、灿若明星,历来是文学艺术讴歌的对象,借以抒发人的情怀。天文学对于人类的精神有如同哲学、美学及艺术一样的治愈作用。天文学的基本知识,对于当代追求高尚知识素养的人,无论从事何种职业,都是值得学习的。

天文学的研究对象

天文学是研究天体和宇宙的科学。天体即大气层以外的物体,包括日月星辰和人造天体在内。天文学研究天体的位置、分布、运动、结构、物理状态、化学组成、相互关系及演化规律。宇宙是全部时间、空间和所有天体的总称。

天体有物质密集的形态如恒星、行星,有物质松散弥漫的形态如星云、星际物质,也有广延的连续形态如辐射带、磁层、引力场等。太阳系中的天体包括太阳、行星、矮行星、卫星、彗星、流星体、行星际物质。银河系中的天体有恒星(在恒星周围有类似太阳系中的诸天体)、星团、星云、星际物质。在银河系外面还有更广阔的时空和更高级别的天体系统。

地球作为一个整体也是天文学研究的对象。将来人类一旦建造起月面研究基地,地球就成为他们观测的天体,而在月球上进行的各种月面勘察研究工作反而不属于天文学的范畴了。常常有人误解天文学与气象学的关系。气象学属地球科学,它的研究对象是地球大气层中的各种物理过程及变化规律。气象学是与国民经济密切相关的重要学科,预报天气和研究气候特征是气象学的重要任务。

天文学的研究对象往往具备地面实验室难以达到的条件:极端的冷与热、缓变与爆发、稀薄与密集、极高能量、极强磁场、极大引力和极长时标的演化,提供人类发现与验证自然法则的无法仿真的场所。许多物理学家认为,天体物理学是近代物理学中最热门、最有前途的领域之一。现代天文学研究还促进现代光学、信息科学、计算机科学、精密仪器与新材料新工艺的发展,许多尖端技术都应天文学的需要而产生,又在天文学研究中首先得到应用。

天文学帮助人们正确认识自己在自然界中的地位,摆脱愚昧、升华理性思维。仰望星空,人们不得不折服,在浩瀚的宇宙面前,地球是多么渺小,人的一生又何其短暂,然而正因为如此,人类才应该更加珍惜自己的生命,把个人的心灵与人类社会和广阔自然融为一体,实现自己的人生价值。

天文学的分支学科和研究方法

天文学有三个主要的分支学科:天体测量学、天体力学和天体物理学。

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天体测量学

天体测量学是天文学中最先发展起来的一个分支,主要任务是研究和精确测定天体的位置和运动,建立和维持基本参考坐标系,确定地面点的坐标以及提供精确的标准时间服务。现代天体测量学已从传统的地面光学测量发展到采用雷达测距技术、射电干涉技术和太空技术,进行多波段测量,定位精度达到0″.001,太空至地面的距离测量精度达到厘米级。基本参考坐标系已由传统的静态恒星参考系发展到动力学参考系和以遥远的银河系外天体为基准的射电参考系。新兴的边缘学科——用天文方法研究地球自转和地壳运动的天文地球动力学也属天体测量学的范畴。


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天体力学

天体力学主要研究天体运动的动力学问题,包括天体的力学运动和形状。力学运动是指天体质量中心在空间的移动和天体绕质量中心的转动;形状是指天体在内部引力、热辐射压力和自转离心力作用下弹性平衡的形体及其变化规律。天体力学的理论基础是常规运动速度下的牛顿引力定律和超常运动速度(接近光速)下的狭义和广义相对论。天体力学采用定性理论、摄动理论和数值方法确定天体的运动和长时间内轨道变化的情况。天体力学还用于人造天体的轨道设计,计算彗星、小行星轨道,预报日、月食,预报太阳系内天体碰撞事件等特殊天象。一些恒星系统和星系的动力学问题也属天体力学的研究范畴。

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天体物理学

天体物理学是天文学中最年轻、也是最活跃的分支,主要任务是应用物理学的技术、方法和理论,研究天体的表面物理状态、内部结构、化学组成、相互关系和演化规律。天体物理学与现代物理学理论及仪器技术的发展关系密切,也是当代天文学成果最多的一个分支。20世纪60年代的天文学四大发现,关于黑洞的理论和探测、恒星演化和宇宙论的研究都属天体物理学的范畴。有些物理学家认为,天体物理学也是天文学与物理学的边缘学科。1964~2006年,诺贝尔(A.B.Nobel)物理学奖有9个年度12项天文课题的16位科学家获奖(表1),获奖项目都是天体物理学的课题。

表1 荣获诺贝尔奖的天文课题


天文学是观测科学,同时也是综合科学。它的研究对象都在遥不可及的宇宙空间,既不能取样分析化验,也不能亲临实地勘察,研究的唯一方法就是观测——用各种仪器观察和测量从天体辐射来的电磁波或少量的高能微观粒子。现代天文学最重要的观测仪器是天文望远镜。望远镜收集的天体信息量与其口径的平方成正比。20世纪前50年,光学望远镜的口径从2米发展到5米,至90年代已跃至10米,信息收集能力比肉眼提高400万倍。

现代概念的天文望远镜是天体信息的收集器。它收集到的天体信息要传送给信息接收设备,再进入计算机适时处理。与望远镜配套的信息接收设备是各种分析仪器和光电转换装置。计算机担任天体信息的最后处理,同时发送控制信号,控制望远镜和接收设备的动作和状态。


天文学家直接用眼睛对着望远镜观测天体的时代已经成为历史。照相技术在近代天文学研究的历史上起过非常重要的作用,现在已经或正在逐渐为更新的技术所取代。在现代化的天文台里,天文学家的工作场所可能离望远镜很远,他们面对的是计算机终端或其他信息显示设备。光学波段,尤其是可见光波段是天体电磁波辐射中很窄的一小段。只限于观测光学波段的时代也已成为过去。20世纪50年代以后,射电天文和空间天文仪器相继出现,开展了对天体的射电辐射和红外线、紫外线、X射线和γ射线的全波段观测研究。现代最大射电望远镜的口径已达到100米、110米(跟踪式,德国波恩天文台和美国国家射电天文台)和305米(固定式,设在波多黎各的美国阿雷西博天文台)。近30年来,空间天文学长足发展,设备投资大约是地面天文设备的10倍左右。各种探测器、宇宙飞船飞往太阳系各大行星。人类已经登陆月球,踏上火星也将为期不远。1989年和1990~2003年相继上天的天体测量卫星和哈勃空间望远镜、钱德拉空间望远镜、斯必泽空间望远镜等都取得了非常令人瞩目的观测成果。

21世纪的前50年,人类将要建造口径30~100米级的地面光学望远镜,口径1 000米级的地面射电望远镜,还将在月球上建立天文观测基地,将口径6.5米的空间望远镜和星座式X射线天文台发射到离地球150万千米、绕太阳运行的轨道上。空间望远镜的测角精度将达到10-6角秒。人类将在对高能天体的研究中,获知比热核反应高几个数量级的能源机制,从而掌握更加强大的新能源。人类将继续探索地外文明,努力争取与外星人建立通信联络,还将把所有可能危及地球安全的太阳系小天体全部纳入监控系统之中。有史以来,人类认识宇宙的第二次飞跃的时代,正展现在我们面前。


苏宜

ISBN 9787030250872


《天文学新概论》是作者苏宜在积累多年教学经验的基础上,结合天文学全新进展编写而成。本书是第四版,前三版已得到广大读者的认可。本书可以使读者比较系统地获得关于天体和宇宙的各种知识,科学地认识神秘而和谐的宇宙,了解人类生存的宇宙环境及人类探索宇宙的科学方法、艰辛历程和未来前景,达到开阔视野、启迪人生、提高科学素养和综合知识水平的目的。

3位院士推荐


王绶琯院士题词:


苏定强院士简评肯定:

《天文学新概论》的“选材和结构突破了传统的格局,明显地向当代天文学研究前沿倾斜,突出了宇宙学、星系、黑洞、系外行星探测和仪器技术的最新发展等内容,很符合当前国际上天文学研究的重点范围,材料也很新、很全面。本书不仅介绍天文知识的本体,还联系人文思想、文学和哲学方面的话题,行文流畅,文笔优美,是对大学生进行科学素质教育的很好的教材。本书确实非常适合选修天文学通识课的非天文学专业大学生使用,即使是天文学专业的学生,也不妨选作入门教材或重要参考书。”

孙义燧院士为本书做序,其中提到:

在人们心目中,天文学知识高深难解,像瑰丽的珠宝藏之深山,或像绚丽的鲜花周围荆棘丛生,可望而不可及。本书有一点好处就是使读者避开了数理方面的困难,比较轻松地了解到天文学的基本概念和近代发展,而又不失知识全面、逻辑严谨、深入浅出、条理分明。




(本期编辑:王芳)


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