| 1、認(rèn)識(shí)宇宙 人類經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的努力才認(rèn)識(shí)到我們腳下的大地是個(gè)球體。大地這個(gè)球體該放在宇宙的什么地方呢?開(kāi)始人們把它放在了宇宙的中心。后來(lái)，有個(gè)叫帕拉多喜的人發(fā)現(xiàn)天上的星星有一些在動(dòng)--人們叫它們行星，與之相應(yīng)，不動(dòng)的星星便叫恒星。于是人們就說(shuō)，天上的月亮、太陽(yáng)、行星及所有恒星都繞著地球做圓周軌道運(yùn)動(dòng)。托勒密第一個(gè)用數(shù)學(xué)方法確定了地球與行星的關(guān)系，給古希臘人心目中的宇宙圖景做出了定量的描繪。這個(gè)圖景后來(lái)成了基督教神學(xué)的理論基礎(chǔ)。直至1543年哥白尼出版《天體運(yùn)行論》，才把地球從宇宙中心移開(kāi)。在哥白尼的體系中，地球不再是宇宙的中心，而是與其他行星一樣沿正圓形軌道繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。 17世紀(jì)之前，人們-直都是憑借肉眼來(lái)觀察大象，并借助一些簡(jiǎn)單的度量?jī)x器來(lái)研究天體，主要是太陽(yáng)、月球和可以用肉眼看到的五大行星。中國(guó)人用他們所熟知的金木水火土五行，古希臘、古羅馬人用他們熟悉的神來(lái)給這些行星起了名字。1610年，伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，從而拓寬了人們的視野，看到了用肉眼無(wú)法看到的新的宇宙圖景。 從18世紀(jì)到19世紀(jì)上半葉是近代天文學(xué)大發(fā)展的時(shí)期，這時(shí)期建立了完整的大行星、地球和彗星運(yùn)動(dòng)理論，發(fā)現(xiàn)了一些新的行星、行星的衛(wèi)星和小行星，并且把觀察的視野從太陽(yáng)系擴(kuò)展到了銀河系的其他恒星系。19世紀(jì)下半葉，天文學(xué)家將當(dāng)時(shí)物理學(xué)中的一些新的理論和方法引入到天體研究中，創(chuàng)立了天體物理學(xué)，從此開(kāi)始了現(xiàn)代天文學(xué)階段。 進(jìn)入20世紀(jì)之后，無(wú)論是天體物理理論，還是天體觀測(cè)方法都取得了很大的進(jìn)展。在傳統(tǒng)的光學(xué)天文學(xué)領(lǐng)域，隨著反射天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，一改19世紀(jì)折射天文望遠(yuǎn)鏡的局限，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷增大。1908年出現(xiàn)了1.5米鏡、1918年出現(xiàn)了2.5米鏡、1948年出現(xiàn)了5米鏡、1976年出現(xiàn)了6米鏡，1993年口徑10米的巨型天文望遠(yuǎn)鏡問(wèn)世，使人們的視野進(jìn)入到更為遙遠(yuǎn)的宇宙空間。 1932年，美國(guó)工程師央斯基發(fā)現(xiàn)了來(lái)自銀河系中心方向的宇宙無(wú)線電波，后來(lái)將這種無(wú)線電波稱為宇宙射線，由此發(fā)現(xiàn)了了解宇宙的新途徑，并創(chuàng)立了射電天文學(xué)。手段的改進(jìn)是天文學(xué)發(fā)展的前提，射電望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)使宇宙全波段地展現(xiàn)在人類的視野中，使人類了解到一些根據(jù)可見(jiàn)光無(wú)法了解的天體和物質(zhì)，例如超新星痕跡、類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射等。 20世紀(jì)60年代開(kāi)始，人類探索宇宙的立足點(diǎn)不再局限于地球，1962年，美國(guó)探空火箭攜帶X射線探測(cè)器飛離地球150公里，發(fā)現(xiàn)了在地球表面無(wú)法接收的來(lái)自宇宙的強(qiáng)X射線，開(kāi)創(chuàng)了空間天文學(xué)時(shí)代。1998年6月，美國(guó)航天飛機(jī)發(fā)現(xiàn)者號(hào)攜帶著有中國(guó)科學(xué)家參與研制的α磁譜儀，試圖尋找宇宙中的反物質(zhì)。 2、宇宙的結(jié)構(gòu) ●梯級(jí)分布和各向同性 宇宙是自然科學(xué)最大的研究對(duì)象，關(guān)于宇宙，人類已經(jīng)有了越來(lái)越多的知識(shí)。這些知識(shí)包含了可能對(duì)宇宙進(jìn)行某種科學(xué)解釋、建立某種模型所必需的東西;已經(jīng)讓我們能夠理性地推斷可測(cè)范圍之內(nèi)宇宙的起源和不很久遠(yuǎn)時(shí)段內(nèi)宇宙的未來(lái);已經(jīng)讓我們能夠發(fā)射地球衛(wèi)星和為各種不同目的服務(wù)的太陽(yáng)系際探測(cè)器;已經(jīng)讓我們能夠以科技的方式展開(kāi)對(duì)宇宙間智能生命伙伴的搜尋…… 我們現(xiàn)在對(duì)宇宙的基本認(rèn)識(shí)是:在相對(duì)較小的時(shí)空內(nèi)，宇宙中的物質(zhì)依次聚集為星體、星系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)、超超星系團(tuán)……。宇宙在整體上是均勻的、各向同性的，宇宙沒(méi)有中心，任何典型星系的觀察者所看到的宇宙規(guī)律是一樣的。 ●宇宙在大尺度上是膨脹著的 人們發(fā)現(xiàn)天空中有許多云霧狀的天體，名之為星云。1924年哈勃把天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)仙女座大星云，分辨出構(gòu)成該星云的單個(gè)星體，使河外星系和塵埃云得以區(qū)分，并發(fā)現(xiàn)仙女座大星云不是銀河系中的天體，而是距地球約220萬(wàn)光年之遙的與我們的銀河系一樣的星系，謂之河外星系。繼而他又對(duì)河外星云做了更深入細(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)了許多更為遙遠(yuǎn)的星系。 1912年始，致力于天體光譜研究的美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗發(fā)現(xiàn)，幾乎所有河外星系的光譜線都存在著向紅端移動(dòng)的現(xiàn)象。如果按照多普勒效應(yīng)解釋，這就意味著這些星系都在遠(yuǎn)離地球而去，而且運(yùn)行速度相當(dāng)大，比如室女座大星云的運(yùn)行速度是每秒1000千米。1929年，哈勃考察了斯萊弗的工作，結(jié)合自己對(duì)河外星系的研究，把運(yùn)行速度的研究范圍擴(kuò)展到每秒2萬(wàn)公里，提出著名的哈勃定律:星系光譜線的紅移量同它們與地球的距離成正比。哈勃的理論被后來(lái)的觀測(cè)進(jìn)一步證實(shí)。也就是說(shuō)，河外星系的紅移是反映宇宙整體性特征的系統(tǒng)性紅移--從宇宙中的任何一點(diǎn)都能看到幾乎所有的天體都在遠(yuǎn)離該點(diǎn)而去--宇宙在膨脹。這是一種全方位的無(wú)中心膨脹，其情形類似于膨脹的氣球上各點(diǎn)之間相互遠(yuǎn)離。 ●宇宙的時(shí)空是柔性的 在牛頓時(shí)空觀中，空間是三維平直的，是絕對(duì)均勻、各向同性的;時(shí)間是單向一維的，像河流一樣勻速地流淌著。時(shí)間和空間與物質(zhì)無(wú)關(guān)，它們就像是盛裝物質(zhì)的容器，亙古存在，永遠(yuǎn)不變。 愛(ài)因斯坦1905年和1915年先后提出狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，狹義相對(duì)論初步建立了時(shí)間、空間的統(tǒng)一性，以及時(shí)間空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系。在狹義相對(duì)論中，時(shí)空度規(guī)隨物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而變化。 廣義相對(duì)論統(tǒng)一了引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量，引力場(chǎng)等效于具有相當(dāng)加速度的參照系。他還揭示了四維時(shí)空與物質(zhì)的統(tǒng)一關(guān)系，指出空間一時(shí)間不能離開(kāi)物質(zhì)而獨(dú)立存在，物質(zhì)的質(zhì)量及其分布狀況決定時(shí)空的結(jié)構(gòu)。反過(guò)來(lái)看，引力場(chǎng)是空間幾何彎曲的表現(xiàn)，空間的曲率體現(xiàn)引力場(chǎng)的強(qiáng)度。 有人依據(jù)愛(ài)因斯坦的理論推論，在極強(qiáng)引力場(chǎng)，比如黑洞中，空間收縮為1維的，時(shí)間擴(kuò)張為3維的;而超強(qiáng)理論又認(rèn)為在極微觀高能的世界中時(shí)空可能是11維的。 愛(ài)因斯坦指出大引力場(chǎng)周?chē)蓽y(cè)到空間彎曲，并預(yù)言在日全食的時(shí)候觀測(cè)太陽(yáng)背景處的恒星位置可以證實(shí)這種現(xiàn)象。1919年愛(ài)丁頓率隊(duì)赴非洲觀測(cè)日全食驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦關(guān)于光線在引力場(chǎng)中發(fā)生彎曲的預(yù)言，也就是證實(shí)了愛(ài)因斯坦關(guān)于物質(zhì)與時(shí)空結(jié)構(gòu)關(guān)系的理論。 3、太陽(yáng)系 直至目前，太陽(yáng)系依然是我們?cè)谟钪嬷辛私庾疃嗟奶祗w系統(tǒng)。哥白尼之后的幾個(gè)世紀(jì)中，太陽(yáng)系一直是天文學(xué)研究的重點(diǎn)。到了19世紀(jì)末，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了除冥王星之外的其他八大行星和將近500顆小行星。20世紀(jì)二三十年代，天文學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系中的一顆新的大行星--冥王星，并且發(fā)現(xiàn)了一些大行星周?chē)男l(wèi)星、7000多個(gè)小行星，以及若干顆彗星，從而繪制出更加完備的太陽(yáng)系圖景。 ●太陽(yáng) 太陽(yáng)是與人類的生活最密切相關(guān)的天體，萬(wàn)物生長(zhǎng)*太陽(yáng)，我們地上生命的全部能量幾乎都來(lái)源于太陽(yáng)。但是由于研究手段的限制，直到20世紀(jì)，隨著物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展，更精密儀器的問(wèn)世，特別是太陽(yáng)空間探測(cè)器的發(fā)射，人類對(duì)于太陽(yáng)才有了深入的了解。 現(xiàn)在我們知道，太陽(yáng)是個(gè)主要成分為氫的氣體球，太陽(yáng)的能量來(lái)自其本身氫原子的核聚變;太陽(yáng)表面平均溫度為五六千度，中心溫度達(dá)數(shù)千萬(wàn)度;太陽(yáng)每時(shí)每刻都在向外輻射巨大的能量，輻射到地球上的只是其中極其微小的部分;太陽(yáng)既是生命的源泉，又是巨大的殺手。因?yàn)樗袕?qiáng)大的磁場(chǎng)，內(nèi)部溫度極高、進(jìn)行著劇烈的核反應(yīng)，所以自然界各種相互作用的機(jī)制隨時(shí)在其中起作用，所形成的強(qiáng)大的由紫外線、x射線等高頻段電磁波及各種粒子流組成的太陽(yáng)風(fēng)籠罩在地球上。 太陽(yáng)風(fēng)是地球所承受的宇宙射線的重要來(lái)源。如果宇宙射線長(zhǎng)驅(qū)直入，地球上絕不會(huì)有生命可言，是地球的大氣層特別是臭氧層和強(qiáng)大的地球磁場(chǎng)保護(hù)著我們，這也是我們今天為南北極的臭氧空洞憂心，并極力倡導(dǎo)保護(hù)臭氧層的原因。太陽(yáng)的壽命約為100億年，它現(xiàn)在已經(jīng)走完了大約一半的旅程。 ●月球 月球是地球的衛(wèi)星，是離我們最近的天體，它那肉眼看上去亮麗晶瑩的外表曾經(jīng)寄托過(guò)人類數(shù)不盡的美好心愿。 從17世紀(jì)伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡指向月球看到環(huán)形山以后，直到20世紀(jì)人類才逐漸了解了月球的物理特性。20世紀(jì)20年代，法國(guó)科學(xué)家利奧推測(cè)出月球表面有一層由火山灰構(gòu)成的灰土，50年代末，人類所進(jìn)行的首次空間探測(cè)就是針對(duì)月球。1959年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆月球探測(cè)器，發(fā)回來(lái)的照片使人類第一次看到月球背面的情況。很快，美國(guó)也相繼發(fā)射了一系列月球探測(cè)器。1972年7月20日，美國(guó)阿波羅11號(hào)宇宙飛船的登月艙在月球著陸，宇航員阿姆斯特朗成為第一位登上月球的人，迄今為止，一共有12個(gè)人分6次登上了月球。 現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，月球是個(gè)死寂的天體，它既沒(méi)有大氣、沒(méi)有水、沒(méi)有活火山，也基本沒(méi)有“地質(zhì)運(yùn)動(dòng)”，它除了寂靜地繞著地球旋轉(zhuǎn)、接受來(lái)自宇宙空間的各種撞擊和輻射之外基本上已經(jīng)結(jié)束了自己天文學(xué)意義上的進(jìn)化歷程?？赡苤挥腥祟惒拍苜x予月球新的生命。 關(guān)于月球的起源有三種主要的說(shuō)法:一種認(rèn)為月球是在地球產(chǎn)生過(guò)程中與地球同時(shí)形成的，是早期地球星胚旋轉(zhuǎn)處于吸積盤(pán)階段時(shí)盤(pán)面上擾動(dòng)積聚的結(jié)果;另一種說(shuō)法認(rèn)為月球的起源遠(yuǎn)比地球晚，月球是從地球上拋出去的，太平洋就是月球脫離地球后留下的痕跡;第三種說(shuō)法認(rèn)為月球是地球掠獲的小行星。但三種說(shuō)法都有解釋不清的問(wèn)題，所以關(guān)于月球的起源至今還是個(gè)未解之謎。 現(xiàn)在，一些國(guó)家包括我國(guó)都有自己探測(cè)開(kāi)發(fā)月球的愿望或已經(jīng)制定了計(jì)劃，人類未來(lái)宇宙空間的第一個(gè)落腳點(diǎn)恐怕還得是月球。 ●行星 在19世紀(jì)下半葉天體物理學(xué)創(chuàng)立之前，太陽(yáng)及太陽(yáng)系中的行星、彗星和月球一直是天文學(xué)家研究的重點(diǎn)。隨著航天飛行器的問(wèn)世，人類得以近距離觀察一些大行星。從60年代開(kāi)始，美國(guó)、蘇聯(lián)和德國(guó)等國(guó)家先后發(fā)射了多個(gè)星際探測(cè)器，主要對(duì)火星、金星和水星等內(nèi)太陽(yáng)系天體進(jìn)行科學(xué)考察，其中美國(guó)的火星探測(cè)器“海盜1號(hào)”和“海盜2號(hào)”于1975年在火星上著陸;1997年，美國(guó)的火星探測(cè)器“探路者”又在火星上著陸，進(jìn)一步探索火星的地形地貌，為人類將來(lái)可能登陸火星進(jìn)行深入的考察。從70年代開(kāi)始，一些行星探測(cè)器又飛向外太陽(yáng)系，考察木星、土星、天王星和海王星。 火星是目前為止人類了解得最多的行星，也是各種天文地質(zhì)狀況與地球最接近的太陽(yáng)系天體。人類在夢(mèng)想著以各種物理、化學(xué)和生物的辦法對(duì)火星進(jìn)行地球化改造，使它在不遠(yuǎn)的將來(lái)呈現(xiàn)出適合于人類居住的條件，以便在人類走出地球這個(gè)人類童年的搖籃，邁開(kāi)向宇宙空間移民的第一步的時(shí)候落戶火星。 除九大行星外，太陽(yáng)系火星和木星之間還有一個(gè)奇異的小行星帶。小行星的最初發(fā)現(xiàn)是起因于人們的一種困惑--在太陽(yáng)系中每一顆行星與太陽(yáng)的距離都大約是其前一顆的1.3~2.0倍，惟一的例外就是第五顆行星--木星到太陽(yáng)的距離大約是第四顆行星--火星到太陽(yáng)距離的3.4倍。受由理論推導(dǎo)而發(fā)現(xiàn)天王星的鼓舞，德國(guó)的天文家們認(rèn)為在火星和木星之間應(yīng)該還有一顆行星，還組織了一個(gè)小組準(zhǔn)備搜尋。然而，第一顆小行星卻是意大利天文學(xué)家皮亞齊在無(wú)意中發(fā)現(xiàn)的。1801年1月1日，皮亞齊在火星和木星之間發(fā)現(xiàn)了一個(gè)每天都改變位置的暗淡天體，德國(guó)數(shù)學(xué)家高斯推算出它的軌道正是在人們期待發(fā)現(xiàn)新行星的空間內(nèi)，證明它是一顆行星，皮亞齊名之為谷神星。然而，谷神星太小，半徑只有1000千米，只有月球的1/50大，似乎不足以填補(bǔ)火星和木星之間空曠的空間，于是天文學(xué)家們繼續(xù)搜尋。1807年奧伯斯在這個(gè)空間內(nèi)又發(fā)現(xiàn)了三顆新行星，分別命名為智神星、婚神星和灶神星。天文學(xué)家赫歇爾建議稱這些行星為小行星，這種叫法延用下來(lái)。 至今，在火星和木星間的這個(gè)空間內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆小行星，因此人們稱其為小行星帶?，F(xiàn)在一般認(rèn)為這個(gè)小行星帶是由于太陽(yáng)系內(nèi)最大的行星木星的強(qiáng)大引力加之火星引力的共同攝動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)果。這種攝動(dòng)使小行星帶內(nèi)的物質(zhì)難以聚合成星子，故而形不成大行星。 除小行星帶內(nèi)的小行星外，還有一些分布在太陽(yáng)系內(nèi)其他行星軌道上或自己擁有獨(dú)立軌道的小行星。這些小行星的軌道曲率往往特別大，也就是說(shuō)特別扁長(zhǎng)，遠(yuǎn)日點(diǎn)特別遙遠(yuǎn)，近日點(diǎn)特別近，與地球等其他行星軌道有交*。天文學(xué)家把軌道近地點(diǎn)比金星與地球的距離還近的小行星稱為掠地小行星。與大行星軌道交*以至可以達(dá)到相當(dāng)*近的距離，這一方面導(dǎo)致小行星有可能被大行星掠獲，成為大行星的衛(wèi)星;另一方面，雖然可能性極小，但一旦發(fā)生就是滅頂之災(zāi)--小行星們有可能與大行星相撞，當(dāng)然最令人擔(dān)憂的是與我們的地球相撞。這也是人類必須在宇宙中尋找更多的棲身之所的一個(gè)重要理由。著名科普作家卡爾·薩根曾引用西方的一句俗語(yǔ)來(lái)解釋這個(gè)理由說(shuō):“我們不能把所有雞蛋都放在同一只籃子里?！? ●衛(wèi)星 月球是地球唯一的衛(wèi)星，也是直至近代之前人類知道的太陽(yáng)系中惟一的一顆衛(wèi)星，所以自古人們都是把它與金木水火土等行星一道等而觀之，并沒(méi)覺(jué)出它與其他行星有什么不同。1610年，伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡觀天，發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星。這件事在當(dāng)時(shí)可謂是引起了軒然大波，因?yàn)檫@就意味著不但地球不是宇宙的中心，太陽(yáng)也不是宇宙惟一的中心，而這樣的結(jié)論是為當(dāng)時(shí)的“正統(tǒng)思想”所絕對(duì)不能容忍的?，F(xiàn)在，人類已經(jīng)在太陽(yáng)系中發(fā)現(xiàn)了至少64顆衛(wèi)星;并且知道土衛(wèi)六上有大氣，這是目前所知惟一的一顆擁有大氣的衛(wèi)星。有大氣是非同小可的事情。因?yàn)橛写髿饩投嗔艘恢氐厍蚧目赡埽嬖诘厍蚧赡艿牡胤蕉加锌赡艹蔀槿祟惖奈磥?lái)家園。 ●彗星 長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)論在東方還是西方，彗星的出現(xiàn)都被視為是不祥的征兆。對(duì)于西方人來(lái)說(shuō)這種情況在1682年徹底改變了。這一年牛頓的朋友哈雷發(fā)現(xiàn)了當(dāng)年出現(xiàn)的彗星原先也曾經(jīng)進(jìn)入過(guò)人類的視野，而且他計(jì)算出這顆彗星每76年會(huì)再來(lái)一次。1758年，這顆彗星果然光臨。但是，人們長(zhǎng)期以來(lái)還是不知道為什么彗星在太陽(yáng)系運(yùn)行時(shí)形狀會(huì)發(fā)生變化。直到20世紀(jì)，人們才知道彗星原來(lái)也是以橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行的天體，但它們的軌道比行星的扁得多，因此近日點(diǎn)往往很近，遠(yuǎn)日點(diǎn)卻非常遠(yuǎn)。 彗星主要是由冰雪物質(zhì)和塵埃組成，有人形象地說(shuō)彗星是個(gè)“臟雪球”。彗星遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)，為完全的固體狀態(tài)，當(dāng)它*近太陽(yáng)時(shí)，因?yàn)闊霟幔瑫?huì)形成水蒸汽和塵埃，因此，形狀變化較大，會(huì)有明顯的膨脹，多數(shù)情況下還會(huì)拖出或長(zhǎng)或短的彗尾。我們現(xiàn)在還知道，彗星因?yàn)槊看谓?jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)都會(huì)損失一些物質(zhì)，在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)若干次之后，彗星就全部因蒸發(fā)和分解為塵埃而消失，或者留下一個(gè)由巖石組成的核。 關(guān)于彗星的起源，還是個(gè)未解之謎。 4、銀河系 銀河系是一個(gè)擁有上千億顆恒星和大量星際物質(zhì)的天體系統(tǒng)，太陽(yáng)是銀河系中一顆極其普通的中等恒星。我們?cè)谙囊骨缋实奶炜罩锌吹降你y白帶子是銀河系在天球上的投影，熠熠的白色是密集的恒星發(fā)出的光輝。 如果從銀河系之外看銀河系，它應(yīng)該是一個(gè)帶旋渦結(jié)構(gòu)的鐵餅形星系。銀河系的盤(pán)面直徑約為10萬(wàn)光年，核球直徑大約為1萬(wàn)光年，銀核直徑大約為3光年。我們的太陽(yáng)處在銀河一條旋臂上，距銀心約4萬(wàn)光年遠(yuǎn)的地方。因此在地球上看銀河，朝向銀心的一側(cè)密集明亮，另一側(cè)則稀疏暗淡。銀盤(pán)中恒星相對(duì)密集，尤其是旋臂上集中著一些比較年輕的甚至是形成中的恒星、疏散星團(tuán)、星際介質(zhì)和氣體星云;年老的球狀星團(tuán)分布在銀暈中;大質(zhì)量的銀核中心有一個(gè)巨大的黑洞。銀河系的總質(zhì)量為1400億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，其中90%為恒星、10%為氣體和塵埃組成的星際介質(zhì)。銀河系整體繞過(guò)銀心垂直于銀盤(pán)的軸旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)所在處的轉(zhuǎn)速為每秒220千米。 5、恒星的演化 古人將天空中的星體分為行星和恒星，前者有明顯的運(yùn)動(dòng)，后者不動(dòng)。1718年，天文學(xué)家哈雷發(fā)現(xiàn)三顆最亮的恒星--天狼星、南河三和大角星的位置與希臘時(shí)代天文學(xué)家的記錄有較大的偏差并且不可能是正常的誤差，于是得出結(jié)論說(shuō)恒星并非不動(dòng)，只是因?yàn)榕c我們的距離相當(dāng)遙遠(yuǎn)而顯得運(yùn)動(dòng)相當(dāng)緩慢，所以看上去好像不動(dòng)一樣。在19世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)宇宙中的恒星具有不同的光譜，于是有人提出，恒星是否也發(fā)生演化。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，直到20世紀(jì)50年代才找出答案。在這期間，美國(guó)天文學(xué)家史瓦西經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研究，將恒星的能源和恒星的結(jié)構(gòu)與恒星的演化結(jié)合了起來(lái)。弗里德曼·霍伊爾對(duì)恒星演化給出了科學(xué)的解釋，將恒星生命周期劃分為起源、主序星、紅巨星、矮星等幾個(gè)階段。其中恒星在主序星階段停留的時(shí)間最長(zhǎng)，我們的太陽(yáng)現(xiàn)在正處于這一階段。對(duì)恒星的演化過(guò)程，科學(xué)家以赫-羅圖描述。對(duì)恒星演化過(guò)程的研究是人類迄今為止對(duì)天體問(wèn)題最精確的科學(xué)研究。 恒星的前身是彌漫稀薄的星際物質(zhì)，由于引力收縮而成為密度較大的星胚。在收縮過(guò)程中，星胚中心密度增大，引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度增高，并逐漸發(fā)光發(fā)熱，當(dāng)中心溫度達(dá)到1000萬(wàn)度時(shí)，在高溫高壓下，氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)成為主要能源，星胚成為一顆真正的恒星。當(dāng)向外的輻射能足以與萬(wàn)有引力引起的向內(nèi)的收縮相抗衡時(shí)，收縮停止。恒星內(nèi)部的氫燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぃS著時(shí)間的推移，恒星中便積累了大量的氦，隨著氫燃料逐漸耗盡，氦逐漸增多，氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)產(chǎn)生的熱量減少，溫度降低，向外的輻射能不足以抵抗因巨大質(zhì)量而擁有的引力所導(dǎo)致的向內(nèi)的壓力時(shí)，恒星在引力的作用下坍縮，星體密度增加，同時(shí)內(nèi)部壓力急劇增大，引力勢(shì)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，溫度陡增，氦被點(diǎn)燃，氦聚變產(chǎn)生碳，燃燒重新開(kāi)始，向外猛烈輻射能量，導(dǎo)致外殼急劇膨脹，恒星體積急劇增大，表面溫度迅速降低，成為紅巨星。紅巨星之后，如果恒星質(zhì)量足夠大，還會(huì)重復(fù)如上的過(guò)程，點(diǎn)燃碳聚變而為以硅為主的元素，之后如果恒星質(zhì)量更大，還會(huì)發(fā)生硅聚變而為鐵族元素的反應(yīng)，甚至發(fā)生超新星大爆發(fā)。再后，恒星便逐漸走向它的末日。在恒星演化的末期依據(jù)恒星質(zhì)量從小到大的不同可能依次出現(xiàn)四類演化結(jié)局:黑矮星、白矮星、中子星和黑洞。 6、宇宙中的未解之謎 著名科普作家阿西莫夫說(shuō):“在科學(xué)上每一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)都會(huì)打開(kāi)通往新的神秘的大門(mén)，同時(shí)最大的發(fā)展往往來(lái)自意外的發(fā)現(xiàn)，即推翻原有觀點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。”對(duì)人類現(xiàn)有的理解能力和科學(xué)水平而言，宇宙深?yuàn)W而神秘，下面所列的只是幾個(gè)有代表性的現(xiàn)象。 ●暗物質(zhì) 美國(guó)女天文學(xué)家葳拉·羅賓依據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一些天文現(xiàn)象及人類已知的一些科學(xué)規(guī)律，提出宇宙中應(yīng)該存在大量的暗物質(zhì)，否則許多現(xiàn)象都無(wú)法解釋。暗物質(zhì)可能是黑洞和矮星，但暗物質(zhì)中的絕大多數(shù)應(yīng)該是一些不發(fā)光、不反光、不擋光的透明物質(zhì)，科學(xué)家們有的說(shuō)是重子物質(zhì)、有的說(shuō)是光子、有的說(shuō)是中微子，總之，宇宙間的暗物質(zhì)還是個(gè)未解之謎。 ●類星體 類星體指一類特別明亮、體積特別小、運(yùn)行速度特別大、發(fā)射出的能量特別強(qiáng)又有極快的明暗周期變化的一類天體。美國(guó)天文學(xué)家馬丁·斯密特等人對(duì)類星體做了深入研究總結(jié)出一些現(xiàn)象，提出了一些令人費(fèi)解的問(wèn)題，但直至今天，天文學(xué)家們連在類星體到底是離我們較近的天體還是離我們非常遙遠(yuǎn)的天體這一點(diǎn)上還沒(méi)有完全達(dá)成共識(shí)，類星體到底是什么東西就更是不得而知。 ●黑洞、白洞，蛀洞 1939年奧本海默根據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)言，當(dāng)恒星質(zhì)量足夠大(相當(dāng)于我們太陽(yáng)質(zhì)量的3.2倍以上)時(shí)，可能會(huì)由于巨大的引力而坍縮;隨著它的體積的變小，引力場(chǎng)會(huì)變得十分強(qiáng)大，以至大到將其引力范圍(科學(xué)上稱視界)內(nèi)任何東西都吸進(jìn)去的程度，連光線也無(wú)法逃逸，像一個(gè)無(wú)限深的洞。20世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家惠勒將其名之為黑洞。有科學(xué)家預(yù)言，銀河系中應(yīng)該有100萬(wàn)個(gè)黑洞。由于黑洞吞食一切物質(zhì)和光線，起碼現(xiàn)階段人類還找不到直接觀察黑洞的方法，不過(guò)科學(xué)家已經(jīng)間接證明了若干個(gè)黑洞的存在。 白洞是科學(xué)家為平衡宇宙間物質(zhì)的流動(dòng)性而預(yù)言的一種與黑洞性質(zhì)相反的天體，在視界之內(nèi)的物質(zhì)只向外流不向里流;蛀洞(亦有稱蟲(chóng)洞)則是有了黑洞和白洞之后一種必然性的理論假說(shuō)，它是科學(xué)家預(yù)言的彎曲空間不同區(qū)域間或不同宇宙間可能存在的聯(lián)系通道。究竟在這樣深的層次上宇宙如何結(jié)構(gòu)自己，人類還不得而知。 7、大爆炸宇宙模型 自從愛(ài)因斯坦用他的廣義相對(duì)論給出第一個(gè)宇宙模型之后，一門(mén)新的學(xué)科--宇宙學(xué)便誕生了。愛(ài)因斯坦1917年提出有限無(wú)邊靜態(tài)宇宙模型，在這個(gè)模型中物質(zhì)均勻分布，宇宙的大尺度特征不隨時(shí)間發(fā)生變化。1922年，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼提出了現(xiàn)代宇宙學(xué)中第一個(gè)動(dòng)態(tài)宇宙模型，提出宇宙有膨脹和收縮兩種可能。1932比利時(shí)天文學(xué)家阿貝·喬治·勒梅特依據(jù)宇宙膨脹逆推而提出宇宙中所有的物質(zhì)最初應(yīng)該聚集在一起。1946年，美籍俄裔科學(xué)家伽莫夫首次將廣義相對(duì)論宇宙學(xué)和化學(xué)元素生成理論結(jié)合起來(lái)，提出宇宙開(kāi)始于高溫、高密度的原始物質(zhì)，最初的溫度高達(dá)幾十億度，很快便降低到10億度，這時(shí)的宇宙充滿了輻射和基本粒子，隨后溫度開(kāi)始下降，宇宙開(kāi)始膨脹，當(dāng)膨脹持續(xù)100萬(wàn)年，溫度降至一定程度時(shí)，宇宙物質(zhì)逐漸凝聚成星云，再演化成今天所見(jiàn)的各種天體。后來(lái)伽莫夫的學(xué)生阿爾法推斷150~200億年前宇宙大爆炸的余燼，在今天應(yīng)表現(xiàn)為溫度為幾K的背景輻射。這個(gè)理論在提出來(lái)的時(shí)候被很多人當(dāng)作臆想，并未引起特別的關(guān)注。1965年，鮑伯·威爾遜和阿諾·彭齊亞斯用貝爾實(shí)驗(yàn)室的角形天線無(wú)意間測(cè)到了2.7K的微波背景輻射。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)使沉寂的大爆炸宇宙模型煥發(fā)出新的生命力。 在大爆炸宇宙模型中，宇宙誕生的時(shí)候密度極大，空間高度彎曲，能量集中為引力能;大爆炸發(fā)生后，空間中充滿輻射、各向同性。這就產(chǎn)生了疑問(wèn)--嚴(yán)格各向同性的均勻輻射場(chǎng)中何以能出現(xiàn)離散性的粒子?有人預(yù)言，這個(gè)輻射場(chǎng)中可能會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的擾動(dòng)，是擾動(dòng)破壞了場(chǎng)的均質(zhì)性，產(chǎn)生了粒子。1989年，美國(guó)發(fā)射“宇宙背景探索者”衛(wèi)星，1992年正式宣布探測(cè)到微波背景輻射的不均勻性，這就使大爆炸在最初完全的能量狀態(tài):足可以產(chǎn)生出粒子進(jìn)而演化成現(xiàn)今的宇宙有了前提。喬治·斯勒姆以計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出早期宇宙圖，這個(gè)圖被形象地戲稱為“宇宙蛋”。 不過(guò)，大爆炸宇宙學(xué)也還有許多不能解決的問(wèn)題，比方說(shuō)大爆炸之前的宇宙是什么樣子?是整個(gè)宇宙都起源于這場(chǎng)爆炸，還是這場(chǎng)大爆炸僅僅是我們已知范圍的宇宙的起源?爆炸之后如今還在膨脹的宇宙是要永遠(yuǎn)膨脹下去，還是有一天會(huì)停下來(lái)或轉(zhuǎn)變?yōu)槟嫦虻氖湛s?…… |
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