天體物理學的發(fā)展與歷史物理學史期末論文

1、 天體物理學的發(fā)展與歷史摘要：在本學期學習物理學史課程以來，讓我了解到很多物理學發(fā)展史，以及眾多物理學家對物理做出的巨大貢獻；了解到現(xiàn)代如此先進的技術(shù)都脫離不開物理學的高度發(fā)展，因此，物理學是科學技術(shù)的基礎(chǔ)，是科技得以產(chǎn)生的基石。他不僅推動著科學技術(shù)的發(fā)展，更成為人類社會發(fā)展的助燃劑。在眾多物理分支方面我比較感興趣的就是天文學這一塊，所以接下來我將介紹有關(guān)天體物理方面的發(fā)展。關(guān)鍵詞：天體物理學 粒子物理學 宇宙學 （一）天體物理學的起源從公元前129年古希臘天文學家喜帕恰斯目測恒星光度起，中間經(jīng)過1609年伽利略使用光學望遠鏡觀測天體，繪制月面圖，16551656年惠更斯發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)和獵戶座星

2、云，后來還有哈雷發(fā)現(xiàn)恒星自行，到十八世紀赫歇耳開創(chuàng)恒星天文學，這是天體物理學的孕育時期。十九世紀中葉，三種物理方法分光學、光度學和照相術(shù)廣泛應用于天體的觀測研究以后，對天體的結(jié)構(gòu)、化學組成、物理狀態(tài)的研究形成了完整的科學體系，天體物理學開始成為天文學的一個獨立的分支學科。天體物理學是應用物理學的技術(shù)、方法和理論，研究天體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、化學組成、物理狀態(tài)和演化規(guī)律的天文學分支學科。多年來，隨著世界人口的不斷增加，資源不斷的消耗，人們的生存環(huán)境日益縮減，資源也愈加匱乏。越來越多的國家將希望寄托于地球外部的空間，這進一步促進了天體物理學的發(fā)展，理論天體物理學的發(fā)展緊密地依賴于理論物理學的進步，幾乎理

3、論物理學每一項重要突破，都會大大推動理論天體物理學的前進。二十世紀二十年代初量子理論的建立，使深入分析恒星的光譜成為可能，并由此建立了恒星大氣的系統(tǒng)理論。三十年代原子核物理學的發(fā)展，使恒星能源的疑問獲得滿意的解決，從而使恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論迅速發(fā)展；并且依據(jù)赫羅圖的實測結(jié)果，確立了恒星演化的科學理論。（二）天體物理學的分類：天體物理學分為：太陽物理學、太陽系物理學、恒星物理學、恒星天文學、星系天文學、宇宙學、宇宙化學、天 體演化學等分支學科。另外，粒子物理學射天體、電天文學、空間天文學、高能天體物理學也是它的分支。（3） 天體物理學在對外太空研究的作用：對行星的研究是天體物理學的一個重要方面。近二

4、十年來，對彗星的研究以及對星星及物質(zhì)的分布、密度、溫度、磁場和化學組成等方面的研究，都取得了重要成果。隨著空間探測的進展，太陽系的研究又成為最活躍的領(lǐng)域之一。 銀河系有一、二千億顆恒星，其物理狀態(tài)千差萬別。球狀體、紅外星、天體微波激射源、赫比格一阿羅天體，可能都是從星際云到恒星之間的過渡天體。特殊行星更是多種多樣：造父變星的光變周期為150天，光變幅為0.12個星等；長周期變星的光變周期為901000天，光變幅為2.59個星等；天琴座rr型變星的光變周期為0.051.5天，光變幅不超過12個星等；金牛座 t型變星光變不規(guī)則，沒有固定的周期；新星爆發(fā)時拋出大量物質(zhì)，光度急驟增加幾萬到幾百萬倍；有

5、的紅巨星的半徑比太陽半徑大1000倍以上；白矮星的密度為每立方厘米一百公斤到十噸，中子星密度更高達每立方厘米一億噸到一千億噸。河外星系與銀河系屬于同一天體層次。星系按形態(tài)大致分為五類：旋渦星系、棒旋星系、透鏡型星系、橢圓星系、不規(guī)則星系。按星系的質(zhì)量大小，又可分為矮星系、巨星系、超巨星系，它們的質(zhì)量依次約為太陽的一百萬到十億倍、幾百億倍和萬億倍以上。同銀河系一樣，星系也由恒星和氣體組成三、五個、十來個、幾十個以至成百上千個星系組成星系集團，稱星系群、星系團。通過各種觀測手段，人們的視野擴展到150億光年的宇宙“深處”。這就是“觀測到的宇宙”，或稱為“我們的宇宙”，也就是總星系。研究表明，宇宙物

6、質(zhì)由化學元素周期表中近百種化學元素和289種同位素組成。在不同宇宙物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了地球上不存在的礦物和分子。（四）由天體物理學而興起的粒子天體物理 天休物理學和基本粒子物理學之間正在形成一種互相促進、共同發(fā)展的關(guān)系:天體物理學的觀測結(jié)果有助于闡明基本粒子的性質(zhì),而粒子理論及其實驗技術(shù)又可用于研究宇宙的各個組成部分并探討宇宙的起源。粒子物理以基本粒子為研究對象，研究尺度范圍小于10-13cm，質(zhì)量范圍小于10-23g；而宇宙學的最小研究對象是星系，尺度范圍大于1019cm，質(zhì)量大于1039g。隨著現(xiàn)代宇宙學的發(fā)展，在這個從任何角度相比，都異乎尋常的懸殊的兩個學科之間，人們發(fā)現(xiàn)了它們的聯(lián)系。如果說熱大

7、爆炸宇宙學使這兩個學科相遇，那么暴脹宇宙學又使它們緊密地結(jié)合起來。近十幾年來，隨著粒子物理學的發(fā)展，隨著宇宙學日臻成熟，兩個學科間的聯(lián)系也日益頻繁與深化起來。在過去幾年里，兩門學科分別建立了自己的標準模型。在粒子物理學中，標準模型是各種夸克和輕子之間，強、弱和電磁相互作用統(tǒng)一的規(guī)范理論。它把量子色動力學（qcd）和格拉肖-薩拉姆-溫伯格模型結(jié)合到一起，成功地解釋了基本粒子實驗得出的全部結(jié)果。然而，這一模型也有許多尚未解決的問題，例如，為什么夸克與輕子有三代的劃分，三代間的質(zhì)量為什么如此懸殊，有沒有第四代？標準模型預言的頂夸克（t）至今還沒有得到肯定，此外，弱電作用的破缺機制是什么？有無新一類的

8、強作用？超對稱的伴隨粒子、基礎(chǔ)費密子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何？等等。在眾多的懸而未解問題之中，最重要的當屬標準模型所預言，并賴以生存的中性、大質(zhì)量標量粒子黑格斯（higgs）子尚未找到。標準模型需要這個耦合強度正比于耦合粒子質(zhì)量的標量粒子，因為這樣可以克服高能發(fā)散問題，使標準模型成為可重正化的理論。然而，解決上述問題難以依靠人工加速器完成。原計劃1995年建成的美國超導質(zhì)子-質(zhì)子對撞機（ssc），周長80km，質(zhì)心系能量為40tev，亮度為1033cm-2s-1，在這樣高能量、高亮度條件下，肯定能對弱電作用的破缺機制做出肯定或否定的回答，還有可能發(fā)現(xiàn)新一類強相互作用、超對稱伴隨粒子，甚至有可能發(fā)現(xiàn)有關(guān)基

9、礎(chǔ)費密子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的線索，因此，ssc對撞機的建成肯定會對標準模型的各種問題給出解決的途徑，因而受到全世界粒子物理學家的關(guān)注。然而，盡管ssc對撞機本身的技術(shù)條件已十分成熟，盡管歷年來，已調(diào)集了美國及全世界各地的研究力量，并投入了可觀的預研費與建筑經(jīng)費，最后，仍然囿于資金的困難而被迫停建。即使沒有資金的限制，人類所居住的地球線度也是有限的。ssc這一計劃中，能量最大的超導對撞機周長是80km，能把粒子加速到104gev，而在地球上，充其量能制造的加速環(huán)周長為40000km，充其量也只能把粒子加速到108gev，這與解決標準模型的問題、驗證大統(tǒng)一理論的需要，還差有12個數(shù)量級。在這種情況下，人們

10、很自然地把目光轉(zhuǎn)向了宇宙?？磥?，能不斷地產(chǎn)生能量高到足以檢驗四種基本作用統(tǒng)一的理論，唯一的加速器就是宇宙自身。 根據(jù)熱爆炸宇宙學的推算，宇宙大約在150億年前，溫度極高，kt/c2大于普朗克質(zhì)量mp（mp約為10-5g），密度超過mp/lp3，lp為康普頓長度，等于史瓦西半徑（約為10-33cm），普朗克質(zhì)量所對應的能量mpc2大約為1019gev，因此，在粒子平均質(zhì)量超過普朗克質(zhì)量時，四種基本作用才能統(tǒng)一。雖然1010年前所發(fā)生的過程不可能重現(xiàn)，但是從人們對極早期宇宙的研究和考察中，過去所發(fā)生的過程會在現(xiàn)今宇宙中留下遺跡。因此，從中抽取有用和可靠的信息，以對粒子物理中的有關(guān)理論做出制約和鑒別

11、，仍是極有價值的。問題的另一方面來自于宇宙學中的標準模型。由于引力的量子效應，宇宙標準模型只能追溯到t=10-40s，t=1030t，即能量1017gev的范圍。在給出的這個標準模型的初始條件時，卻發(fā)現(xiàn)了一系列的疑難，其中比較有名的就是前述的平直性問題、視界問題、重子不對稱及磁單極子問題。暴脹宇宙論、新暴脹宇宙論以及混沌暴脹宇宙論等一系列學說，實際上就是粒子物理學中弱電統(tǒng)一理論成就上建立起來的。此種條件下，通常的廣義相對論已不再適用，取而代之的應為量子化的引力場理論。宇宙學必須借助于粒子物理理論解釋宇宙圖象，而粒子物理理論則把宇宙作為檢驗自己的天然實驗室。顯然，如果這兩大學科不相互結(jié)合，都不可

12、能獲得完整的理論。 八十年代出現(xiàn)的粒子天體物理學是一門結(jié)合了高能天體物理學:宇宙學和粒子物理學的新學科。這門集實驗、觀測和理論于一身的新學科涉及的范圍很廣。例如研究宇宙中暗物質(zhì)的本性,尋找太陽和超新星發(fā)射出的中微子,尋找中子星附近存在高能加速機制的證據(jù),以及驗證下面這樣一種說法:宇宙最初時刻的量子漲落和拓撲奇點對于形成我們今天所看到的延伸數(shù)億光年的巨大合作建成的大規(guī)?？諝庾迳溆^測陣列突出地說明了粒子物理學和天文學的這種耳相促進、共同發(fā)展的關(guān)系。 這個觀測陣列包括兩個部分,一部分是設置在地面上的1089個閃爍體,用于搜尋來自天體的能量高達1014電子伏的伽瑪射線,另一部分是設置在地下的。子探測器

13、,它的作用是把伽瑪射線與質(zhì)子及宇宙線中的其它強子區(qū)分開來,此外它也可用于搜尋這些超高能伽瑪射線在于地球大氣碰撞時可能產(chǎn)生的反常類強子行為雖然在過去的天文學和天體物理學巡天觀測活動中曾對粒子天體物理學給予了某些考慮但現(xiàn)在這次觀測則是首次有一個粒子天體物理學研究小組正式參與的觀測活動。該小組負責三個領(lǐng)域的工作:粒子物理學和宇宙學;粒子物理學和恒星物理學,高能天體物理學(包括超高能伽瑪射線在宇宙線中的存在等。) 下面介紹下粒子物理學和宇宙學的聯(lián)系早期宇宙的物理特性與極高能下的粒子物理學密切相關(guān)。在尋找宇宙學的下列基本問題的答案時,這兩者是無法區(qū)分開的。這些問題包括:無所不在的暗物質(zhì)的本性是什么? 物

14、質(zhì)的數(shù)量為什么大大超過反物質(zhì)的數(shù)量? 宇宙為什么會如此光滑,如此平坦,年齡會如此之大? 另一方而,宇宙也不是完全光滑的。那么,導致星系最終形成的宇宙不均勻性的起源又是什么呢?宇宙學上的觀測結(jié)果又給粒子物理學的統(tǒng)一理論加卜了根本性的限制。這類觀測可能早有關(guān)極高能(高達102 電子伏) 下的物理學的唯一信息源。物理學家們認為,在這樣高的能量下各種不同類型的粒子相互作用將會趨于統(tǒng)一。在當前,暗物質(zhì)何題是說明粒子物理學和宇宙學相互依存關(guān)系的最好例子。根據(jù)數(shù)十年的天文觀測結(jié)果,科學家們現(xiàn)在深信宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)是不發(fā)光的、透明的。宇宙學上的各種證據(jù)都表明,暗物質(zhì)很可能不是通常的重子物質(zhì)(即中子和質(zhì)子)。

15、 如果暗物質(zhì)不是重子的話,那么它就有可能是宇宙早期階段殘留下來的粒子?，F(xiàn)在理論家們認為著三種粒子的可能性最大,即中微子,軸子和“相互作用很弱的大質(zhì)量粒子”(wimp)。正如存在一個其譜特性為2.7開氏度黑體輻射譜的宇宙光子背景一樣,也存在一個類似的宇宙低能中微子背景。電子中微子的質(zhì)量上限現(xiàn)在定為10 電子伏左右。但是如果三種已知的中微子(即電子中微子,抖子中微子和林子中微子) 中有任一種的質(zhì)量在30 電子伏左右的話,那么它的質(zhì)量就可以解釋所有暗物質(zhì)的起源。由于現(xiàn)在還沒有研究出可靠的方法來直接探測宇宙中的中微子,因此我們不得不在實驗室中尋找不為零的中微子質(zhì)量。軸子是一種理論上假設的膺標量粒子,其

16、質(zhì)量非常之小，理論家們設想出這種粒子是為了保持因基本粒子的強相互作用所造成的cp對稱性破缺。軸子與通常物質(zhì)的相互作用僅比引力相互作用稍強一些。但是,實驗工作者們現(xiàn)在已使觀測儀器的靈敏度達到了發(fā)現(xiàn)軸子所需的靈率度的三百分之一左右。弱相互作用大質(zhì)量粒子是暗物質(zhì)的質(zhì)量較大的候選粒子的一般類型?？茖W家們認為這類粒子曾與早期宇宙中的其它物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)。如果這類粒子的豐度恰好是達到宇宙學家們所主張的暗物質(zhì)密度所必需的豐度,那么就可以證明它的相互作用截面必定等于通常的弱相互作用的截面。這種相似性可能純屬巧合,但可能也是給科學家們以啟發(fā)的一條非常寶貴的線索一一它表明,在傳遞弱相互作用的中間矢量玻色子的大質(zhì)

17、量尺度上(約10 0千兆電子伏) 起作用的物理學很可能也適用暗物質(zhì)。例如,暗物質(zhì)可能是由重中微子或“中性微子”構(gòu)成的。(中性微子是“超對稱”理論所預測的一類穩(wěn)定的粒子。)從原則上說待添加的隱藏文字內(nèi)容2,弱相互作用大質(zhì)量粒子可以通過當它們被實驗室中的靶原子核所散射時產(chǎn)生的反沖作用直接探測出來,但這需要極其靈敏的探測儀器,而且這類儀器必須有非常良好的排除放射性背景的性能。現(xiàn)今采用離子化方法的探測器所定下的限度已經(jīng)排除了暗物質(zhì)是由通常類型的狄拉克重中微子構(gòu)成的這樣一種可能性。但是為了進一步探尋中性微子,實驗工作者們還必須再把儀器的排除背景干擾的能力提高二至三個數(shù)量級。這一改進最終可能采用以超導體中

18、的聲子或其它激發(fā)態(tài)的探測為基礎(chǔ)的新技術(shù)來實現(xiàn)。一些小型的低溫檢測器最近已得了令人鼓舞的結(jié)果。奇異的暗物質(zhì)粒子在湮沒或衰變時會產(chǎn)生較為普通的粒子,因此我們也可以通過搜尋這類普通產(chǎn)物來尋找銀河系中的暗物質(zhì)粒子科學家們推測的其它一些早期宇宙殘留粒子即使不符合暗物質(zhì)的條件,在宇宙學上仍然可能具有重要意義。例如, “馬克羅”探測器(macro,意大利的一座地下實驗室中的一個有足球場那么大的探測器) 目前正在尋找磁單極子。（五）天體物理研究的方法論用物理學的技術(shù)和方法分析來自天體的電磁輻射，可得到天體的各種物理參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)運用物理理論來闡明發(fā)生在天體上的物理過程，及其演變是實測天體物理學和理論天體物

19、理學的任務。天體物理學從研究方法來說，可分為實測天體物理學和理論天體物理學。前者研究天體物理學中基本觀測技術(shù)、 各種儀器設備的原理和結(jié)構(gòu)，以及觀測資料的分析處理，從而為理論研究提供資料或者檢驗理論模型。光學天文學是實測天體物理學的重要組成部分。后者則是對觀測資料進行理論分析，建立理論模型，以解釋各種天象。同時，還可預言尚未觀測到的天體和天象。 （六）天體物理對人類今后的影響天體物理學的發(fā)展，促使天文觀測和研究不斷的出現(xiàn)新成果和新發(fā)現(xiàn)，使天體物理學不斷向廣度和深度發(fā)展。理論物理學中的輻射、原子核、引力、等離子體、固體和基本粒子等理論，為研究類星體、宇宙線、黑洞脈沖星、星際塵埃、超新星爆發(fā)奠定了基礎(chǔ)。天體物理學的發(fā)展也進一步促進了理論物理學的發(fā)展，天體物理學對人類社會發(fā)展的重要性日益增加。世界各國對天體的研究越來越注重，改革開放以來，特別是近些年來，我國先后發(fā)射各種人造衛(wèi)星包括神舟系列衛(wèi)星，嫦娥系列衛(wèi)星等，對太陽系天體進行實地采樣和分析，以及尚在努力探索中的引力波觀測，目前關(guān)于天體的信息都來自電磁輻射。通過對輻射譜線的分析，可以得到關(guān)于天體表面溫度、質(zhì)量以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地理狀況等許多信息，還可以測量天體與地球的距