物理學與現(xiàn)代技術PPT課件

1、第一章第一章 物理學對人類的影響物理學對人類的影響第二章第二章 物理學對當代科技的影響物理學對當代科技的影響第三章第三章 物理學與其他學科的關系物理學與其他學科的關系第四章第四章 物理學在各領域中的技術應用物理學在各領域中的技術應用目目 錄錄第1頁/共47頁3-2 3-2 物理學與天文學的關系物理學與天文學的關系3-2-1 3-2-1 天文學的發(fā)展天文學的發(fā)展第2頁/共47頁一、古代天文學一、古代天文學 天文學與人類文明社會的興起天文學與人類文明社會的興起 可以確信，人類在有文字記載，由于農牧業(yè)可以確信，人類在有文字記載，由于農牧業(yè)和實際生活的需要，人們就注意觀察某些天象了，而和實際生活的需要

2、，人們就注意觀察某些天象了，而文字產生之后，天文學這門古老的科學就萌芽并進而文字產生之后，天文學這門古老的科學就萌芽并進而誕生了。誕生了。 1、古埃及的天文學、古埃及的天文學 大體從公元前大體從公元前27前前22世紀，埃及人不僅認世紀，埃及人不僅認識了北極星和圍繞北極星旋轉而永不落入地平線的拱識了北極星和圍繞北極星旋轉而永不落入地平線的拱極星，還熟悉了白羊、獵戶、天蝎等星座，并根據星極星，還熟悉了白羊、獵戶、天蝎等星座，并根據星座的出沒來確定歷法，最著名的例子是關于全天最亮座的出沒來確定歷法，最著名的例子是關于全天最亮星、大犬座天狼星的出沒。星、大犬座天狼星的出沒。 第3頁/共47頁 2 2、

3、古印度人的時空觀、古印度人的時空觀 古印度人不停頓地觀察太陽的運動，以太陽的視古印度人不停頓地觀察太陽的運動，以太陽的視運動（運動（太陽視運動，是由于地球的自轉，使位于地球太陽視運動，是由于地球的自轉，使位于地球上的人覺得太陽每天都是從東方升起，又在西方落下，上的人覺得太陽每天都是從東方升起，又在西方落下，從而認為是太陽繞地球的運動從而認為是太陽繞地球的運動）為依據，把一年定為）為依據，把一年定為360360天，又以月亮的圓缺變化為依據，把一個月定為天，又以月亮的圓缺變化為依據，把一個月定為3030天，以此編制歷法。實際上，月亮運行一周不足天，以此編制歷法。實際上，月亮運行一周不足3030天，

4、所以有的月份不足天，所以有的月份不足3030天，印度人稱為消失一個星天，印度人稱為消失一個星期，大約一年要消失期，大約一年要消失5 5個日期，但習慣上仍然稱一年為個日期，但習慣上仍然稱一年為360360天。將一年中分為春、熱、雨、秋、寒、冬六個天。將一年中分為春、熱、雨、秋、寒、冬六個季節(jié)，還有一種分法是將一年分為冬、夏、雨三季。季節(jié)，還有一種分法是將一年分為冬、夏、雨三季。對于空間，古印度人有奇異的看法，他們認為在人類對于空間，古印度人有奇異的看法，他們認為在人類居住的世界之上，還有其它空間，這種時空觀是壯大居住的世界之上，還有其它空間，這種時空觀是壯大的，但卻不現(xiàn)實。的，但卻不現(xiàn)實。第4頁

5、/共47頁 3 3、發(fā)明星座的迦勒底人、發(fā)明星座的迦勒底人 世界古代文明的另一個搖籃就是幼發(fā)拉底河和底世界古代文明的另一個搖籃就是幼發(fā)拉底河和底格拉斯河流域。遠在公元前格拉斯河流域。遠在公元前30003000年前，迦勒底人就從年前，迦勒底人就從東部山岳地帶來到兩河流域，并在那里建立了國家。東部山岳地帶來到兩河流域，并在那里建立了國家。 長期的星象觀察，使迦勒底人對天體運動有豐富長期的星象觀察，使迦勒底人對天體運動有豐富多彩的發(fā)現(xiàn)，知道多彩的發(fā)現(xiàn)，知道“日食每日食每1818年重復出現(xiàn)一次年重復出現(xiàn)一次”，對，對于月亮和行星，迦勒底人也有很多正確的發(fā)現(xiàn)，但是對于月亮和行星，迦勒底人也有很多正確的發(fā)

6、現(xiàn)，但是對人類最重要的貢獻還是創(chuàng)造了星座的劃分。人類最重要的貢獻還是創(chuàng)造了星座的劃分。第5頁/共47頁 4 4、古希臘的天文學、古希臘的天文學 歐洲人稱古代希臘文化為歐洲人稱古代希臘文化為“古典文化古典文化”。泰勒斯。泰勒斯（前（前640640年年前前560560年）是第一個希臘著名自然哲學家，年）是第一個希臘著名自然哲學家，到美索不達米亞學到了天文學。到美索不達米亞學到了天文學。地心天動說地心天動說_ _標清標清.flv.flv 數學家畢達哥拉斯（前數學家畢達哥拉斯（前560560年年前前490490年）是人類年）是人類科技史上第一個主張科技史上第一個主張“太陽、月亮、行星遵循著和恒星太陽、

7、月亮、行星遵循著和恒星不同的路徑運行不同的路徑運行”的人。的人。 另一位偉大的學者德謨克利特（公元前另一位偉大的學者德謨克利特（公元前460460前前370370前）提出了原子學說，認為萬物都是由原子組成的，前）提出了原子學說，認為萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的最小微粒，太陽、月亮、地球以及一原子是不可分割的最小微粒，太陽、月亮、地球以及一切天體，都是由于原子渦動而產生的。切天體，都是由于原子渦動而產生的。第6頁/共47頁 這是樸素的天體演化的思想。他還推測出太陽遠這是樸素的天體演化的思想。他還推測出太陽遠比地球龐大，月亮本身并不發(fā)光，靠反射的太陽才顯得比地球龐大，月亮本身并不發(fā)光，靠

8、反射的太陽才顯得明亮，銀河是眾多恒星集合而成的。明亮，銀河是眾多恒星集合而成的。 德謨克利特和畢達哥拉斯德謨克利特和畢達哥拉斯 第7頁/共47頁 中國古代天文學的輝煌成就中國古代天文學的輝煌成就 公元前公元前2424世紀的帝堯時代世紀的帝堯時代 “觀象授時觀象授時” 。 公元公元1616世紀前世紀前 天象觀察、儀器制作和編訂歷法天象觀察、儀器制作和編訂歷法 。 在我國河南安陽出土的殷墟甲骨文中，已有豐富的在我國河南安陽出土的殷墟甲骨文中，已有豐富的天文象現(xiàn)的記載。這表明遠在公元前天文象現(xiàn)的記載。這表明遠在公元前1414世紀時，我們祖世紀時，我們祖先的天文學已很發(fā)達了。先的天文學已很發(fā)達了。 我

9、國古代在創(chuàng)制天文儀器方面，也作出了杰出的貢我國古代在創(chuàng)制天文儀器方面，也作出了杰出的貢獻。世界天文史學界公認，我國對哈雷彗星觀測記錄久獻。世界天文史學界公認，我國對哈雷彗星觀測記錄久遠、詳盡，無哪個國家可比遠、詳盡，無哪個國家可比 。 我國古代觀測天象的臺址名稱很多，如靈臺、瞻星我國古代觀測天象的臺址名稱很多，如靈臺、瞻星臺、司天臺、觀星臺和觀象臺等?，F(xiàn)今保存最完好的就臺、司天臺、觀星臺和觀象臺等?，F(xiàn)今保存最完好的就是河南登封觀星臺和北京古觀象臺。是河南登封觀星臺和北京古觀象臺。第8頁/共47頁甲骨文圖片、長沙彗星圖甲骨文圖片、長沙彗星圖第9頁/共47頁 圭圭(gui)(gui)表、渾儀、天儀

10、（天體儀）、日晷、表、渾儀、天儀（天體儀）、日晷、第10頁/共47頁 中國古代的天文人物中國古代的天文人物 落下閎（公元前落下閎（公元前140140前前8787年）中國西漢時期天文年）中國西漢時期天文學家，以歷算和天文學的杰出成就著稱于世，為我國最學家，以歷算和天文學的杰出成就著稱于世，為我國最早的歷算學家。早的歷算學家。 張衡張衡( (公元公元7878139139年年) )，我國東漢時期偉大的科學，我國東漢時期偉大的科學家、文學家、發(fā)明家和政治家，在世界科學文化史上樹家、文學家、發(fā)明家和政治家，在世界科學文化史上樹起了一座巍巍豐碑。起了一座巍巍豐碑。 （渾天儀的發(fā)明人，公元（渾天儀的發(fā)明人，

11、公元117117年）年） 郭守敬（郭守敬（1231123113161316），中國古代杰出的八大科學），中國古代杰出的八大科學家一。家一。 （授時歷授時歷。公元。公元12801280年年3 3月月 ） 祖沖之祖沖之, ,商朝天文學家商朝天文學家 。3333歲時創(chuàng)制了歲時創(chuàng)制了大明歷大明歷 沈括是北宋時期一位多才多藝的科學家。解釋月亮是因沈括是北宋時期一位多才多藝的科學家。解釋月亮是因為受太陽光照射發(fā)光而產生圓缺變化為受太陽光照射發(fā)光而產生圓缺變化 。第11頁/共47頁 徐光啟（徐光啟（1562156216331633）是我國明末著名的）是我國明末著名的科學家科學家 ，編譯成了，編譯成了崇禎歷書

12、崇禎歷書 。 李善蘭（李善蘭（1811181118821882年），清代天文學家、年），清代天文學家、數學家數學家 ，著作匯編成，著作匯編成則古昔齋算學則古昔齋算學一書一書 。第12頁/共47頁二、中世紀的天文學二、中世紀的天文學哥白尼的日心學說哥白尼的日心學說 日心學說的發(fā)展到日心學說的發(fā)展到1717世紀達到了高峰世紀達到了高峰 。 近代天文學奠基人近代天文學奠基人哥白尼與哥白尼與天體運行論天體運行論。近代力學宇宙體系的確立近代力學宇宙體系的確立 哥白尼哥白尼天體運行論天體運行論發(fā)表近發(fā)表近150150年之后，于年之后，于16871687年出版了牛頓具有歷史性的、闡述萬有引力理論的巨年出版了

13、牛頓具有歷史性的、闡述萬有引力理論的巨著著自然哲學的數學原理自然哲學的數學原理。 150150年年中奇跡的相繼發(fā)生中奇跡的相繼發(fā)生 首先是丹麥天文學家第谷首先是丹麥天文學家第谷布拉赫所做的非常精密布拉赫所做的非常精密的天文觀測。的天文觀測。 第13頁/共47頁 第二個奇跡是德國天文學家開普勒，于第二個奇跡是德國天文學家開普勒，于16091609年提年提出了行星運動的第一、第二定律，出了行星運動的第一、第二定律，1010年后又提出了行年后又提出了行星運動的第三定律。星運動的第三定律。 第三個奇跡是意大利物理學家伽利略于第三個奇跡是意大利物理學家伽利略于16091609年發(fā)年發(fā)明天文望遠鏡，從而揭

14、開了天文觀測的新紀元。明天文望遠鏡，從而揭開了天文觀測的新紀元?！案鐐惒及l(fā)現(xiàn)了新大陸，而伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，而伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙”。 開普勒開普勒指出，行星與太陽之間存在著相互的作用指出，行星與太陽之間存在著相互的作用力，其作用力的大小與二者之間的距離長短成反比。力，其作用力的大小與二者之間的距離長短成反比。 伽利略伽利略在力學上的一項發(fā)現(xiàn)叫做慣性定律在力學上的一項發(fā)現(xiàn)叫做慣性定律 。行星。行星系一旦能夠運動，就無需外力來維持，就可以持續(xù)地永系一旦能夠運動，就無需外力來維持，就可以持續(xù)地永恒運動不息了。恒運動不息了。第14頁/共47頁 伽利略伽利略又從另外兩方面大大推進了哥白

15、尼學說的發(fā)又從另外兩方面大大推進了哥白尼學說的發(fā)展，其中之一就是創(chuàng)立了望遠鏡天文學。展，其中之一就是創(chuàng)立了望遠鏡天文學。 蘋果蘋果落地現(xiàn)象使牛頓考慮到地心引力是否可以達落地現(xiàn)象使牛頓考慮到地心引力是否可以達到月球，使月球在軌道上運行到月球，使月球在軌道上運行 。 牛頓宇宙觀牛頓宇宙觀宇宙是永恒的、穩(wěn)定的宇宙是永恒的、穩(wěn)定的問題：物質問題：物質引力引力宇宙坍縮宇宙坍縮第15頁/共47頁可能的解決途徑：(1) 宇宙在空間和質量上是無限大的；(2) 宇宙在膨脹；(3) 宇宙有起點和終點。(2)、(3)點違反宇宙永恒與穩(wěn)定的性質，于是牛頓認為宇宙應該是無限的。絕對空間，就其本性而論與任何外界情況無關，

16、始終保持相似和不變。第16頁/共47頁 18 18、1919世紀的天文學世紀的天文學 1 1、1818世紀經典天文學的蓬勃發(fā)展世紀經典天文學的蓬勃發(fā)展 所謂經典天文學是指天體測量學和天體力學所謂經典天文學是指天體測量學和天體力學 。 國立天文臺的設立國立天文臺的設立 。法國于。法國于16711671年設立了巴年設立了巴黎天文臺，英國于黎天文臺，英國于16751675年設立了格林威治皇家天文年設立了格林威治皇家天文臺。后來俄國的普爾科沃天文臺、美國的華盛頓海臺。后來俄國的普爾科沃天文臺、美國的華盛頓海軍天文臺也相繼建成。軍天文臺也相繼建成。 在航海天文學上發(fā)揮最大作用的是英國格林威在航海天文學上

17、發(fā)揮最大作用的是英國格林威治天文臺。治天文臺。 2 2、天體力學的發(fā)展與代表人物的貢獻、天體力學的發(fā)展與代表人物的貢獻 第17頁/共47頁 歐拉（歐拉（1707-17831707-1783）他第一個完整地創(chuàng)立了月）他第一個完整地創(chuàng)立了月球運動的理論。球運動的理論。 克勒羅（克勒羅（1713-17651713-1765） 經典著作經典著作地球外形的地球外形的理論理論。 達郎貝爾（達郎貝爾（1717-17831717-1783）法國數學家。發(fā)表關）法國數學家。發(fā)表關于月球運行理論和行星運行理論的論文于月球運行理論和行星運行理論的論文 。 拉格郎日（拉格郎日（1736-18131736-1813）意

18、大利數學家，創(chuàng)立）意大利數學家，創(chuàng)立了大行星運動的理論。了大行星運動的理論。 拉普拉斯（拉普拉斯（1749-18271749-1827）是法國著名數學家和）是法國著名數學家和天文學家。其著名杰作天文學家。其著名杰作天體力學天體力學集各家之大成集各家之大成 。還獨立提出了太陽系的星云起源理論還獨立提出了太陽系的星云起源理論 。第18頁/共47頁 3 3、1919世紀對太陽系的認識世紀對太陽系的認識 19 19世紀中葉世紀中葉 ，形成了一個完整的科學體系，人，形成了一個完整的科學體系，人們稱之為們稱之為“新天文學新天文學”的天體物理學正式誕生。的天體物理學正式誕生。 太陽物理學太陽物理學 天體物理

19、學的最初成就就表現(xiàn)在太陽物理上。此天體物理學的最初成就就表現(xiàn)在太陽物理上。此時人們第一次可以分析天體的光，并由此獲得很多信息，時人們第一次可以分析天體的光，并由此獲得很多信息，首先是它的化學成分。首先是它的化學成分。 恒星物理學恒星物理學 1919世紀恒星測量學已經發(fā)展得相當完善，可以很精世紀恒星測量學已經發(fā)展得相當完善，可以很精確地測定出恒星的方位確地測定出恒星的方位 。星云物理學星云物理學 星空當中各式各樣的云霧狀天體，統(tǒng)稱為星云。星星空當中各式各樣的云霧狀天體，統(tǒng)稱為星云。星云可分為河內星云和河外星云兩大類。云可分為河內星云和河外星云兩大類。 第19頁/共47頁三、現(xiàn)代天文學和宇宙論三、

20、現(xiàn)代天文學和宇宙論1.1.廣義相對論廣義相對論2. Friedman2. Friedman膨脹宇宙模型膨脹宇宙模型3.3.大爆炸宇宙學大爆炸宇宙學4. 4. 宇宙的年齡宇宙的年齡第20頁/共47頁3-2-2 3-2-2 物理學與天文學的關系物理學與天文學的關系 在科學發(fā)展的歷史中，也許物理學和天文學是兩在科學發(fā)展的歷史中，也許物理學和天文學是兩門關系特別緊密的學科。這可能也是至今在許多國家的門關系特別緊密的學科。這可能也是至今在許多國家的大學里物理與天文仍然同屬一個系大學里物理與天文仍然同屬一個系( (物理天文或天文物物理天文或天文物理系理系) )的原因。這種緊密的關系不僅存在于它們發(fā)展的的原

21、因。這種緊密的關系不僅存在于它們發(fā)展的歷史中，在今天，它們在一些重大的科學前沿問題的研歷史中，在今天，它們在一些重大的科學前沿問題的研究上仍然是相互密切聯(lián)系的。雖然其他學科也許并不像究上仍然是相互密切聯(lián)系的。雖然其他學科也許并不像天文學那樣與物理學有如此密切的聯(lián)系，但是，科學的天文學那樣與物理學有如此密切的聯(lián)系，但是，科學的目的是對自然界和自然規(guī)律的認識目的是對自然界和自然規(guī)律的認識, ,科學可以按照其研科學可以按照其研究現(xiàn)象的范圍被劃分為不同的領域，可是，無論人類怎究現(xiàn)象的范圍被劃分為不同的領域，可是，無論人類怎么將其劃分，自然界卻是一個整體。因此，學科之間的么將其劃分，自然界卻是一個整體。

22、因此，學科之間的交叉和相互推動是必然的，而對此給予應有的重視就十交叉和相互推動是必然的，而對此給予應有的重視就十分必要。分必要。第21頁/共47頁一、歷史的簡短回顧一、歷史的簡短回顧 眾所周知眾所周知, ,現(xiàn)代科學的起源與物理學和天文學的現(xiàn)代科學的起源與物理學和天文學的發(fā)展是分不開的。行星運動的觀測、牛頓萬有引力定律發(fā)展是分不開的。行星運動的觀測、牛頓萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和牛頓運動定律的確立導致了經典力學的發(fā)展和的發(fā)現(xiàn)和牛頓運動定律的確立導致了經典力學的發(fā)展和完善完善, ,也第一次對行星運動給予了科學的解釋。當然也第一次對行星運動給予了科學的解釋。當然, ,我們也不能不看到我們也不能不看到, ,

23、正是行星的運動在當時提供了檢驗正是行星的運動在當時提供了檢驗經典力學理論的最好的實驗室經典力學理論的最好的實驗室, ,而天文學家長期的觀測而天文學家長期的觀測和積累的資料是證實理論正確的基本實驗數據。在這期和積累的資料是證實理論正確的基本實驗數據。在這期間間, ,科學的發(fā)展造就了一批科學巨匠科學的發(fā)展造就了一批科學巨匠, ,如伽利略和牛頓如伽利略和牛頓等。他們究竟是物理學家還是天文學家呢等。他們究竟是物理學家還是天文學家呢? ?也許最好的也許最好的回答是他們既是物理學家又是天文學家?；卮鹗撬麄兗仁俏锢韺W家又是天文學家。第22頁/共47頁 他們的研究在當時看來是并無直接他們的研究在當時看來是并無

24、直接“經濟效益經濟效益”的的, ,可是如果長遠地去看可是如果長遠地去看, ,從這些并無經濟效益的研究中開從這些并無經濟效益的研究中開創(chuàng)和形成的經典力學創(chuàng)和形成的經典力學, ,不正是人類開始大規(guī)模用機器代不正是人類開始大規(guī)模用機器代替手工勞動的工業(yè)革命的先聲嗎替手工勞動的工業(yè)革命的先聲嗎? ? 這些研究的這些研究的“經濟效益經濟效益”從今天看來應是怎么估從今天看來應是怎么估計都不過分的。我們也知道計都不過分的。我們也知道, ,這些基礎研究的結果在改這些基礎研究的結果在改變人們對世界的認識上也起到極大的作用。人們第一次變人們對世界的認識上也起到極大的作用。人們第一次看到了事物的運動在我們周圍和看到

25、了事物的運動在我們周圍和“天上天上”服從著同樣的服從著同樣的規(guī)律。是完全不同的世界了。規(guī)律。是完全不同的世界了。第23頁/共47頁 也許也許, ,常常被忽略的是這些科學成果是出現(xiàn)在文藝常常被忽略的是這些科學成果是出現(xiàn)在文藝復興之后復興之后, ,那時那時, ,神的至高無上的權威已經大大衰落。神的至高無上的權威已經大大衰落。而這種環(huán)境卻是如哥白尼、布魯諾那樣的天文學家經過而這種環(huán)境卻是如哥白尼、布魯諾那樣的天文學家經過長期的努力甚至付出生命才換來的。沒有他們的努力和長期的努力甚至付出生命才換來的。沒有他們的努力和犧牲所換來的這種環(huán)境犧牲所換來的這種環(huán)境, ,后來者怎么有可能去研究星球后來者怎么有可

26、能去研究星球的運動呢。的運動呢。 也是牛頓最早發(fā)現(xiàn)棱鏡可以將白光分解為光譜。也是牛頓最早發(fā)現(xiàn)棱鏡可以將白光分解為光譜。夫瑯和費首先對太陽和恒星的光譜進行了仔細的研究，夫瑯和費首先對太陽和恒星的光譜進行了仔細的研究，他發(fā)現(xiàn)太陽和恒星的光譜中存在著分離的譜線他發(fā)現(xiàn)太陽和恒星的光譜中存在著分離的譜線, ,并發(fā)現(xiàn)并發(fā)現(xiàn)這些譜線對應著我們周圍的各種化學元素。這使得大多這些譜線對應著我們周圍的各種化學元素。這使得大多數人都相信了太陽和恒星等天體都是由地球實驗室中同數人都相信了太陽和恒星等天體都是由地球實驗室中同樣的化學元素構成。樣的化學元素構成。第24頁/共47頁 從那以后從那以后, ,天體的光譜觀測就成

27、為天文研究的重要天體的光譜觀測就成為天文研究的重要手段之一。這是物理學給天文學提供觀測手段和基本觀手段之一。這是物理學給天文學提供觀測手段和基本觀念的很好的例子。物理學和天文學的結合在這里改變著念的很好的例子。物理學和天文學的結合在這里改變著人類的宇宙觀。人類的宇宙觀。第25頁/共47頁二、二、20世紀中的物理學與天文學世紀中的物理學與天文學 20 20世紀上半葉世紀上半葉, ,物理學發(fā)生了以量子論和相對論的物理學發(fā)生了以量子論和相對論的確立為標志的前所未有的革命。這些重要發(fā)展同樣導致確立為標志的前所未有的革命。這些重要發(fā)展同樣導致了天文學的巨大進步。在量子論基礎上發(fā)展起來的核物了天文學的巨大

28、進步。在量子論基礎上發(fā)展起來的核物理和粒子物理基礎上理和粒子物理基礎上, ,天文學家和天體物理學家正確地天文學家和天體物理學家正確地解釋了長時間未能解釋的恒星的能源問題解釋了長時間未能解釋的恒星的能源問題, ,在此基礎上在此基礎上建立起了恒星結構和演化的標準模型并取得了極大的成建立起了恒星結構和演化的標準模型并取得了極大的成功。恒星標準模型的建立和成功是天文學在功。恒星標準模型的建立和成功是天文學在2020世紀所取世紀所取得的重大成就之一。不止于此得的重大成就之一。不止于此,20,20世紀世紀3030年代年代, ,在將量子在將量子論和相對論應用于恒星演化時發(fā)現(xiàn)論和相對論應用于恒星演化時發(fā)現(xiàn),

29、,在恒星核反應結束在恒星核反應結束后會形成所謂簡并星。后會形成所謂簡并星。第26頁/共47頁 它們不是由核反應提供的能量產生的熱壓與引力它們不是由核反應提供的能量產生的熱壓與引力平衡達到穩(wěn)定平衡達到穩(wěn)定, ,而是由量子效應所產生的簡并壓維持平衡。而是由量子效應所產生的簡并壓維持平衡。按恒星最后殘存的核的質量按恒星最后殘存的核的質量, ,簡并星可能是白矮星或中子星簡并星可能是白矮星或中子星. .它們分別是由電子簡并壓和中子簡并壓支撐的。它們分別是由電子簡并壓和中子簡并壓支撐的。 錢德拉塞卡從相對論的考慮得出這種由簡并壓支撐的錢德拉塞卡從相對論的考慮得出這種由簡并壓支撐的星具有質量上限星具有質量上

30、限, ,他得出白矮星的質量上限是他得出白矮星的質量上限是1.41.4倍太陽質倍太陽質量。任何恒星在用完可用的核燃料后如果殘存核的質量超量。任何恒星在用完可用的核燃料后如果殘存核的質量超過這一質量過這一質量, ,將會繼續(xù)坍縮。將會繼續(xù)坍縮。 朗道、巴德和茲威基分別提出了中子星存在的可能性。朗道、巴德和茲威基分別提出了中子星存在的可能性。中子星的質量也有上限中子星的質量也有上限, ,當恒星殘存的核的質量超過這一質當恒星殘存的核的質量超過這一質量時量時, ,將沒有任何力量能夠支撐其平衡。它們將在引力作用將沒有任何力量能夠支撐其平衡。它們將在引力作用下一直坍縮最終形成黑洞。下一直坍縮最終形成黑洞。第2

31、7頁/共47頁 這些在當時無論天文學家還是物理學家看來都是這些在當時無論天文學家還是物理學家看來都是十分奇異的結論十分奇異的結論, ,是不可能在實驗室里被檢驗的。是不可能在實驗室里被檢驗的。 它們只可能存在于宇宙中它們只可能存在于宇宙中. .然而然而, ,這些乍看十分怪這些乍看十分怪異的天體后來的確相繼被天文學家發(fā)現(xiàn)異的天體后來的確相繼被天文學家發(fā)現(xiàn), ,進一步證實了進一步證實了量子論和相對論在宇宙中的普適性量子論和相對論在宇宙中的普適性, ,也說明了物理規(guī)律也說明了物理規(guī)律在與其他學科結合時的作用。在與其他學科結合時的作用。 2020世紀物理學的另一項重要成就是相對論的建世紀物理學的另一項重

32、要成就是相對論的建立。愛因斯坦建立了狹義相對論后立。愛因斯坦建立了狹義相對論后, ,接著又建立了引力接著又建立了引力的相對論性理論的相對論性理論, ,即廣義相對論即廣義相對論, ,并在此基礎上討論了并在此基礎上討論了宇宙學解。出乎意料的是廣義相對論的宇宙學解所給出宇宙學解。出乎意料的是廣義相對論的宇宙學解所給出的不是定態(tài)的宇宙而是膨脹宇宙。這在當時造成了很大的不是定態(tài)的宇宙而是膨脹宇宙。這在當時造成了很大的困惑。的困惑。愛因斯坦相對論理論愛因斯坦相對論理論_ _標清標清.flv.flv第28頁/共47頁 2020世紀世紀2020年代年代, ,天文學家哈勃通過對星云光譜的觀天文學家哈勃通過對星云

33、光譜的觀測作出了兩個重要的發(fā)現(xiàn)測作出了兩個重要的發(fā)現(xiàn), ,他發(fā)現(xiàn)他發(fā)現(xiàn), ,原來這些星云并非都原來這些星云并非都是銀河系中的天體是銀河系中的天體, ,許多是遠在銀河系以外和銀河系類似許多是遠在銀河系以外和銀河系類似的由無數恒星組成的星系的由無數恒星組成的星系. .我們所在的銀河系僅僅是眾多我們所在的銀河系僅僅是眾多星系中的一員。星系中的一員。 同時他還發(fā)現(xiàn)同時他還發(fā)現(xiàn), ,這些星系的譜線都較之實驗室中測這些星系的譜線都較之實驗室中測定的相同元素的對應譜線有不同程度的紅移。這表明這定的相同元素的對應譜線有不同程度的紅移。這表明這些星系都在離開我們退行些星系都在離開我們退行, ,并且距離愈遠的星系

34、紅移愈大并且距離愈遠的星系紅移愈大, ,或說退行速度愈快。或說退行速度愈快。 這正是膨脹宇宙的圖像。哈勃的觀測提供的證據表這正是膨脹宇宙的圖像。哈勃的觀測提供的證據表明明, ,宇宙整體在膨脹。宇宙整體在膨脹。第29頁/共47頁 在此之后在此之后, ,盡管經歷了各種曲折盡管經歷了各種曲折, ,在在2020世紀后半葉世紀后半葉, ,建立在膨脹宇宙基礎上的熱大爆炸宇宙學模型逐漸形成建立在膨脹宇宙基礎上的熱大爆炸宇宙學模型逐漸形成并完善起來。并完善起來。 它關于宇宙微波背景和輕元素豐度的預言也被天它關于宇宙微波背景和輕元素豐度的預言也被天文觀測所證實。標準熱大爆炸宇宙模型的建立文觀測所證實。標準熱大爆

35、炸宇宙模型的建立, ,是天體是天體物理學在物理學在2020世紀所取得的又一重大成就。上述的事實充世紀所取得的又一重大成就。上述的事實充分說明了物理學的發(fā)展為天文學提供了用于理解天文現(xiàn)分說明了物理學的發(fā)展為天文學提供了用于理解天文現(xiàn)象和規(guī)律的基礎。物理學上的突破也勢必導致天文學的象和規(guī)律的基礎。物理學上的突破也勢必導致天文學的重要進展。重要進展。第30頁/共47頁 同時同時, ,我們也看到我們也看到, ,天文學為物理學的重要發(fā)現(xiàn)提天文學為物理學的重要發(fā)現(xiàn)提供了獨特的實驗室供了獨特的實驗室, ,在許多情況下是惟一的實驗室。伴在許多情況下是惟一的實驗室。伴隨物理基礎理論在天文學研究中取得的成就隨物理

36、基礎理論在天文學研究中取得的成就, ,人們已經人們已經堅信宇宙是由統(tǒng)一的自然規(guī)律所支配的堅信宇宙是由統(tǒng)一的自然規(guī)律所支配的, ,而物理學所提而物理學所提供的正是其中最基本的規(guī)律。天體物理學正是在這種認供的正是其中最基本的規(guī)律。天體物理學正是在這種認識的基礎上蓬勃發(fā)展起來的。當人們用物理學的規(guī)律去識的基礎上蓬勃發(fā)展起來的。當人們用物理學的規(guī)律去理解天文現(xiàn)象和天體的本質時理解天文現(xiàn)象和天體的本質時, ,就為物理學的應用和發(fā)就為物理學的應用和發(fā)展提供了又一個廣闊的天地。展提供了又一個廣闊的天地。第31頁/共47頁三、新世紀的物理學與天文學三、新世紀的物理學與天文學 2020世紀物理學與天文學均取得了

37、重大進展世紀物理學與天文學均取得了重大進展, ,在新在新的世紀開始之際的世紀開始之際, ,它們也面臨著一些重大的共同的前沿它們也面臨著一些重大的共同的前沿問題。這些問題的解決將標志著物理學與天文學的新問題。這些問題的解決將標志著物理學與天文學的新的突破。下面我們將簡單地介紹一些今天物理學與天的突破。下面我們將簡單地介紹一些今天物理學與天文學面臨的共同的前沿。文學面臨的共同的前沿。 暗物質問題暗物質問題 大宇宙黑洞與暗物質大宇宙黑洞與暗物質_ _標清標清.flv.flv 宇宙學的研究中一個基本問題是宇宙中物質的組宇宙學的研究中一個基本問題是宇宙中物質的組分和密度分和密度, ,以及它們的演化。天文

38、學家從旋渦星系旋轉以及它們的演化。天文學家從旋渦星系旋轉曲線的觀測發(fā)現(xiàn)曲線的觀測發(fā)現(xiàn), ,僅從星系中的恒星質量和氣體質量不僅從星系中的恒星質量和氣體質量不可能解釋其旋轉曲線?？赡芙忉屍湫D曲線。第32頁/共47頁 而且而且, ,許多星系的旋轉曲線在距中心較遠處趨向平許多星系的旋轉曲線在距中心較遠處趨向平坦。這是出乎意料的結果。它表明坦。這是出乎意料的結果。它表明, ,星系中可能存在著大星系中可能存在著大量的不發(fā)光的暗物質。量的不發(fā)光的暗物質。 經過近經過近2020年的研究發(fā)現(xiàn)年的研究發(fā)現(xiàn), ,無論是小質量恒星、氣體、無論是小質量恒星、氣體、簡并星和小黑洞等均不可能是這種占星系質量大部分的簡并星

39、和小黑洞等均不可能是這種占星系質量大部分的不發(fā)光的物質不發(fā)光的物質. .而且而且, ,從宇宙原初元素豐度的研究對宇宙從宇宙原初元素豐度的研究對宇宙中重子物質含量給出的限制表明中重子物質含量給出的限制表明, ,這種暗物質只可能是非這種暗物質只可能是非重子物質。重子物質。 第33頁/共47頁 太陽中微子問題太陽中微子問題 這可以說是一個由天體物理研究引出的具有重這可以說是一個由天體物理研究引出的具有重要意義的物理學基本問題的典型例子。自要意義的物理學基本問題的典型例子。自2020世紀世紀6060年年代后期代后期, ,科學家開始建造大型設備探測宇宙中的中微科學家開始建造大型設備探測宇宙中的中微子。距

40、離我們最近的中微子源是太陽。它在進行核反子。距離我們最近的中微子源是太陽。它在進行核反應時會釋放出大量中微子。在對太陽中微子進行觀測應時會釋放出大量中微子。在對太陽中微子進行觀測后發(fā)現(xiàn)后發(fā)現(xiàn), ,接收到的太陽中微子數明顯地少于由恒星模接收到的太陽中微子數明顯地少于由恒星模型計算出的太陽中微子流量。盡管中微子的接收設備型計算出的太陽中微子流量。盡管中微子的接收設備有了很大的改進有了很大的改進, ,太陽中微子流量缺少這一情況并未太陽中微子流量缺少這一情況并未改變。為什么探測到的太陽中微子流量會低于理論模改變。為什么探測到的太陽中微子流量會低于理論模型計算的結果呢型計算的結果呢? ?這就是所謂太陽中

41、微子問題。這就是所謂太陽中微子問題。第34頁/共47頁 當然有兩種可能當然有兩種可能, ,一是太陽一是太陽, ,或說恒星的模型有或說恒星的模型有問題；另一種可能是關于中微子的粒子物理理論有欠缺。問題；另一種可能是關于中微子的粒子物理理論有欠缺。為解決太陽中微子問題，一時間各種不同的理論模型被為解決太陽中微子問題，一時間各種不同的理論模型被提出提出, ,包括非標準的太陽模型，中微子振蕩理論包括非標準的太陽模型，中微子振蕩理論, ,等等。等等。最近的實驗表明最近的實驗表明, ,很可能是由中微子振蕩造成的。也就很可能是由中微子振蕩造成的。也就是說，由于三種中微子間會發(fā)生相互的轉變，觀測到的是說，由于

42、三種中微子間會發(fā)生相互的轉變，觀測到的某一種中微子的流量就可能隨距離變化。存在中微子振某一種中微子的流量就可能隨距離變化。存在中微子振蕩無疑是我們在了解基本物理中的一個重要進步。除上蕩無疑是我們在了解基本物理中的一個重要進步。除上述之外，在進入新世紀之際物理學與天文學的共同前沿述之外，在進入新世紀之際物理學與天文學的共同前沿問題還有很多。它們大都涉及基本的物理和天體物理問問題還有很多。它們大都涉及基本的物理和天體物理問題，如黑洞的形成和與黑洞有關的強引力場中的物理，題，如黑洞的形成和與黑洞有關的強引力場中的物理，引力波的產生和探測也是對廣義相對論的一個重要檢驗，引力波的產生和探測也是對廣義相對

43、論的一個重要檢驗，等等。等等。第35頁/共47頁 所有這些前沿問題既是量子物理與相對論這所有這些前沿問題既是量子物理與相對論這2020世紀世紀基礎科學的兩大發(fā)現(xiàn)的繼續(xù)，又是對它們的某種挑戰(zhàn)。基礎科學的兩大發(fā)現(xiàn)的繼續(xù)，又是對它們的某種挑戰(zhàn)。這些前沿問題的解決勢必推動基礎科學的進展。這些前沿問題的解決勢必推動基礎科學的進展。 由上述的物理學與天文學的相互影響和推動的關由上述的物理學與天文學的相互影響和推動的關系系, ,我們看到，物理學提供了了解天文現(xiàn)象的基本規(guī)律我們看到，物理學提供了了解天文現(xiàn)象的基本規(guī)律, ,物理學的每次重大進展都推動著天文學的重大發(fā)展；物理學的每次重大進展都推動著天文學的重大發(fā)

44、展；天文學的研究又為物理學提供了一個惟一的又是豐富天文學的研究又為物理學提供了一個惟一的又是豐富多彩的實驗室。二者就是這樣相互依存又相互促進。多彩的實驗室。二者就是這樣相互依存又相互促進。第36頁/共47頁四、物理學和天文學研究與高技術四、物理學和天文學研究與高技術 和物理學研究中的其他實驗室一樣和物理學研究中的其他實驗室一樣, ,物理學和天物理學和天文學在基于宇宙這一巨大實驗室中的研究對技術有著特文學在基于宇宙這一巨大實驗室中的研究對技術有著特別高的需求別高的需求. .正是這種需求有力地推動著高技術的發(fā)展。正是這種需求有力地推動著高技術的發(fā)展。在所有上述的物理學與天文學的共同前沿問題的研究上

45、，在所有上述的物理學與天文學的共同前沿問題的研究上，需要有大型地面和空間望遠鏡以觀測盡可能遙遠的宇宙需要有大型地面和空間望遠鏡以觀測盡可能遙遠的宇宙天體；要有最高靈敏度的探測器以探測到最微弱的從遠天體；要有最高靈敏度的探測器以探測到最微弱的從遠處傳遞來的信號；需要有盡量高的分辨率，以區(qū)分相鄰處傳遞來的信號；需要有盡量高的分辨率，以區(qū)分相鄰的天體和觀測盡可能遙遠的天體的形態(tài)和結構；需要有的天體和觀測盡可能遙遠的天體的形態(tài)和結構；需要有光學以外的其他波段的探測器和探測技術，以使得從全光學以外的其他波段的探測器和探測技術，以使得從全波段對天體和天文現(xiàn)象的了解成為可能；它還需要高速波段對天體和天文現(xiàn)象

46、的了解成為可能；它還需要高速度大容量的計算機，以采集、處理大量的觀測數據和進度大容量的計算機，以采集、處理大量的觀測數據和進行理論上的模擬計算。行理論上的模擬計算。第37頁/共47頁 所有這一切需求，無一不是對現(xiàn)今的高技術提出所有這一切需求，無一不是對現(xiàn)今的高技術提出的更高的要求。為此的更高的要求。為此, ,在在2020世紀中世紀中, ,特別是特別是2020世紀后期世紀后期發(fā)展出了一系列新設備和新技術。例如發(fā)展出了一系列新設備和新技術。例如,CCD,CCD接收器接收器, ,它它把探測的靈敏度提高到了單光子的探測把探測的靈敏度提高到了單光子的探測; ;光干涉技術將光干涉技術將探測器的分辨率提高到

47、毫角秒探測器的分辨率提高到毫角秒, ,并進一步將提高到微角并進一步將提高到微角秒量級秒量級; ;一個接一個的工作在各波段上的空間天文衛(wèi)星一個接一個的工作在各波段上的空間天文衛(wèi)星的發(fā)射的發(fā)射, ,將空間技術一步步地提到更高的高度。物理學將空間技術一步步地提到更高的高度。物理學和天文學研究除了對高技術提出愈來愈高的要求外和天文學研究除了對高技術提出愈來愈高的要求外, ,它它們在高技術發(fā)展中還提供高技術設備可用性的檢驗。而們在高技術發(fā)展中還提供高技術設備可用性的檢驗。而且且, ,這種檢驗是最嚴格的檢驗。也許這種檢驗是最嚴格的檢驗。也許, ,這就是發(fā)達國家這就是發(fā)達國家不惜投入巨額資金發(fā)展基礎研究的原

48、因吧。不惜投入巨額資金發(fā)展基礎研究的原因吧。第38頁/共47頁趣味視頻趣味視頻 黑洞通往未來黑洞通往未來_ _標清標清.flv.flv第39頁/共47頁3-3 3-3 物理學與化學的關系物理學與化學的關系 物理，從最廣泛的意義上來說即是研究大自然物理，從最廣泛的意義上來說即是研究大自然現(xiàn)象及規(guī)律的學問，在物理學的領域中，研究的是宇宙現(xiàn)象及規(guī)律的學問，在物理學的領域中，研究的是宇宙的基本組成要素：物質、能量、空間、時間及它們的相的基本組成要素：物質、能量、空間、時間及它們的相互作用；借由被分析的基本定律與法則來完整了解這個互作用；借由被分析的基本定律與法則來完整了解這個系統(tǒng)。化學是研究物質的組成

49、、結構、性質、以及變化系統(tǒng)。化學是研究物質的組成、結構、性質、以及變化規(guī)律的科學。世界是由物質組成的，化學則是人類用以規(guī)律的科學。世界是由物質組成的，化學則是人類用以認識和改造物質世界的主要方法和手段之一。物理是一認識和改造物質世界的主要方法和手段之一。物理是一個物質的在外特性，是一個比較直觀的概念，而化學則個物質的在外特性，是一個比較直觀的概念，而化學則是一個物質內在的性質。從有沒有新物質生成講，沒有是一個物質內在的性質。從有沒有新物質生成講，沒有新物質生成的是物理變化，有新物質生成的是化學變化。新物質生成的是物理變化，有新物質生成的是化學變化。第40頁/共47頁 研究一種物質必須要從物理和

50、化學兩個方面研究一種物質必須要從物理和化學兩個方面相結合去研究，缺少一個都不是嚴謹的，因此，無論是相結合去研究，缺少一個都不是嚴謹的，因此，無論是在日常生活中還是學科研究領域，物理和化學是聯(lián)系相在日常生活中還是學科研究領域，物理和化學是聯(lián)系相當緊密的兩個物質代名詞。當緊密的兩個物質代名詞。 物理學與化學，作為自然科學的兩個分支，關系物理學與化學，作為自然科學的兩個分支，關系十分密切，任何一種化學變化總是伴隨著物理變化，物十分密切，任何一種化學變化總是伴隨著物理變化，物理因素的作用也都會引起化學變化，自然科學中化學和理因素的作用也都會引起化學變化，自然科學中化學和物理歷來是親如兄弟、相輔相成的兩

51、個基本學科，它們物理歷來是親如兄弟、相輔相成的兩個基本學科，它們雖曾有過約定俗成的分工，各司其職，但非各自為雖曾有過約定俗成的分工，各司其職，但非各自為戰(zhàn)戰(zhàn), ,“化學和物理合在一起，在自然科學中形成了一個化學和物理合在一起，在自然科學中形成了一個軸心軸心”。 第41頁/共47頁 歷史上化學家和物理學家的研究是在相互合作、歷史上化學家和物理學家的研究是在相互合作、相互促進中進行的，許多科學家的研究兼及物理學和化相互促進中進行的，許多科學家的研究兼及物理學和化學，每當化學家們對取得的實驗經驗試圖作出解釋，并學，每當化學家們對取得的實驗經驗試圖作出解釋，并提高為理論時，每當他們在研究中遇到難以逾越的障礙提高為理論時，每當他們在研究中遇到難以逾越的障礙時，總是求助于當時的物理學成就，而且受益良多。時，總是求助于當時的物理學成就，而且受益良多。 物理包含著所有物質系統(tǒng)的化學行為的原理、規(guī)物理包含著所有物質系統(tǒng)的化學行為的原理、規(guī)律和方法，化學也同樣涵蓋從宏觀到微觀與性質的關系、律和方法，化學也同樣涵蓋從宏觀到微觀與性質的關系、規(guī)律、化學過程機理及其控制的研究。