物理學(xué)關(guān)于宇宙物質(zhì)時(shí)空的理論發(fā)展及實(shí)驗(yàn)探索

1、 畢 業(yè) 論 文 題 目 物理學(xué)關(guān)于宇宙物質(zhì)時(shí)空的 專 業(yè) 物理學(xué)姓 名 劉步青學(xué) 號(hào) 20050904043指導(dǎo)教師 金 毅二 OO 九年六月七日目 錄摘要 .1 關(guān)鍵詞 .11. 引言 .22. 物理學(xué)關(guān)于宇宙物質(zhì)的理論發(fā)展及實(shí)驗(yàn)探索 .3 2.1物質(zhì)概述 .3 2.2關(guān)于物質(zhì)認(rèn)識(shí)的理論發(fā)展與實(shí)驗(yàn)探索 .3 2.2.1古希臘及古代中國(guó)關(guān)于物質(zhì)本源的思考 .3 2.2.2近代原子論 .4 2.2.3粒子物理學(xué)的發(fā)展 .42.2.4關(guān)于暗物質(zhì) .63. 物理學(xué)關(guān)于宇宙時(shí)空的理論發(fā)展及實(shí)驗(yàn)探索 .8 3.1時(shí)空概述 .8 3.2 關(guān)于時(shí)空認(rèn)識(shí)的理論發(fā)展與實(shí)驗(yàn)探索 .8 3.2.1古代天文學(xué)的發(fā)展

2、 .8 3.2.2 近代天文學(xué)的發(fā)展 .8 3.2.3 現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展 .103.2.4 現(xiàn)今的宇宙圖景 .114. 對(duì)物質(zhì)時(shí)空統(tǒng)一的研究歷程 .12 4.1 牛頓和他的經(jīng)典時(shí)空觀 .12 4.2 以太災(zāi)難 124.3 愛(ài)因斯坦及相對(duì)論 .125. 總結(jié)與展望 .15 致謝 16 參考文獻(xiàn) 17物理學(xué)關(guān)于宇宙物質(zhì)時(shí)空的理論發(fā)展及實(shí)驗(yàn)探索 劉步青(濟(jì)南大學(xué) 理學(xué)院 物理學(xué) 0501班指導(dǎo)教師 金毅摘要: 宇宙的形成與演化規(guī)律問(wèn)題,物質(zhì)與時(shí)空的屬性問(wèn)題,自古至今一直是人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前物理學(xué)存在兩大前沿,一是在微觀領(lǐng)域繼續(xù)探索基本粒子,二是在宇觀 領(lǐng)域探索天體與宇宙學(xué)問(wèn)題。論文從宇宙的物質(zhì)

3、、時(shí)空以及時(shí)空統(tǒng)一等角度作為切入 點(diǎn), 結(jié)合現(xiàn)代物理學(xué)的理論、 實(shí)驗(yàn)的最新成果, 探討了人類關(guān)于宇宙物質(zhì)時(shí)空的認(rèn)知?dú)v程。關(guān)鍵詞:宇宙學(xué);物質(zhì)時(shí)空統(tǒng)一;理論與實(shí)驗(yàn)Theoretical Developments and Experimental Explorations on the Material and Space-time of the Cosmos in Physics LIU Buqing(0501, Physics, School of Science, University of JinanSupervisor JIN YiAbstract: The laws of the fo

4、rmation and evolution of the cosmos, the properties of the material and the space-time, since ancient times have been hot problems for human research. At present, there are two major frontiers in physics, one is to continue to explore the elementary particles in the micro-world, and the other is to

5、explore the celestial bodies and the cosmos. In this paper, according to the latest results in physical theories and experiments, we discuss the human cognitive process on the material and the space-time in the cosmos, and the unification of them.Key words: cosmology ; unification of the material an

6、d space-time; theory and experiment1. 引言“宇”指空間, “宙”指時(shí)間。宇宙是萬(wàn)物的總稱,是時(shí)間和空間的統(tǒng)一,宇宙 就是在空間上無(wú)邊無(wú)際,時(shí)間上無(wú)始無(wú)終的,按客觀規(guī)律運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)世界。宇宙的空間尺度:幾百年的天文觀測(cè),人類的視野已經(jīng)從地球擴(kuò)展到了宇宙的 縱深。地球只是太陽(yáng)系家族中的一員;太陽(yáng)系以太陽(yáng)為核心,九大行星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。 盡管太陽(yáng)系已經(jīng)非常龐大,但是相對(duì)于宇宙依然是微不足道的。在我們的周邊,大 量的恒星聚集在一起,構(gòu)成我們最熟悉的星系銀河系,其直徑約為 8萬(wàn)光年。 在銀河系外還有許多像銀河系這樣規(guī)模的星系。宇宙的規(guī)模還要比這大得多,天文 學(xué)家推測(cè),我們

7、的宇宙的空間尺度大約在 200億光年的量級(jí) 1。宇宙的時(shí)間尺度:所有的天體都有生老病死,宇宙亦然。宇宙大約在 200億年 前的一次大爆炸中誕生。這個(gè)理論依據(jù)于這樣一個(gè)事實(shí),即幾乎所有星系都以很高 的速度相互逃離,這意味著整個(gè)宇宙都在膨脹著。這種膨脹沒(méi)有中心,而且,距離 越遠(yuǎn),退行速度越大,那么無(wú)限遙遠(yuǎn)的天體將有無(wú)限大的退行速度。但是根據(jù)相對(duì) 論的規(guī)定,物體運(yùn)動(dòng)的最大速度是光速。根據(jù)這一極限速度,宇宙的范圍已經(jīng)被限 定了。宇宙的邊緣可定為退行速度為光速的地方,即前面所說(shuō)的 200億光年?？臻g 上的大小在天文學(xué)中同時(shí)意味著時(shí)間上的大小。所有的天文學(xué)理論都依賴于天文觀 測(cè),而所有的天文觀測(cè)都觀測(cè)到的

8、是光信號(hào)或以光速傳播的其他電磁波。因此,宇 宙的時(shí)間尺度可以定為 200億年 2。宇宙的形成與演化:目前物理學(xué)界普遍支持宇宙形成與演化的“宇宙大爆炸” 理論 3。 大爆炸理論認(rèn)為, 宇宙是由140億年前一個(gè)致密致熱的奇點(diǎn)膨脹到現(xiàn)在的狀態(tài)的。 1948年伽莫夫建立大爆炸理論,經(jīng)過(guò)物理學(xué)家數(shù)十年的完善,他們?yōu)槲覀児蠢粘鲞@樣一 幅宇宙圖景:大爆炸開(kāi)始時(shí),約 140億年前,極小體積,極高密度,極高溫度。大爆炸后 1043秒,宇宙從量子背景出現(xiàn)。大爆炸后 1035秒,同一場(chǎng)分解為強(qiáng)力、弱力、電磁力和萬(wàn)有引力。大爆炸后 105秒,10萬(wàn)億度,質(zhì)子和中子形成。大爆炸后 0.01秒,1000億度,光子、電子、

9、中微子為主,質(zhì)子中子僅占 10億 分之一,熱平衡態(tài),體系急劇膨脹,溫度和密度不斷下降。大爆炸后 0.1秒后,300億度,中子質(zhì)子比從 1.0下降到 0.61。大爆炸后 1秒后,100億度,中微子向外逃逸,正負(fù)電子湮沒(méi)反應(yīng)出現(xiàn),核力尚 不足束縛中子和質(zhì)子。大爆炸后 13.8秒后,30億度,氘、氦類穩(wěn)定原子核(化學(xué)元素形成。 大爆炸后 35分鐘后,3億度,核過(guò)程停止,尚不能形成中性原子。大爆炸后 30萬(wàn)年,3000度,化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成,宇宙主要成分為氣 態(tài)物質(zhì),并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊,直至恒星和恒星系統(tǒng)。 宇宙的形成與演化規(guī)律問(wèn)題,物質(zhì)與時(shí)空屬性問(wèn)題,自古至今一直都

10、是人們研究的熱 點(diǎn)問(wèn)題,從前只能停留在思辨的領(lǐng)域,而今已納入了實(shí)證科學(xué)的范疇,并形成了嶄新的科 學(xué)宇宙論、天體物理學(xué)和粒子物理學(xué);而這些無(wú)疑是自然科學(xué)中最深層次的基礎(chǔ)理論 之一,其成果是全人類共同的文化需要。當(dāng)前物理學(xué)主要有兩個(gè)前沿,一是在微觀領(lǐng)域繼 續(xù)探索粒子問(wèn)題,二是在宇觀領(lǐng)域探索天體與宇宙問(wèn)題。從實(shí)驗(yàn)上看,x射線天文學(xué)和中 微子天文學(xué),把這兩個(gè)看來(lái)似乎不太相關(guān)的前沿問(wèn)題溝通起來(lái)了。本文將結(jié)合當(dāng)前最新的 物理學(xué)進(jìn)展, 從古至今, 有步驟、 有條理的敘述關(guān)于宇宙物質(zhì)時(shí)空的理論發(fā)展和實(shí)驗(yàn)探索。2. 物理學(xué)關(guān)于宇宙物質(zhì)的理論發(fā)展及實(shí)驗(yàn)探索2.1 物質(zhì)概述物質(zhì)的一般定義是物質(zhì)是構(gòu)成宇宙一切物體的實(shí)

11、物和場(chǎng)。在世界上,我們周圍所有的客觀存在都是物質(zhì)。人體本身也是物質(zhì)。除了這些 實(shí)物之外,光、電磁場(chǎng)等也是物質(zhì),它們是以場(chǎng)的形式出現(xiàn)的物質(zhì)。2.2 關(guān)于物質(zhì)認(rèn)識(shí)的理論發(fā)展與實(shí)驗(yàn)探索2.2.1 古希臘及古代中國(guó)關(guān)于物質(zhì)本源的思考西方歷史上第一個(gè)自然哲學(xué)家泰勒斯,誕生于希臘殖民地城邦米利都。他既是第一個(gè) 哲學(xué)家也是第一個(gè)科學(xué)家,是西方科學(xué)哲學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者。泰勒斯作為第一個(gè)自然哲學(xué)家留 下了一句名言:“萬(wàn)物源于水。 ”泰勒斯之所以得出萬(wàn)物源于水的結(jié)論,可能是因?yàn)樗l(fā)現(xiàn) 一切生命都離不開(kāi)水,種子只有在潮濕的地方才能生根發(fā)芽;而且他一定發(fā)現(xiàn)大地處于海 洋的包圍之中,而濕氣總是充盈在大地的每一個(gè)角落。泰勒斯的徒

12、孫阿那克西米尼認(rèn)為萬(wàn) 物都由氣組成,氣的濃密和稀疏造成了不同的物體。后來(lái),希臘哲學(xué)家阿那克薩哥拉提出 了獨(dú)特的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論種子論。種子論主張,任何感性的物質(zhì),都不可能互相歸結(jié), 都只能由帶有它本身特質(zhì)的更小的種子來(lái)解釋;萬(wàn)物的種子在宇宙創(chuàng)生時(shí)處于混沌的混為 一體的狀態(tài),只是在宇宙巨大漩渦運(yùn)動(dòng)中才開(kāi)始分離。阿那克薩哥拉的這些天才的猜想具 有燦爛奪目的理性光輝, 他的思維方式完全是科學(xué)的、 理性的, 在這里, 沒(méi)有神意的影子, 有的卻是對(duì)自然現(xiàn)象冷靜的觀察和理性的思考。畢達(dá)哥拉斯是西方歷史上著名的數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家,他創(chuàng)建了畢達(dá)哥拉斯學(xué)派。這個(gè)學(xué) 派的主要貢獻(xiàn)在數(shù)學(xué)方面。希臘時(shí)代的數(shù)學(xué)含義較廣,包括算

13、術(shù)、幾何、天文學(xué)和音樂(lè)學(xué) 四大學(xué)科。在音樂(lè)學(xué)研究的基礎(chǔ)上,畢達(dá)哥拉斯學(xué)派提出了“數(shù)即萬(wàn)物”的學(xué)說(shuō)。他們發(fā) 現(xiàn),決定不同諧音的是某種數(shù)量關(guān)系,而與物質(zhì)構(gòu)成無(wú)關(guān)。希臘哲學(xué)家留基伯和德謨克利特提出了科學(xué)思想史上極為重要的原子論思想。原子論 主張, 世界是統(tǒng)一的, 自然現(xiàn)象可以得到統(tǒng)一的解釋, 但統(tǒng)一不是在宏觀的層次上進(jìn)行的, 不是將一些自然物歸結(jié)為另一些自然物,而是將宏觀的東西歸結(jié)為微觀的東西,這些微觀 的東西就是原子。把一個(gè)物體一分為二,它變得更小,但仍然是一個(gè)物體,它還可以被一分為二。這個(gè) 過(guò)程是否可以無(wú)限得進(jìn)行下去呢?原子論者說(shuō),不能。分割進(jìn)行到最后,必然會(huì)有一個(gè)極 限, 這個(gè)極限就是原子。

14、所謂原子, 在希臘文中的意思就是不可再分割的東西。 原子太小, 我們看不見(jiàn),但世界上的萬(wàn)事萬(wàn)物都是由原子構(gòu)成的,世界的共同基礎(chǔ)是原子。為什么世 界上諸種事物會(huì)彼此不一樣呢?原子論回答說(shuō),這是因?yàn)榻M成它們的原子在形狀、大小、 數(shù)量上不一樣。原子論在希臘時(shí)代還只是思辨的產(chǎn)物,主要是一種哲學(xué)理論,不是科學(xué)理論。但是作 為一種杰出的科學(xué)思想,原子論有其重要的歷史地位。近代科學(xué)重新復(fù)興了原子論,并在 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上構(gòu)造了物質(zhì)世界的原子結(jié)構(gòu)。在中國(guó)古代,探討世界萬(wàn)物的本原是中國(guó)自然哲學(xué)的主要內(nèi)容。其中主要有陰陽(yáng)說(shuō), 五行說(shuō),元?dú)庹f(shuō)等。陰陽(yáng)觀念最早記載于殷周之際的 周易 。 易傳系辭上傳 說(shuō):“一陰一陽(yáng)謂之道”

15、 。 這里“陰”代表消極、柔弱、退守、安靜等性質(zhì)和具有這些性質(zhì)的事物, “陽(yáng)”代表積極、 剛強(qiáng)、進(jìn)取、活潑等性質(zhì)和具有這些性質(zhì)的事物。天屬陽(yáng)氣,性質(zhì)是上升的;地屬陰氣,性質(zhì)是沉滯的。陰陽(yáng)二氣上下對(duì)流生成萬(wàn)物,乃是天地的秩序。陰陽(yáng)不和,自然界就會(huì)發(fā) 生災(zāi)異?！拔逍姓f(shuō)”是人們?cè)诼L(zhǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐中逐步認(rèn)識(shí)到和概括出來(lái)的對(duì)自然界的一種認(rèn)識(shí) 和自然觀。 “五行說(shuō)”把宇宙萬(wàn)物歸結(jié)為金、木、水、火、土五種基本元素,它們相生相 克,循環(huán)無(wú)端。中國(guó)古代的元?dú)庹f(shuō)體現(xiàn)了一種自然哲學(xué)思想,人們把它同古希臘的原子論并列為中西 哲學(xué)史上的兩顆珍珠。 原子論說(shuō)明宇宙萬(wàn)物是不連續(xù)的, 而元?dú)庹f(shuō)則認(rèn)為自然界是連續(xù)的。 東漢的王充

16、創(chuàng)立了唯物主義的元?dú)庾匀惑w系。他認(rèn)為元?dú)馐且环N和云霧相似的物質(zhì)元素, 是無(wú)限的、運(yùn)動(dòng)的;元?dú)庥芯?、厚薄的區(qū)別。宇宙都是由元?dú)饩酆隙傻?自然界物質(zhì) 的多樣性是由于稟受元?dú)獾牟煌斐傻摹＿@也可以說(shuō)是一種原始樸素的場(chǎng)論思想。 2.2.2 近代原子論古希臘的原子論思想實(shí)質(zhì)是將質(zhì)的多樣性還原為量的差異性,這種思想是與近代科學(xué) 相吻合的。然而,近代科學(xué)的先驅(qū)們一開(kāi)始并未明確接受原子論思想。最早將古代原子論思想注入近代科學(xué)思想之中的是法國(guó)哲學(xué)家伽桑狄,他宣傳原子論 思想, 并嘗試用原子論解釋托里拆利的真空試驗(yàn)。 伽桑狄的著作影響了英國(guó)化學(xué)家波義爾, 后者堅(jiān)信的微粒哲學(xué)是原子論的第一個(gè)近代形式。波義爾設(shè)

17、想自然界的物質(zhì)是由一些細(xì)小 堅(jiān)實(shí)、 用物理方法不可分割的微粒所組成的, 這些微粒結(jié)合成更大的微粒團(tuán)參與化學(xué)反應(yīng)。 但是,這時(shí)的原子論只是機(jī)械自然觀的一種具體形式,在 17世紀(jì)它還不是一種科學(xué) 理論,科學(xué)的原子論直到 19世紀(jì)才出現(xiàn)。在 19世紀(jì),物質(zhì)的原子學(xué)說(shuō)獲得了廣泛的認(rèn)同。其中最重要的成就是道爾頓原子論 的提出和確立。1803年,道爾頓將希臘思辨的原子論改造成了定量的原子論。他提出了下 述命題:第一,元素是由非常微小的、不可再分的物質(zhì)粒子即原子組成;第二,原子是不 可改變的;第三,化合物由分子組成,而分子是由幾種原子化合而成的,是化合物的最小 粒子; 第四, 同一元素的所有原子均相同, 不

18、同元素的原子不同, 主要表現(xiàn)為重量的不同; 第五,只有以整數(shù)比例的元素的原子相結(jié)合時(shí),才會(huì)發(fā)生化合;第六,在化學(xué)反應(yīng)中,原 子僅僅是重新排列, 而不會(huì)創(chuàng)生或消失。 這種新的原子論很好地解釋了定比定律。 1808年, 道爾頓出版化學(xué)哲學(xué)的新體系 ,系統(tǒng)地闡述了他的原子論 4。2.2.3 粒子物理學(xué)的發(fā)展粒子物理學(xué)的發(fā)展始于 1897年電子的發(fā)現(xiàn),從那時(shí)到現(xiàn)在經(jīng)歷了一百多年的時(shí)間, 隨著不斷地發(fā)現(xiàn)新粒子和新現(xiàn)象,粒子物理學(xué)從孕育、誕生、成長(zhǎng)到成熟,形成了一門嶄 新的物理學(xué)前沿學(xué)科。1897年, 英國(guó)科學(xué)家湯姆遜用實(shí)驗(yàn)證明, 陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下均可發(fā)生偏轉(zhuǎn), 其偏轉(zhuǎn)方式與帶負(fù)電粒子相同,這證

19、明陰極射線是一種帶負(fù)電的粒子流。湯姆遜測(cè)出這種 粒子流的質(zhì)量與電荷的比,其值只有氫離子的千分之一。1898年,湯姆遜進(jìn)一步證明了該 粒子流所帶電荷與氫離子屬于同一量級(jí),這就表明,其質(zhì)量只有氫離子的千分之一。湯姆 遜將之命名為“電子” ,意即它是電荷的最小單位。湯姆遜同時(shí)指出,它比原子更小,是 一切化學(xué)原子的共同組成成分。在早期的放射性研究中,英國(guó)科學(xué)家盧瑟福發(fā)現(xiàn),各種放射性物質(zhì)發(fā)出的射線屬于不 同的幾種。他將帶正電的射線命名 為射線,把帶負(fù)電的命名為 射線,把不受磁場(chǎng)影響 的電磁波命名為 射線。1910年,盧瑟福用 粒子轟擊原子,發(fā)現(xiàn)了原子核的存在, 從而建立了原子的有核模型。1914年,盧瑟

20、福用陰極射線轟擊氫,結(jié)果使氫原子的 電子被打掉,變成了帶正電的陽(yáng)離子,它實(shí)際上就是氫的原子核。盧瑟福推測(cè)它就 是人們從前所發(fā)現(xiàn)的與陰極射線相對(duì)的陽(yáng)極射線,它的電荷量為一個(gè)單位,質(zhì)量也為一個(gè)單位,盧瑟福將其命名為質(zhì)子。盧瑟福的學(xué)生莫斯萊在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),原子核所帶正電荷數(shù)與原子序數(shù)相等,但 原子量卻比原子序數(shù)大,這說(shuō)明,如果原子核光由質(zhì)子和電子組成,它的質(zhì)量將是 不夠的,因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量相比起來(lái)可以忽略不計(jì)。因此,盧瑟福猜測(cè)在原子核中存 在一種不帶電的中性粒子。1932年,盧瑟福的學(xué)生查德威克用釙加上鈹作為輻射源,去轟擊石蠟,經(jīng)過(guò)反 復(fù)實(shí)驗(yàn)和分析,發(fā)現(xiàn)了盧瑟福所預(yù)言的粒子,查德威克將其命名為中子。接著

21、,查 德威克進(jìn)一步用云室方法測(cè)量中子的質(zhì)量,得到中子質(zhì)量的精確值,還確證了中子 呈電中性。在質(zhì)子、中子發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,海森伯和前蘇聯(lián)物理學(xué)家伊凡寧科分別獨(dú)立地提 出了原子核是由質(zhì)子和中子組成的理論,進(jìn)一步解釋了元素周期律,這是原子核結(jié) 構(gòu)認(rèn)識(shí)上的又一次飛躍。繼電子、質(zhì)子、中子被發(fā)現(xiàn)后,核子之間通過(guò)什么力結(jié)合在一起?核力又有什 么特點(diǎn)?這些是現(xiàn)代物理學(xué)面臨的重要問(wèn)題之一。我們知道,宇宙間有兩種普遍的相 互作用,一是引力,一是電磁力,但這兩種力均不足以解釋核內(nèi)質(zhì)子與中子的結(jié)構(gòu) 情況。原子核內(nèi)必定存在一種新的作用力,它具有吸引性,而且與電荷無(wú)關(guān)。 1935年,日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)提出了“交換粒子”的概

22、念,即存在著一種作 為傳遞核力媒介的特殊場(chǎng),從屬于這個(gè)場(chǎng)的還存在著某種特殊的粒子,這種粒子是 核力的傳遞者。湯川秀樹(shù)將其命名為介子。后來(lái),美國(guó)物理學(xué)家安德森和英國(guó)物理 學(xué)家鮑威爾在宇宙射線中找到了介子,并發(fā)現(xiàn)介子有兩種:一種是參與核力作用的 介子,一種是與原子核幾乎不發(fā)生作用的 介子。 介子就是湯川秀樹(shù)預(yù)言的介子。 在實(shí)驗(yàn)研究中人們發(fā)現(xiàn),以 介子傳遞方式產(chǎn)生的相互作用具有強(qiáng)度大、獨(dú)立于電 荷、作用距離和作用時(shí)間均極短的特點(diǎn)。這種保持原子核穩(wěn)定的力就叫做強(qiáng)相互作 用。在天然放射性研究中,某些原子核會(huì)自動(dòng)釋放出一些射線,經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程, 變成另一種原子核。什么力使得原子核會(huì)自行衰變?人們猜測(cè)這種力

23、非常弱,作用 范圍非常小,稱之為弱相互作用。1933年,費(fèi)米在研究原子核的 衰變時(shí),發(fā)現(xiàn)了 弱相互作用。美籍華裔物理學(xué)家李政道和楊振寧于 1956年提出弱相互作用下宇稱不守恒。不 久,另一位美籍華裔物理學(xué)家吳健雄用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了宇稱不守恒理論。1928年,英國(guó)物理學(xué)家狄拉克在建立相對(duì)性電子運(yùn)動(dòng)方程時(shí),從理論上預(yù)言了 正電子的存在。1932年 8月,美國(guó)物理學(xué)家安德森在宇宙射線的云室照片中,發(fā)現(xiàn) 了正電子的存在。正電子被發(fā)現(xiàn)后,物理學(xué)家們又從理論上語(yǔ)言了反質(zhì)子、反中子 的存在。1933年, 奧地利物理學(xué)家泡利和費(fèi)米在研究放射性物質(zhì)的 衰變時(shí), 提出了 “中 微子”假說(shuō),較好地解釋了 衰變中的能量虧損

24、現(xiàn)象。但是這種粒子質(zhì)量極小,穿 透能力很強(qiáng),又是中性粒子,所以在實(shí)驗(yàn)中很難直接觀測(cè)到。直到 20世紀(jì) 50年代, 科學(xué)家才通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了中微子和反中微子的存在。20世紀(jì) 50年代后,大型高能加速器的出現(xiàn),進(jìn)一步促進(jìn)了基本粒子的研究,物 理學(xué)家們先后發(fā)現(xiàn)了一些質(zhì)量大于質(zhì)子和中子的超子。 50年代末, 特別是 60年代后, 人們又相繼發(fā)現(xiàn)了大量共振粒子。至今,已發(fā)現(xiàn)的基本粒子已有 300多種。物理學(xué)家根據(jù)已有的材料和實(shí)驗(yàn),開(kāi) 始著手研究基本粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),尋找構(gòu)成基本粒子的更為基本的單位。1956年,日本物理學(xué)家坂田昌一提出了強(qiáng)相互作用粒子的復(fù)合模型,也稱“坂田模型” 。他認(rèn) 為,所有參與強(qiáng)相互作

25、用的粒子都是由質(zhì)子、中子和 強(qiáng)子三種“基礎(chǔ)粒子”構(gòu)成。 1964年, 美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼改進(jìn)了坂田模型, 提出了一種新的基本粒子模型 “夸 克模型” 。他認(rèn)為當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的所有強(qiáng)子都是由更基本的粒子夸克組成的。到目前 為止,物理學(xué)家總共發(fā)現(xiàn)了六種夸克上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、頂 夸克和底夸克。隨著粒子物理學(xué)的發(fā)展,人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不斷深入。而在粒子物理學(xué)的 深層次探索活動(dòng)中,粒子加速器、探測(cè)手段、數(shù)據(jù)記錄和處理以及計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用 不斷發(fā)展,既帶來(lái)了粒子物理本身的進(jìn)展,也促進(jìn)了整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展;粒子物 理所取得的豐碩成果在宇宙演化的研究中也起到了重要的作用。目前,人們對(duì)基本粒子的研究仍

26、在繼續(xù) 5。2.2.4 關(guān)于暗物質(zhì)什么是暗物質(zhì)?廣義的暗物質(zhì)包括不發(fā)可見(jiàn)光的行星、白矮星、黑洞等天體。狹 義的暗物質(zhì),是指除各種天體、星際氣體、宇宙塵埃以外的,可能廣泛地分布在宇 宙空間的微小粒子 6。科學(xué)家為什么會(huì)提出“暗物質(zhì)”這個(gè)概念?宇宙中有沒(méi)有暗物質(zhì)?宇宙學(xué)的研究認(rèn)為, 宇宙中物質(zhì)的平均密度, 與決定宇宙是膨脹還是收縮的臨界 值,相差不會(huì)超過(guò)百萬(wàn)分之一?？墒?宇宙中發(fā)可見(jiàn)光的恒星和星系的物質(zhì)總量不 到臨界值的 1%,加上其他輻射電磁波的天體,如行星、白矮星和黑洞等,最多也只 有臨界值的 10%?，F(xiàn)已知道,宇宙的大結(jié)構(gòu)呈泡沫狀,星系聚集成“星系長(zhǎng)城”,即泡沫狀的連接 纖維,而纖維之間是巨

27、大的“宇宙空洞”,直徑達(dá) 1-3億光年。如果沒(méi)有一種看不 見(jiàn)的暗物質(zhì)的附加引力“幫忙”,這么大的空洞是不足以維持的,就像屋頂和橋梁 的跨度不能過(guò)大一樣。我們的宇宙盡管在膨脹,但高速運(yùn)動(dòng)中的星系并不散開(kāi),如果僅有可見(jiàn)物質(zhì), 它們的引力是不足以把各星系維持在一起的。我們知道,太陽(yáng)系的質(zhì)量,99.86%集中在太陽(yáng)系的中心即太陽(yáng)上,因此,離太 陽(yáng)近的行星受到太陽(yáng)的引力比離太陽(yáng)遠(yuǎn)的行星大,因此,離太陽(yáng)近的行星繞太陽(yáng)運(yùn) 行的速度,比離太陽(yáng)遠(yuǎn)的行星快,以便產(chǎn)生更大的離心加速度來(lái)平衡較大的太陽(yáng)引 力。但在星系中心,雖然也集中了更多的恒星,還有質(zhì)量巨大的黑洞,可是,離星 系中心近的恒星的運(yùn)動(dòng)速度,并不比離得遠(yuǎn)的

28、恒星的運(yùn)動(dòng)速度快。這說(shuō)明星系的質(zhì) 量并不集中在星系中心,在星系的外圍區(qū)域一定有大量暗物質(zhì)存在。天體的亮度反應(yīng)天體的質(zhì)量。所以天文學(xué)家常常用星系的亮度來(lái)推算星系的質(zhì) 量,也可通過(guò)引力來(lái)推算星系的質(zhì)量?？墒?從引力推算出的銀河系的質(zhì)量,是從 亮度推算的銀河系質(zhì)量的十倍以上,在外圍區(qū)域甚至達(dá)五千倍。因而,在那里必然 有大量暗物質(zhì)存在。那么,暗物質(zhì)到底是些什么物質(zhì)呢?宇宙學(xué)研究發(fā)現(xiàn),在宇宙大爆炸初期產(chǎn)生的各種基本粒子中,有一種叫做中微 子的粒子不參與形成物質(zhì)的核反應(yīng),也不與任何物質(zhì)作用,它們一直散布在太空中, 是暗物質(zhì)的主要“嫌疑人”。但中微子在 1931年被提出來(lái)以后,一直被認(rèn)為質(zhì)量為零。這樣,即使

29、太空是中 微子的海洋,也不會(huì)形成質(zhì)量和引力。曾有人設(shè)想存在一種“類中微子”,它的性 質(zhì)與中微子類似,但有質(zhì)量。可是一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“類中微子”的存在。極小的中微子運(yùn)動(dòng)速度極高,可自由穿透任何物質(zhì),甚至整個(gè)地球,很難被捕 找到。但中微子與物質(zhì)原子和亞原子粒子碰撞時(shí),會(huì)使他們撕裂而發(fā)出閃光。探測(cè) 到這種效應(yīng)就是探到了中微子。但為了避免地面上的各種因素的干擾,必須把探測(cè) 裝置放在很深的地下。日、美科學(xué)家在日本岐阜縣神岡町 1000米深的鋅礦井里設(shè)置了“超級(jí)神岡核子 衰變實(shí)驗(yàn)中心” ,那是一個(gè) 12層樓高的水箱,盛有 2000噸純凈水。1987年 2月和 1996年 6月兩次無(wú)意中檢測(cè)到中微子。從此便著意

30、對(duì)中微子進(jìn)行探測(cè)。1998年 6月,實(shí)驗(yàn)中心的科學(xué)家宣稱中微子確實(shí)有質(zhì)量,但他們還不能確定中 微子的質(zhì)量是多少,不過(guò)可以肯定其不足電子質(zhì)量的十萬(wàn)分之一。為了進(jìn)一步檢測(cè)中微子的質(zhì)量,從 1999年 6月開(kāi)始,日、美科學(xué)家從茨城縣筑 波市高能研究所的加速器,向超級(jí)神岡核子衰變實(shí)驗(yàn)中心發(fā)射中微子。實(shí)驗(yàn)中心雖 然接收到一些中微子,但數(shù)量不多。最后結(jié)論尚須由進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)做出。如果中微子確有質(zhì)量,則宇宙中的物質(zhì)密度將超過(guò)臨界值,宇宙將終有一天轉(zhuǎn) 而收縮。有些科學(xué)家甚至估算出,如果物質(zhì)的質(zhì)量超過(guò)臨界值的 1%宇宙將在一萬(wàn)億 年后轉(zhuǎn)而收縮,如果超過(guò) 10%,則將在 1000億年后轉(zhuǎn)而收縮 7。尋找暗物質(zhì)有著

31、重大的科學(xué)意義,如果科學(xué)家最終能夠找到暗物質(zhì),那么關(guān)于 宇宙是繼續(xù)膨脹還是轉(zhuǎn)而收縮的長(zhǎng)久爭(zhēng)論將塵埃落定。3.1 時(shí)空概述時(shí)空,指時(shí)間和空間。任何事物都處于一定的時(shí)空之中。物理學(xué)認(rèn)為,時(shí)間和空間不是獨(dú)立的、絕對(duì)的,而是相關(guān)聯(lián)的、相對(duì)的,任何 一方的變化都包含著對(duì)方的變化。因此把時(shí)間和空間統(tǒng)稱為時(shí)空,更加科學(xué)而完整。3.2 關(guān)于時(shí)空認(rèn)識(shí)的理論發(fā)展與實(shí)驗(yàn)探索3.2.1 古代天文學(xué)的發(fā)展天文學(xué)是研究宇宙中天體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和演化規(guī)律的科學(xué)。在古代,中國(guó) 和古希臘為天文學(xué)的發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)。中國(guó)古代天文學(xué)在世界天文學(xué)史上占有及其重要的地位。在漢代,中國(guó)出現(xiàn)了 關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)和宇宙結(jié)構(gòu)的三種學(xué)說(shuō):蓋天

32、說(shuō)、渾天說(shuō)和宣夜說(shuō)。蓋天說(shuō)起源于周 代,主張“天圓如張蓋,地方如棋局。 ”這種天圓地方說(shuō)是我國(guó)古代最早的一個(gè)宇宙 模型。渾天說(shuō)在中國(guó)古代天文學(xué)中是一種占支配地位的學(xué)說(shuō),其代表人物是中國(guó)的 張衡。他在渾天儀圖注中說(shuō):“渾天如雞子。天地圓如彈丸,地如雞中黃,孤居 其內(nèi),天大而地小。天表里有水,天之包地,猶殼之裹黃。天地各乘氣而立,載水 而浮。 ” 渾天說(shuō)認(rèn)識(shí)到大地是一個(gè)懸浮于宇宙空間的圓球。 與渾天說(shuō)對(duì)立的是宣夜說(shuō), 其代表人物是東漢的郗萌。他認(rèn)為天沒(méi)有一定得形狀,而是無(wú)邊無(wú)際的充滿氣體的 空間,日月星辰漂浮在空中,各按自己的規(guī)律運(yùn)行。這一學(xué)說(shuō)具有重大的理論意義。 古希臘學(xué)者自公元前四世紀(jì)之后,通

33、過(guò)對(duì)天體現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)的研究,為天文學(xué)的 發(fā)展做出了許多貢獻(xiàn)。古希臘哲學(xué)家泰勒斯的學(xué)生阿那克西曼德、阿那克西米尼和赫拉克利特等認(rèn)為 大地是薄薄的圓片,漂浮在空氣的漩渦里,孤立在球狀宇宙的中心,日、月與行星 在它的周圍循圓周而運(yùn)行。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派發(fā)現(xiàn)大地是球形的,發(fā)現(xiàn)了黃道和赤道的交角,認(rèn)識(shí)到了日食 和月食發(fā)生的原因。他們認(rèn)為日月星辰均遵循同心的圓周軌道繞地球而運(yùn)行。 柏拉圖學(xué)派的代表人物是歐多克斯和亞里士多德。他們主張一切天體分別以不 同的半徑繞地球做圓周運(yùn)動(dòng),并初步形成了地球?yàn)橹行牡挠钪嬗^念。古代最偉大的天文學(xué)家是古羅馬的托勒密,他寫出了至大論 ,統(tǒng)一說(shuō)明了天 體的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,把前人的全部“地心”

34、思想系統(tǒng)化,并巧妙地運(yùn)用幾何模型方法, 建立了一個(gè)完整的地心體系,使古代天文學(xué)的發(fā)展達(dá)到了頂峰 8。3.2.2 近代天文學(xué)的發(fā)展15世紀(jì)以來(lái), 環(huán)球航行和地理大發(fā)現(xiàn), 大大推進(jìn)了天文觀測(cè)和天文研究的進(jìn)展。 1543年, 波蘭天文學(xué)家哥白尼發(fā)表了他的名著 天體運(yùn)行論 , 提出了新的宇宙體系, “日心地動(dòng)說(shuō)” 。 哥白尼的日心體系揭示了太陽(yáng)系的結(jié)構(gòu), 把被地心說(shuō)顛倒了 1000多年的日地關(guān)系顛倒了過(guò)來(lái)。從此,天文學(xué)從神學(xué)中解放出來(lái),成為近代天文學(xué)誕 生的標(biāo)志。在此之后,許多科學(xué)家開(kāi)始研究天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,形成了一系列天文學(xué) 分支學(xué)科,主要有天體測(cè)量學(xué)、天體力學(xué)和天體物理學(xué)。天體測(cè)量學(xué)的內(nèi)容是研究和測(cè)

35、定天體的位置和運(yùn)動(dòng),建立基本的參考坐標(biāo)系和 確定地球表面的坐標(biāo)。1609年,意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明的第一架望遠(yuǎn)鏡,使天文觀測(cè)手段發(fā)生了巨大變革。他看到了月球的面貌,看到了木星的衛(wèi)星,并且發(fā)現(xiàn)銀河系是由無(wú)數(shù)顆恒 星組成的。后來(lái), 英國(guó)著名的天文學(xué)家威廉赫舍爾用自制的反射天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星 空,發(fā)現(xiàn)了天王星,并且繪制了人類歷史上第一張銀河系結(jié)構(gòu)圖。1800年,赫舍爾 發(fā)現(xiàn)了紅外輻射,1801年,德國(guó)物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了紫外輻射,把人類對(duì)天體的研究 領(lǐng)域極大地?cái)U(kuò)展開(kāi)來(lái)。19世紀(jì)下半葉,望遠(yuǎn)鏡增添了照相機(jī)和分光設(shè)備,使天文觀測(cè)如虎添翼。1888年,人們發(fā)現(xiàn)了仙女座的漩渦結(jié)構(gòu),從此開(kāi)始了對(duì)河外星系結(jié)構(gòu)的觀測(cè),

36、開(kāi)創(chuàng)了近 代天體測(cè)量的新紀(jì)元。天體力學(xué)主要研究天體之間的相互作用和力學(xué)運(yùn)動(dòng)。德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒,根據(jù)丹麥天文學(xué)家第谷的觀測(cè)資料總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)的三大 定律,為天體力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上, 根據(jù)力學(xué)原理從開(kāi)普勒三大定律推導(dǎo)出太陽(yáng)對(duì)行星的引力 定律,由此而得出了著名的萬(wàn)有引力定律。牛頓的萬(wàn)有引力定律,使天文學(xué)進(jìn)入了動(dòng)力學(xué) 范疇,天體力學(xué)由此誕生。法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯是天體力學(xué)的集大成者,其著名杰作天體力學(xué) ,集各家 之大成,書(shū)中第一次提出了“天體力學(xué)”的學(xué)科名稱,是經(jīng)典天體力學(xué)的代表著作。 天體力學(xué)的杰出成就是海王星的發(fā)現(xiàn)。天王星發(fā)現(xiàn)后,人們觀測(cè)到天王星的運(yùn) 行有些反常。德國(guó)天文

37、學(xué)家貝塞爾推測(cè)天王星外另有一顆行星干擾著天王星的運(yùn)行。 法國(guó)天文學(xué)家勒維烈對(duì)此進(jìn)行了深入的研究,在 1846年 8月 31日發(fā)表了一篇論文, 公布了這顆未知行星可能出現(xiàn)的位置。9月 18日勒維烈將論文寄給柏林天文臺(tái)長(zhǎng)加勒。9月 23日加勒收到勒維烈的來(lái)信后立即進(jìn)行觀察,9月 25日發(fā)現(xiàn)了這顆未知的新的行星。 勒維烈提議用海洋之神 Neptune 命名,中文譯為海王星。天體物理學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)的技術(shù)、方法和理論,研究天體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、 物理狀態(tài)和演化規(guī)律的學(xué)科。天體物理學(xué)的發(fā)展主要應(yīng)歸功于分光技術(shù)、天體照相技術(shù)和 光度學(xué)知識(shí)。分光技術(shù)運(yùn)用于天文學(xué)中, 產(chǎn)生了天體分光學(xué), 它對(duì)于天體物理學(xué)

38、的誕生起了特別重 要的作用。天體分光學(xué)的創(chuàng)始人當(dāng)推德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)。19世紀(jì)初,夫瑯和費(fèi)制造出 分光鏡,發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的光譜線。1859年,德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)了分光學(xué)的兩條基本 定律:第一,每一種化學(xué)元素在燃燒時(shí)都發(fā)出一條特別明亮的特征譜線;第二,每一元素 能夠吸收它所屬的特征譜線。這便是譜線的反變或自蝕現(xiàn)象。按基爾霍夫兩定律便可解釋 太陽(yáng)光譜線的秘密。通過(guò)天體分光學(xué)可以了解天體的許多重要性質(zhì),因此,天體分光學(xué)給 天文學(xué)開(kāi)辟了新天地,而光譜分析也成為天體物理學(xué)的重要方法。1827年,法國(guó)科學(xué)家涅普斯在金屬板上產(chǎn)生了照相圖像。后來(lái),達(dá)蓋爾改進(jìn)了涅普 斯的方法,于 1839年公布了著名的“達(dá)

39、蓋爾照相法”,并制造出第一臺(tái)照相機(jī)。物理學(xué) 家和天文學(xué)家很快將照相術(shù)應(yīng)用于光譜分析。 1845年, 法國(guó)科學(xué)家拍得的太陽(yáng)照片上有幾 顆太陽(yáng)黑子。 1849年, 美國(guó)天文學(xué)家拍下織女星的圖像。 照相術(shù)成為天文觀測(cè)的重要手段。 光度學(xué)的創(chuàng)始人應(yīng)首推法國(guó)人布蓋,他在光的等級(jí)一書(shū)里提出了光度學(xué)的基本原 則。同時(shí)瑞典物理學(xué)家塞爾蘇斯將幾顆星的比較亮度作了粗糙的測(cè)量。1859年,德國(guó)天文 學(xué)家澤內(nèi)爾發(fā)明了光度計(jì)。與光度計(jì)同時(shí)發(fā)展的還有比較星光技術(shù),德國(guó)的天文學(xué)家對(duì)此 進(jìn)行了深入的研究。1857年英國(guó)人波格森在前人研究的基礎(chǔ)上,建立了光度星等間的基本 關(guān)系式,以后經(jīng)人采用為星等尺度的定義。這樣,恒星光度學(xué)就

40、建立在穩(wěn)固的基礎(chǔ)之上, 發(fā)展至今達(dá)到完善的境界。天體物理學(xué)的誕生和發(fā)展, 使天文觀測(cè)和研究不斷出現(xiàn)新成果和新發(fā)現(xiàn), 促使人們而對(duì)天體的認(rèn)識(shí)由表面深入到本質(zhì)。天體物物理學(xué)的科學(xué)體系得以建立和完善。3.2.3 現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展20世紀(jì)中葉, 隨著天文學(xué)觀測(cè)和研究手段的不斷進(jìn)步, 光譜分析、射電望遠(yuǎn)鏡和大型 干涉儀等技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用,由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡到射電望遠(yuǎn)鏡,由地面觀測(cè)發(fā)展到太空觀測(cè), 天文學(xué)取得了巨大進(jìn)展。 20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn):即宇宙微波背景輻射、 類星體、 脈沖星和星際有機(jī)分子,是現(xiàn)代天文學(xué)的偉大成就。. 宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)1964年,美國(guó)貝爾電話公司在新澤西州安裝了一架供人造

41、衛(wèi)星用的天線。利用回聲信 號(hào)接收衛(wèi)星信息。射電天文學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜正在調(diào)試這架天線,以測(cè)定銀河系以外 區(qū)域的射電波強(qiáng)度。但是奇怪的是,在7.35厘米波長(zhǎng)上總有一個(gè)原因不明的“噪聲”消除 不掉,該噪聲十分穩(wěn)定,相當(dāng)于3.5K 的射電輻射溫度。他們開(kāi)始很不理解,因而也未公布 自己的發(fā)現(xiàn)。消息輾轉(zhuǎn)傳到美國(guó)普林斯頓大學(xué)后,那里的天體物理學(xué)家迪克和他的研究小 組正在做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證宇宙大爆炸模型所預(yù)言的宇宙背景輻射。聽(tīng)到這個(gè)消息后,他們確信這 個(gè)無(wú)法理解的“噪聲”就是宇宙背景輻射。他們通力協(xié)作,繼續(xù)觀測(cè),終于證實(shí)了彭齊亞 斯和威爾遜的觀測(cè)結(jié)果。從1965年以來(lái),對(duì)微波背景輻射譜進(jìn)行多種測(cè)量,人們發(fā)現(xiàn)這種

42、輻射不是來(lái)自某一個(gè)天體或者某一個(gè)方向,而是彌漫于整個(gè)空間,并且有相當(dāng)好的各向同 性,因此把這種輻射稱為宇宙背景輻射。分析計(jì)算表明,背景輻射的溫度是絕對(duì)溫度3度 (-270。宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)與大爆炸學(xué)說(shuō)的預(yù)言完全符合 9。. 類星體的發(fā)現(xiàn)1963年,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的奇異的星體,它體積小、輻射能量極大。其光譜線 都朝紅色的方向位移,這與普通的恒星很不一樣。于是,這些似星非星的天體,便被命名 為“類似恒星的天體”“類星體”。類星體的一個(gè)最顯著特征表現(xiàn)在“紅移”現(xiàn)象上。 美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)出哈勃定律, 銀河系以外的星系,其紅移量的大小與到我們的距離成正比。從此以后,只要測(cè)定出一個(gè) 河外天體的

43、紅移量,根據(jù)哈勃定律便可以定出它的距離來(lái) 10。類星體的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是射電波非常強(qiáng),強(qiáng)度還隨著時(shí)間的變化而變化,周期從幾 天到幾年不等。根據(jù)類星體輻射強(qiáng)度和離我們的距離推算,它的體積不到普通星系的十萬(wàn) 分之一,而它的輻射比普通星系強(qiáng)100倍。用任何已經(jīng)知道的能源都難以解釋類星體的能 量來(lái)源, 為什么類星體體積小、 輻射能量強(qiáng)、 紅移大, 有待于天文學(xué)家進(jìn)一步觀測(cè)和探討。 . 脈沖星的發(fā)現(xiàn)脈沖星是1967年英國(guó)劍橋大學(xué)天文學(xué)家休伊什和女博士研究生貝爾應(yīng)用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā) 現(xiàn)的一種“奇異”的新天體。脈沖星以極其精確的時(shí)間間隔發(fā)出極為規(guī)則而又短促的無(wú)線 電脈沖信號(hào)。到1978年,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和找到30

44、0多個(gè)脈沖星。有的脈沖星不僅發(fā)射無(wú)線 電脈沖,還發(fā)射 X 射線脈沖、 Y 射線脈沖和光學(xué)脈沖。脈沖星的發(fā)現(xiàn)為恒星演化理論提供 了觀測(cè)上的重要依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)在的理論分析和計(jì)算,脈沖星就是1932年物理學(xué)家朗道預(yù)言而沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的一種 高速自轉(zhuǎn)的中子星。中子星的體積較小,密度極高,每立方米約l億噸;輻射能量極大, 約為太陽(yáng)的100萬(wàn)倍,但輻射能量中,只有很少一部分以光輻射形式射出,所以亮度很低; 溫度很高,表面溫度達(dá)1000萬(wàn)度,中心溫度可達(dá)60億度;磁場(chǎng)強(qiáng)度極高,高達(dá)l萬(wàn)億高斯。 . 星際有機(jī)分子的發(fā)現(xiàn)過(guò)去,人們認(rèn)為恒星與恒星之間、天體與天體之間是一無(wú)所有的“真空”。20世紀(jì)60年代以來(lái),人們先后發(fā)現(xiàn)

45、了幾十種星際分子的射電譜線,無(wú)機(jī)和有機(jī)這兩大類分子均有。 已發(fā)現(xiàn)的星際分子種類繁多,有水分子,也有氨分子;有有機(jī)分子,也有無(wú)機(jī)分子。據(jù)分析,已發(fā)現(xiàn)的星際分子由碳、氫、氧、硅、硫、氮6種元素組成。星際分子的發(fā)現(xiàn),豐富和發(fā)展了人類對(duì)天體和結(jié)構(gòu)演化、地球起源和演化及生命的起 源等方面的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)代天文學(xué)最突出的成就無(wú)疑是宇宙大爆炸理論的建立。1948年, 美籍俄國(guó)物理學(xué)家伽莫夫和他的學(xué)生阿爾費(fèi)爾、 赫爾曼等開(kāi)始研究宇宙膨脹 論中的早期密集狀態(tài),提出了大爆炸宇宙模型。60年代,前蘇聯(lián)天文學(xué)家澤爾多維奇,英 國(guó)的霍伊爾和泰勒以及美國(guó)的皮伯爾斯都分別獨(dú)立地研究過(guò)這個(gè)問(wèn)題,逐漸形成了大爆炸 宇宙學(xué)派。大爆炸宇

46、宙學(xué)認(rèn)為,我們所觀測(cè)到的宇宙,起源于一次大的爆炸,之后,宇宙不斷地 膨脹,而且宇宙的溫度也在不斷地降低,即宇宙有一個(gè)從熱到冷的演化過(guò)程。在極早期宇 宙中,溫度極高,在100億以上。這時(shí)的宇宙只有質(zhì)子、中子、電子、光子及中微子等 粒子形態(tài)的物質(zhì)。經(jīng)過(guò)最初百分之幾秒后,宇宙溫度下降到10億左右。這時(shí)宇宙繼續(xù)膨 脹,物質(zhì)的密度和溫度進(jìn)一步下降。中子開(kāi)始失去自由存在的條件,發(fā)生衰變,一些化學(xué) 元素就是從這一時(shí)期才開(kāi)始形成的。當(dāng)溫度下降到100萬(wàn)之后,形成化學(xué)元素的過(guò)程也 結(jié)束了。這時(shí)宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子和一些輕的原子核,輻射仍很強(qiáng)。再過(guò)數(shù)萬(wàn)年,宇宙的溫度下降到幾千度,輻射退居次要地位。宇宙間的

47、電子與離子復(fù) 合而成氣態(tài)物質(zhì)。 從氣云再逐步發(fā)展出各種星體和星系。 這時(shí), 宇宙才開(kāi)始了恒星的時(shí)代。 在億萬(wàn)顆恒星中,太陽(yáng)就是其中一個(gè),在太陽(yáng)系的演化中出現(xiàn)了能夠認(rèn)識(shí)宇宙的人類。這 就是大爆炸學(xué)說(shuō)勾畫(huà)出的宇宙演化史。1964年,宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn),證實(shí)了大爆炸學(xué)說(shuō)的預(yù)言,也使大爆炸模型得到 了人們的廣泛認(rèn)可。3.2.4 現(xiàn)今的宇宙圖景當(dāng)代天文學(xué)的研究成果表明,宇宙是一個(gè)有層次結(jié)構(gòu)的、不斷膨脹、物質(zhì)形態(tài) 多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。太陽(yáng)系中共有八顆行星:水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星。 除水星和金星外,其他行星都有衛(wèi)星繞其運(yùn)轉(zhuǎn),地球有一個(gè)衛(wèi)星月球,土星的衛(wèi) 星最多,已確認(rèn)的

48、有 26顆。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn), 構(gòu)成太陽(yáng)系。太陽(yáng)占太陽(yáng)系總質(zhì)量的 99.86%,其直徑約 140萬(wàn)千米,最大的行星木 星的直徑約 14萬(wàn)千米。太陽(yáng)系的大小約 120億千米。太陽(yáng)系外也存在其他恒星系統(tǒng)。2500億顆類似太陽(yáng)的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨 大的天體系統(tǒng)銀河系。銀河系中大部分恒星和星際物質(zhì)集中在一個(gè)扁球狀的空間 內(nèi),從側(cè)面看很像一個(gè)“鐵餅”,正面看去,則呈旋渦狀。銀河系的直徑約 10萬(wàn)光 年,太陽(yáng)位于銀河系的一個(gè)旋臂中,距銀河系中心約 3萬(wàn)光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng),稱為河外星系,常簡(jiǎn)稱星系?，F(xiàn)已觀測(cè)到 大約有 10億個(gè)。星系也聚集成大大小小的集團(tuán)

49、,叫做星系團(tuán)。平均而言,每個(gè)星系 團(tuán)約有百余個(gè)星系,直徑達(dá)千萬(wàn)光年?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約 40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成更大、更高 一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形,其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光 年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán),只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本 星系群和其附近的約 50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。目前天文觀測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)展到 200億光年的廣闊空間,它稱為總星系 11。 總星系仍然不是宇宙的全部范圍。宇宙到底有多大呢?或許對(duì)于我們來(lái)說(shuō),宇 宙永遠(yuǎn)都是一個(gè)謎。4.1 牛頓和他的經(jīng)典時(shí)空觀牛頓是英國(guó)偉大的

50、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家。牛頓在科學(xué)上最卓越的貢獻(xiàn)是創(chuàng)建了微積分和經(jīng)典力學(xué)。1687年牛頓發(fā)表了物理學(xué)史上劃時(shí)代的偉大著作 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 。 在這部著 作中,牛頓提出了他的經(jīng)典時(shí)空觀,即絕對(duì)時(shí)空觀。牛頓指出:絕對(duì)空間,就其本性而言,與外界任何事物無(wú)關(guān),而永遠(yuǎn)是相同的和不 動(dòng)的。絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)上的時(shí)間自己流逝著,并由于它的本性而均勻地與任何外界 對(duì)象無(wú)關(guān)地流逝著。這就是說(shuō),時(shí)間和空間是彼此獨(dú)立、互不相關(guān)并且獨(dú)立于物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之外的,不受 物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的影響。牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀統(tǒng)治了整個(gè)物理學(xué)界達(dá)二百年之久 12。4.2 以太災(zāi)難經(jīng)典物理學(xué)經(jīng)過(guò)二百多年的發(fā)展,到 19世紀(jì)末已建

51、立起比較完整的理論體系,并在 技術(shù)和生產(chǎn)的應(yīng)用中取得巨大成功。 在這些成就面前, 有些人認(rèn)為物理學(xué)理論已接近完成。 物理學(xué)中的基本問(wèn)題在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上都已解決,后人的工作不過(guò)是在物理常數(shù)小數(shù)點(diǎn) 后再精確幾位。這樣,許多人就把經(jīng)典物理學(xué)看成是萬(wàn)能的體系和終極的真理,習(xí)慣于用 經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)去解釋一切自然現(xiàn)象。19世紀(jì)下半葉, 麥克斯韋電磁理論建立以后, 人們就用經(jīng)典力學(xué)理論解釋麥克斯韋方 程,認(rèn)為光和電磁波的傳播都必須有媒介的物質(zhì),這種物質(zhì)就是“以太”。如果“以太”存在,那么根據(jù)1725年英國(guó)天文學(xué)家布拉德雷發(fā)現(xiàn)的光行差現(xiàn)象,可以 認(rèn)為以太相對(duì)于太陽(yáng)靜止而相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)。如果“以太”相對(duì)于地

52、球運(yùn)動(dòng),那就應(yīng)該可 以通過(guò)某種方式探測(cè)到。1879年,著名物理學(xué)家麥克斯韋提出了一種測(cè)定方法:讓光線分 別在平行和垂直于地球運(yùn)動(dòng)方向等距離往返傳播,平行于地球運(yùn)動(dòng)方向所花的時(shí)間將會(huì)略 大于垂直方向的時(shí)間。1881年, 美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜根據(jù)麥克斯韋提出的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)極為精密的實(shí)驗(yàn), 未發(fā)現(xiàn)任何時(shí)間差。1887年,邁克爾遜再度與化學(xué)家莫雷合作,以更高精度重復(fù)實(shí)驗(yàn)。盡 管實(shí)驗(yàn)的精度很高,但始終沒(méi)有觀察到預(yù)期的干涉條紋,即沒(méi)有觀測(cè)到“以太”和“以太 風(fēng)”的存在。人們稱以太漂移實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果為“以太災(zāi)難”。邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)是科學(xué)史上著名的判定性實(shí)驗(yàn)之一,它以確鑿的實(shí)驗(yàn)事實(shí)否定了 千百年來(lái)人們所認(rèn)

53、為的以太的存在,這對(duì)近代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。以太漂移實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果對(duì)“以太”學(xué)說(shuō)是個(gè)沉重打擊,它表明電磁場(chǎng)的時(shí)空結(jié)構(gòu) 不同于牛頓力學(xué)的時(shí)空結(jié)構(gòu)?！耙蕴珵?zāi)難”使經(jīng)典物理學(xué)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),建立在經(jīng)典物理 學(xué)基礎(chǔ)上的機(jī)械的、形而上學(xué)的自然觀陷入了困境。19世紀(jì)末 20世紀(jì)初的一系列物理實(shí)驗(yàn)和理論探索,為建立新的時(shí)空理論和物質(zhì)運(yùn)動(dòng) 理論準(zhǔn)備了條件。擔(dān)當(dāng)這一重任的是愛(ài)因斯坦。4.3 愛(ài)因斯坦及相對(duì)論愛(ài)因斯坦是 20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家,也是歷史上最偉大的科學(xué)家之一 13。愛(ài)因斯坦于1879年3月14日生于德國(guó)南部小城烏爾姆。1896年,愛(ài)因斯坦考取了蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。在大學(xué)期間,他的大部分時(shí)間

54、花在實(shí)驗(yàn)中并自學(xué)了著名物理學(xué)家基爾霍 夫、亥姆霍茨、赫茲、馬赫和麥可斯韋等人的著作。愛(ài)因斯坦認(rèn)為,科學(xué)研究應(yīng)當(dāng)保持絕 對(duì)理性 14,15。1905年9月,年僅26歲的愛(ài)因斯坦發(fā)表了題為論運(yùn)動(dòng)物體中的電動(dòng)力學(xué)的論文, 提出了狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)相對(duì)性原理和光速不變?cè)怼ＫJ(rèn)為,根本不存在 絕對(duì)靜止的以太坐標(biāo)系。同時(shí)性是相對(duì)的而不是絕對(duì)的。在此基礎(chǔ)上,他推導(dǎo)出了一個(gè)變 換式洛侖茲變換式,并給予了全新的解釋。他認(rèn)為,從根本上說(shuō),我們只能在物體的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)中來(lái)度量時(shí)間和空間,根本找不到絕對(duì)時(shí)空坐標(biāo)。所以,時(shí)間、空間、質(zhì)量等物 理量的量度,取決于測(cè)量者與被測(cè)量者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。他由此得出了狹義相對(duì)論的幾個(gè) 結(jié)論:(1一個(gè)物體相對(duì)于觀察者靜止時(shí),它的長(zhǎng)度測(cè)量值最大。如果它相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng) 時(shí),那么沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上,它的長(zhǎng)度要縮短。速度越快,縮短越大。或者簡(jiǎn)單說(shuō),運(yùn)動(dòng) 著的尺子要縮短。(2一只時(shí)鐘相對(duì)于觀察者靜止時(shí),它走得最快。如果它相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí),那么 它就走慢了。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是運(yùn)動(dòng)著的時(shí)鐘變慢。(3運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量增大。(4在任何慣性系中,物體的運(yùn)動(dòng)速度都不能超過(guò)光速。(5 如果兩個(gè)獨(dú)立事件在慣性系S中是同一時(shí)刻但不在同一地點(diǎn)發(fā)生, 那么在相對(duì)于 S