天體物理概論 學(xué)習(xí)指南

學(xué)習(xí)指南自從伽利略和牛頓兩位經(jīng)典物理學(xué)大師先后把自制的望遠(yuǎn)鏡指向天空，天文學(xué)與物理學(xué)的發(fā)展就日益密切地走到了一起。但真正意義上的天體物理學(xué)開始于十九世紀(jì)中葉，分光學(xué)、光度學(xué)和照相術(shù)廣泛應(yīng)用于天體的觀測(cè)研究，使人們對(duì)天體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、物理狀態(tài)的了解越來越深入，天體物理學(xué)也逐漸形成完整的科學(xué)體系。特別是上世紀(jì)60年代，類星體、宇宙微波背景輻射、脈沖星和星際有機(jī)分子的相繼發(fā)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了天體物理學(xué)的發(fā)展，并從根本上改變了人類的傳統(tǒng)宇宙觀。自上世紀(jì)60年代開始的一系列空間觀測(cè)和行星際探測(cè)活動(dòng)，大大地延伸了人類的視野，也進(jìn)一步增強(qiáng)了社會(huì)公眾對(duì)宇宙科學(xué)的興趣。現(xiàn)在，大爆炸宇宙、奇妙的中子星、遙遠(yuǎn)的類星體和神秘的黑洞等，不僅是科學(xué)工作者深入研究的課題，也成為公眾熱切關(guān)注的對(duì)象。我國(guó)每年舉辦的科技活動(dòng)周中，天文知識(shí)都是各地公眾（特別是廣大青少年）追求的熱點(diǎn)?！吧裰邸毕盗酗w船和“嫦娥”系列探月衛(wèi)星接連發(fā)射成功，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)成為具備深空探測(cè)能力的世界航天國(guó)之一，也使得公眾探索宇宙奧秘的熱情更加高漲。21世紀(jì)將是我國(guó)天文學(xué)和天體物理學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)期，國(guó)家需求和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)需要培養(yǎng)和造就大批專業(yè)人才，也需要更多的公眾了解和支持這一領(lǐng)域的發(fā)展。本課程介紹了宇宙各主要層次的結(jié)構(gòu)和演化的概況，同時(shí)介紹了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)從原始到現(xiàn)代的演變，以及觀測(cè)技術(shù)和方法不斷發(fā)展的過程。本課程可以作為天文學(xué)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，亦可作為不分專業(yè)的公共選修課（此時(shí)教學(xué)大綱中標(biāo)有★號(hào)的內(nèi)容可不學(xué)）。上述課程內(nèi)容對(duì)本專業(yè)的同學(xué)是進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程（例如恒星物理、星系物理、宇宙學(xué)等）的基礎(chǔ)。對(duì)非本專業(yè)的同學(xué)，則是擴(kuò)展跨學(xué)科的視野、提高自身科學(xué)素質(zhì)的一個(gè)良好途徑，有助于他們建立科學(xué)正確的宇宙觀，了解人類認(rèn)識(shí)宇宙的歷史和探索精神，從人類研究遙遠(yuǎn)宇宙天體的科學(xué)方法中得到啟示，對(duì)自己在其他專業(yè)的學(xué)習(xí)和研究有所借鑒。由于本課程的目的不僅僅是介紹天文知識(shí)，而是側(cè)重于介紹與宇宙天體有關(guān)的物理過程，故在學(xué)習(xí)本課程之前，讀者最好已經(jīng)具備大學(xué)基礎(chǔ)物理（或普通物理）的知識(shí)，這樣就可以基本領(lǐng)會(huì)課程所講的主要內(nèi)容。如果能學(xué)過一點(diǎn)理論物理課程（例如統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、粒子物理等）就更好了。但如果沒有學(xué)過也沒有關(guān)系，因?yàn)樯婕暗侥承┹^深的理論物理內(nèi)容時(shí)，我們會(huì)把有關(guān)的物理結(jié)果直接告訴讀者，并不要求讀者能夠?qū)@些結(jié)果的來龍去脈有系統(tǒng)深入的了解。另一方面，基礎(chǔ)天文知識(shí)的介紹也是必要的。這是因?yàn)?，我?guó)中小學(xué)從來沒有系統(tǒng)地講授過基礎(chǔ)天文知識(shí)，高校中也只有少數(shù)學(xué)校設(shè)有天文專業(yè)。因而在我國(guó)，天文知識(shí)的傳播主要還是靠報(bào)刊和電視等媒體，內(nèi)容零散，有時(shí)甚至并不準(zhǔn)確。反觀發(fā)達(dá)國(guó)家，中小學(xué)課本中就有許多有關(guān)天文的內(nèi)容，大學(xué)中設(shè)立天文系更是非常普遍。因此在一定意義上講，本課程是對(duì)中小學(xué)素質(zhì)教育、以及大學(xué)物理課程中現(xiàn)代知識(shí)不足的一種彌補(bǔ)。第1章概括介紹了宇宙各主要層次的觀測(cè)特征，包括太陽系、恒星、星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等。雖然很多基本知識(shí)一般讀者都了解，但也要注意到，仍然還有一些有趣的問題需要深入探索。例如在太陽系內(nèi)，為什么八大行星與太陽的距離分布那么有規(guī)律；為什么火星以內(nèi)的大行星（包括火星）表面呈固態(tài)，而火星以遠(yuǎn)的大行星表面都被厚厚的大氣所覆蓋，而且大氣的主要成分是氫和氦；太陽系是如何形成的；地球以及諸行星上的重金屬元素的起源，太陽系內(nèi)生命的起源等等。實(shí)際上，尋找這些問題的答案，也是人類航天探測(cè)考察任務(wù)的一部分。另一方面，在學(xué)習(xí)必要的基礎(chǔ)天文知識(shí)時(shí)，也要注意少而精，不要把本課程的學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單當(dāng)作業(yè)余天文愛好者的科普活動(dòng)，例如課下花很多時(shí)間觀測(cè)天象，甚至津津樂道于星座的故事，等等。本章還介紹了地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡和各波段空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展概況，以及太空飛船和航天器對(duì)太陽系幾十年來的考察結(jié)果。這些內(nèi)容表明，人類對(duì)宇宙奧秘認(rèn)識(shí)的不斷深入，有賴于觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新?？吹轿覈?guó)天文觀測(cè)和航天技術(shù)的成就，可以激發(fā)我們的民族自豪感；同時(shí)，對(duì)比世界先進(jìn)水平，又看到自己的差距，因而激勵(lì)我們更加努力地趕超。第2章有關(guān)恒星基本知識(shí)（例如星等、溫度、光譜型、赫羅圖，以及天體距離等基本參數(shù)測(cè)量等）的內(nèi)容，初看上去有些單調(diào)枯燥，但這些內(nèi)容對(duì)后面進(jìn)一步的學(xué)習(xí)是絕對(duì)必要的。恒星是宇宙結(jié)構(gòu)的最基本組元，是構(gòu)成宇宙大廈的沙粒，因此應(yīng)當(dāng)知道它們的基本參數(shù)是如何定義、如何測(cè)量的。這其中體現(xiàn)了人類認(rèn)識(shí)自然過程中的高度智慧，例如：那么遙遠(yuǎn)的宇宙星體，人們竟然也有辦法得知它們的溫度、化學(xué)成分、質(zhì)量、半徑等性質(zhì)；在天體距離的測(cè)量中，當(dāng)一種方法達(dá)到測(cè)量的極限，人們總是能夠想出另外的辦法，測(cè)量接下來的更遠(yuǎn)的距離。當(dāng)然，其中有些內(nèi)容是可以“不求甚解”的，例如恒星光譜型的成因，徹底搞清楚需要學(xué)習(xí)恒星大氣輻射轉(zhuǎn)移理論，而這對(duì)我們的課程來說是不必要的。第3章恒星的形成與演化是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。恒星由氣體星云逐漸凝聚成原始恒星、繼而核心附近點(diǎn)燃核反應(yīng)而成為恒星；質(zhì)量不同的恒星演化的最終歸宿，以及密近雙星演化的各種可能結(jié)局等內(nèi)容，需要讀者認(rèn)真學(xué)習(xí)和掌握。這些都是宇宙中的基本物理過程，而其中的主導(dǎo)因素就是宇宙中無處不在的引力。同時(shí)，恒星的演化還告訴我們，宇宙中的重金屬元素應(yīng)當(dāng)是越來越多，這就為最后一章宇宙學(xué)的觀測(cè)證據(jù)埋下伏筆。本章中金斯質(zhì)量、恒星結(jié)構(gòu)方程以及物態(tài)方程、簡(jiǎn)并壓等比較專業(yè)的內(nèi)容，對(duì)于選修的讀者是不必要的，可以跳過。第4章有關(guān)致密星的內(nèi)容一般讀者都會(huì)感興趣，特別是脈沖星、黑洞這樣的奇特天體。但如果要對(duì)這些天體作深入了解，就需要有廣義相對(duì)論以及致密態(tài)物理等專業(yè)知識(shí)，而這超過了本課程的要求。實(shí)際上，讀者只需要定性地知道一些主要的結(jié)果，例如白矮星、中子星的主要物質(zhì)成分和密度特征；脈沖星是旋轉(zhuǎn)的中子星，其脈沖輻射類似燈塔效應(yīng)；黑洞的視界相應(yīng)于逃逸速度等于光速，而現(xiàn)代黑洞理論使得黑洞不僅有了溫度，而且可以發(fā)出輻射；等。但對(duì)于學(xué)習(xí)本專業(yè)的讀者，還需要了解一些關(guān)于黑洞熱力學(xué)和黑洞量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，這些在本章中都有所介紹。第5章星際介質(zhì)只針對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的讀者。其重點(diǎn)為中性氫區(qū)與電離氫區(qū)各自的特點(diǎn)，射電21厘米譜線的產(chǎn)生及用途，星際分子對(duì)恒星形成的重要意義。第6章介紹星系的分類及主要特征，并闡明星系的相互作用與并合的重要性。這其中活動(dòng)星系核的觀測(cè)特征與輻射機(jī)制是一個(gè)重點(diǎn)，因?yàn)楹芏喔吣芴祗w物理現(xiàn)象產(chǎn)生于活動(dòng)星系核，它們也是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)研究所關(guān)注的重要對(duì)象。第7章宇宙學(xué)是本課程的又一重點(diǎn)，它介紹了現(xiàn)代宇宙學(xué)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)和演化的主要研究成果，即現(xiàn)代科學(xué)宇宙觀的概況。建立在人們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，宇宙應(yīng)該在空間和時(shí)間上都是無限的，不然就會(huì)產(chǎn)生“邊界之外是什么”和“時(shí)間開端之前怎么樣”等無法回答的疑難。然而，一系列的觀測(cè)事實(shí)卻與這樣的傳統(tǒng)觀念相矛盾。因此，就有了大爆炸宇宙論的提出。本章從宇宙學(xué)的主要觀測(cè)事實(shí)考查大爆炸宇宙學(xué)模型的合理性，介紹了幾何宇宙學(xué)與物理宇宙學(xué)的主要結(jié)論及其與觀測(cè)事實(shí)的對(duì)比，以及早期宇宙的演化簡(jiǎn)史。這些內(nèi)容對(duì)于專業(yè)學(xué)習(xí)的讀者是需要掌握的。但對(duì)于選修的讀者，其中涉及的不少數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)（特別是幾何宇宙學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型部分的數(shù)學(xué)推導(dǎo)）可以略去，讀者只要理解其結(jié)果的物理意義就可以了。重要的是，通