作者:朱广菁 始自伽利略的天文丰碑 记者 朱广菁 400年前,伽利略第一次将望远镜指向天空。这一开创性的伟大壮举,将天文学研究从视觉观测发展到利用工具观测,不仅扩展了观测范围,亦使天文观测的精度大为提高,从而开启了天文学观测的新时代。400年来,从光学望远镜到射电望远镜、空间望远镜,这些科学仪器的发展使人类的视野从光行走一小时距离的太阳系,扩展到几十万光年的银河系,直至百亿光年尺度的宇宙深空。 伽利略第一次将望远镜指向天空意味着什么?此后随望远镜技术的发展,人类具有里程碑意义的天文发现又有哪些?“2009国际天文年”即将来临之际,中科院院士、中科院紫金山天文台研究员陆埮,应邀接受本报记者电话采访和书面采访。 1609年秋,意大利科学家伽利略,将荷兰人利帕什发明的放大率仅两三倍的放大镜筒改造成放大率为30倍的望远镜,第一次将其对准天空,人类不曾见过的天象奇观即刻呈现眼前:银河系由无数星体组成,月球表面并不平整,木星周围环绕4颗卫星,太阳有黑子,金星有盈亏…… 人类“走”出太阳系,将视野投向银河系的恒星世界。 恒星世界是天文学研究最为系统的一个领域,这当然包括太阳--它是距人类最近的一颗恒星。恒星能源研究获得的成就,是第一个获得诺贝尔物理学奖的天文项目。 1938年,美国物理学家贝特提出核反应理论,其中包括恒星能量来源问题。他认为太阳中心温度极高,太阳核心的氢核聚变生成氦核,其释放的大量能量成为太阳光和热的源泉;“质子-质子链”和“碳氮循环”中的一系列核反应,足以提供恒星的辐射能量。 通过望远镜,再配以光谱仪,就可以测量天体上的元素,了解恒星的一些成分。这个研究把恒星演化与元素起源联系了起来。20世纪50年代,博比奇夫妇、W.A.福勒和霍伊尔提出了恒星元素起源的学说,使恒星演化得到了很大的发展。现在已经知道,恒星演化最终有三个归宿,即:白矮星、中子星和黑洞。苏布拉马尼扬?钱德拉塞卡还给出了白矮星的质量上限。由此,福勒和钱德拉塞卡荣获1983年诺贝尔物理学奖。 20世纪20年代,天文学界发生的一场大争论使人类“走”出银河系,将视野投向广袤的星系世界:一些旋涡星云,究竟是银河系内由气体组成的星云还是银河系外与银河系同级由恒星组成的星系?美国科学家爱德温?哈勃于1924年使用美国威尔逊山天文台2.54米望远镜观测的结果证明:这些旋涡星云,实际上是银河系外另一些“银河系”,称河外星系或简称星系,当然亦有一些其他形状的星系,如椭圆星系等。从此,人类观测的星系达千亿个以上。 1929年,哈勃用同一架望远镜观测更远一些的星系,发现它们的谱线波长长于该谱线的标准波长,这种谱线波长的相对增长量被称为红移,与距离成正比。这个现象说明:观测到的波长长于发出时的波长,正是宇宙膨胀的表现,是宇宙学最重要的特征。这一发现在天文学上具有头等重要的意义。 1946年~1948年,美籍俄裔科学家乔治?伽莫夫,从宇宙膨胀得到启发提出大爆炸宇宙学。根据这个学说,人们可明确地算出,宇宙在诞生后仅3分钟时即经历了一个氦合成时代,产生了4种产物:氘、氦-3、氦-4、锂,它们成为今天用以证明宇宙最初3分钟的“考古文物”;而在宇宙诞生38万年时,又经历了另一个重要过程即质子与电子复合成氢原子的过程,亦留下一件“考古文物”,那就是微波背景辐射。这些“考古文物”均被今天的观测所精确证实。 传统的天文学是看天并解释星光带来的信息,然而太空天体并非只发出可见光,除此还有其他波长的辐射,其中天体的无线电波即射电波,可到达地表,成为除可见光以外的第二个地面观测窗口。20世纪40年代第二次世界大战结束之后,射电天文学迅速发展起来并取得一系列重要发现:星际分子、类星体、脉冲星、微波背景辐射等,都是研究可见光之外的辐射而获得的天文学成就,号称射电天文的四大发现。第一个发现射电波的是美国一位青年工程师央斯基。现在,射电强度的单位就是以央斯基的名字命名的。 值得注意的是,这射电四大发现之一的脉冲星就是上面说到的中子星的一种表现形式。脉冲星的观测不仅大大加深了对中子星的了解,而且它还提供了一个极为精确的定时信号,可用来研究引力波等重大基础物理问题,还有导航等高新技术应用价值。科学家研究脉冲星已经两度获得诺贝尔物理学奖(A. Hewish,1974;R.A. Hulse, J.H. Taylor, 1993)。而射电四大发现的另一个,即微波背景辐射,是确认大爆炸宇宙学的最强的证据,研究者因它也曾两度获得诺贝尔物理学奖(A.A. Penzias, R.W. Wilson, 1978; J. Mather, G. Smoot, 2006)。 脉冲星首先是由安东尼?休伊什的女学生乔瑟琳?贝尔发现的,她发现了一个非常稳定而又奇怪的脉冲信号,经与导师休伊什多次讨论,认为它是由一个新的天体发出的。在排除了一切其他可能性之后,剑桥的天文学家们最终确定这是一种奇特的天体,并称之为“脉冲星”,公之于世。后来,胡尔斯和泰勒发现了一个双中子星状态的脉冲星,并对其坚持了近20年的精确观测,给出了暗示引力波存在的证据。 微波背景辐射首先是由阿农?彭齐亚斯和罗伯特?威尔逊在1964年~1965年偶然发现的。他们原是为了降低天线的噪声,改善其性能,却无意中发现了微波背景辐射。由于天线灵敏度不高,他们测出微波背景辐射各个方向上的温度是一样的。但是,要完全解释今天观测到的宇宙恒星、星系的分布结构,各个方向上的温度应该有约十万分之一的差异。后来,约翰?马瑟和乔治?斯穆特用COBE卫星上的仪器,确实观测到了这十万分之一的温度差异,并由此而获得了诺贝尔物理学奖。遗憾的是,提出大爆炸宇宙学并预言微波背景辐射的伽莫夫,因为早逝而未能获奖。 现代天文学的视野已经远远超出了可见光和射电等地面观测设备所及的范围。由于空间技术的发展,人们不仅把地面上的光学望远镜等送入太空,如哈勃望远镜,大大改进了观测能力,而且,还把X射线、伽马射线等的观测设备送入太空,发展成了全波段天文学。正因如此,今天的天文学有了突飞猛进的发展。 10年前,由利斯等人组成的和帕尔莫特等人组成的两个小组,利用Ia型超新星作标准烛光,发现了宇宙正在加速膨胀。此前,几乎所有人都认为宇宙膨胀一定是减速的,因为万有引力对膨胀只起减速作用。宇宙加速膨胀这一发现表明,要么存在斥力,要么存在暗能量即负压强的物质。这无论对天文学或者物理学,都将引发重大变革。 这些里程碑式的重大成就,造就了今天的精确宇宙学时代,不仅协调给出了宇宙学主要参数的精确值,而且明确给出了宇宙中3种物质成分的定量组成:可见物质(通常物质)占4%、暗物质占22%、暗能量占74%。 人们突然发现,人类已经认识的所有物质,竟然只占4%,宇宙中还有96%的物质人类还一无所知!未知的海洋还在我们面前! 背景新闻 “2009国际天文年”,由国际天文学联合会和联合国教科文组织共同发起, 主题是“探索我们的宇宙”。 2003年7月,在澳大利亚悉尼举行的国际天文学联合会会员大会上,与会代表以投票方式一致通过向联合国申请将2009年定为国际天文年的决议;2005年10月,联合国教科文组织同意并支持这份提案;2007年12月20日,联合国宣布:2009年为国际天文年。 来源:《大众科技报》 开普勒定律:近代天文学基石
约翰尼斯?开普勒是最伟大的科学家之一, 或许只有同时期的伽利略可与之媲美,而后只有牛顿超越了他。 他发现的行星运动三定律,使得哥白尼的日心说不再是“数学天文学”意义上的假设,而成为与实体对应的“物理天文学”假说,从而真正确立了日心说。 开普勒行星运动三定律是怎样诞生的,对后世的影响与启示又是什么?中国科学院自然科学史研究所研究员、中国古天文联合研究中心主任孙小淳博士,近日应本报记者之邀发表见解。本月中旬,孙小淳博士将赴法国巴黎参加2009国际天文年专题论坛并发表演讲。 1600年,年轻的德国天文学家开普勒来到捷克西部山城布拉格,成为第谷?布拉赫的助手。 第谷将毕生观测数据交予开普勒,希望他继续编制世界上最精确的行星运行表。第二年第谷与世长辞。具有深厚数学功底的开普勒经多年研究后发现,依据哥白尼理论,这些浩繁的数据可归纳为描述行星运动的3条简单明晰的定律: 1.行星沿椭圆轨道绕太阳运动,太阳位于椭圆的一个焦点上(每个椭圆都有两个焦点);2.连接太阳和行星的线段,在相等的时间内扫过相等的面积;3.行星绕太阳运动,椭圆轨道平均半径的立方与周期的平方成正比。 这3条定律对太阳系中所有的行星都适用,当然包括地球;根据这3条定律,可通过数学计算,预报行星在天空中的位置,而且预报与观测结果十分相符。开普勒的发现,确立了哥白尼学说在科学史上的地位。 最初,哥白尼的日心说认为:行星是在做完美的圆周运动,行星轨道中心并非太阳本身而是太阳附近一个抽象的点。开普勒彻底抛弃了传统的圆形轨道假定,认为行星是绕太阳作椭圆运动,并且太阳本身就位于一个焦点。 早在大学学习时,开普勒即对托勒密与哥白尼体系进行过深入对比研究。1596年,他发表《宇宙的神秘》一书,试图用5个正多面体模型解释:为何只有包括地球在内的6颗行星,为何其轨道恰恰是这样的比例和尺度。后来,他在布拉格倾心于火星运动特征与规律探索,并称此为“火星之战”。他认为火星距地球较近,轨道偏心率较大,其运动最捉摸不定,而这是研究行星运动问题的难点。 起初,开普勒仍按传统观念,以圆形求证火星轨道。然而,最大误差为8角分的计算无法与第谷观测数据相合;后来他改用椭圆计算火星轨道,于此进行了大量冗长的计算——每改变一个假定,就要计算40多组数据。在计算机尚未诞生的时代,其困难可想而知。当开普勒发现第一定律即椭圆轨道定律时,他兴奋无比,在图解上配以胜利女神图案。椭圆轨道虽然不如圆形完美,可在这之前他已发现了第二定律即等面积定律,这符合简单完美的原理,令开普勒非常满意。 1609年,开普勒出版《新天文学》一书,发表了上述两个定律。不同于一般学术著作,此书详尽地记录了他在“火星之战”中提出的假设,及其经历错误、失败、挫折直至最后胜利的过程。 此后经过长期繁复的计算以及无数次失败,开普勒最终发现了第三定律即周期定律,他于1619年出版《宇宙谐和论》一书发表了该定律。 自此,开普勒证明了他在青年时代就认定的大自然是按简单完美的数学之美创造世界的信念,而且这些定律是建立在第谷精密的观测数据之上;后来牛顿用万有引力定律加以推导,使开普勒定律不再是数学上的猜想而是伟大的科学发现。可以这样说,是伽利略将行星运动三定律从天上“拉”到地上构筑地上的力学,而牛顿又将伽利略地上的力学运用到天上,用一个普适的力学描述天体运动,并最终证明了开普勒定律。伽利略的新物理学、开普勒的天体数学谐和论和物理天文学,加之牛顿的物理学数学原理,构成了近代科学最美丽的乐章,奠定了经典力学基础。 后来,开普勒式科学研究方法成为近代科学主要探索方法之一。18世纪70年代,德国的提丢斯和波得提出提丢斯-波得定则,即行星到太阳的距离近似满足一个数列。1781年赫歇耳发现天王星差不多恰好处在该定则所预言的位置;按照定则,在火星和木星之间应有一颗行星,1801年,意大利天文学家皮亚齐果然在这个距离上发现了小行星谷神星。 如今已不称作“行星”的原第九颗行星冥王星,当初发现时曾证明牛顿天体力学的神奇。1846年海王星被发现后,人们发现其轨道受到较明显摄动,应当是由另一颗行星引力影响所至。用牛顿力学可推算其所处位置。1930年,美国的汤博终于在预测的天区观测到冥王星。应当说,这是天体力学的重大胜利。 开普勒的科学思维方法,不同于当时逐步居主导地位的机械论和归纳法。他的灵感来自哲学的信仰,他的方法是凭直觉假定模型,尔后再用观测数据不断加以验证。对于这种方法,人们今天可能会斥之为数字神秘主义,然而科学发现本无定则,方法和途径原本就很多。真正伟大的发现必然来自跳跃式想象。开普勒就具有无与伦比的精巧推理和数学洞察力;此外还由于他坚定的信念、永不言败的精神和严密谨慎的工作。当开普勒立志要发现一个普遍法则后,他从来没有迷失方向,他的想象力无约束地沉浸在各种假说的创造之中,然后他用最严密的数据加以检验,亦从不放过一点差错,直至发现这些优美而深奥的定律。 回顾这段科学史,对启发今人科学思维与科学方法仍具重要意义。科学发现往往系由煽动两翼导致,一翼是直观的思维、跳跃的想象和大胆的假设,而另一翼则是经验的归纳、严密的推论和严谨的验证。回顾伟大科学家走过的道路,有益于人类面向未来寻找达到顶峰的途径。(大众科技报) |
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