天体物理学的发展与历史物理学史期末论文.docx
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天体物理学的发展与历史物理学史期末论文
天体物理学的发展与历史
摘要：
在本学期学习《物理学史》课程以来，让我了解到很多物理学发展史，以及众多物理学家对物理做出的巨大贡献；了解到现代如此先进的技术都脱离不开物理学的高度发展，因此，物理学是科学技术的基础，是科技得以产生的基石。
他不仅推动着科学技术的发展，更成为人类社会发展的助燃剂。
在众多物理分支方面我比较感兴趣的就是天文学这一块，所以接下来我将介绍有关天体物理方面的发展。
关键词：
天体物理学粒子物理学宇宙学
（一）天体物理学的起源
从公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星光度起，中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体，绘制月面图，1655～1656年惠更斯发现土星光环和猎户座星云，后来还有哈雷发现恒星自行，到十八世纪赫歇耳开创恒星天文学，这是天体物理学的孕育时期。
十九世纪中叶，三种物理方法——分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究以后，对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系，天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科。
天体物理学是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。
多年来，随着世界人口的不断增加，资源不断的消耗，人们的生存环境日益缩减，资源也愈加匮乏。
越来越多的国家将希望寄托于地球外部的空间，这进一步促进了天体物理学的发展，理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步，几乎理论物理学每一项重要突破，都会大大推动理论天体物理学的前进。
二十世纪二十年代初量子理论的建立，使深入分析恒星的光谱成为可能，并由此建立了恒星大气的系统理论。
三十年代原子核物理学的发展，使恒星能源的疑问获得满意的解决，从而使恒星内部结构理论迅速发展；并且依据赫罗图的实测结果，确立了恒星演化的科学理论。
（二）天体物理学的分类：
天体物理学分为：
太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天体演化学等分支学科。
另外，粒子物理学射天体、电天文学、空间天文学、高能天体物理学也是它的分支。
（3）天体物理学在对外太空研究的作用：
对行星的研究是天体物理学的一个重要方面。
近二十年来，对彗星的研究以及对星星及物质的分布、密度、温度、磁场和化学组成等方面的研究，都取得了重要成果。
随着空间探测的进展，太阳系的研究又成为最活跃的领域之一。
银河系有一、二千亿颗恒星，其物理状态千差万别。
球状体、红外星、天体微波激射源、赫比格一阿罗天体，可能都是从星际云到恒星之间的过渡天体。
特殊行星更是多种多样：
造父变星的光变周期为1～50天，光变幅为0.1～2个星等；长周期变星的光变周期为90～1000天，光变幅为2.5～9个星等；天琴座RR型变星的光变周期为0.05～1.5天，光变幅不超过1～2个星等；金牛座T型变星光变不规则，没有固定的周期；新星爆发时抛出大量物质，光度急骤增加几万到几百万倍；有的红巨星的半径比太阳半径大1000倍以上；白矮星的密度为每立方厘米一百公斤到十吨，中子星密度更高达每立方厘米一亿吨到一千亿吨。
河外星系与银河系属于同一天体层次。
星系按形态大致分为五类：
旋涡星系、棒旋星系、透镜型星系、椭圆星系、不规则星系。
按星系的质量大小，又可分为矮星系、巨星系、超巨星系，它们的质量依次约为太阳的一百万到十亿倍、几百亿倍和万亿倍以上。
同银河系一样，星系也由恒星和气体组成三、五个、十来个、几十个以至成百上千个星系组成星系集团，称星系群、星系团。
通过各种观测手段，人们的视野扩展到150亿光年的宇宙“深处”。
这就是“观测到的宇宙”，或称为“我们的宇宙”，也就是总星系。
研究表明，宇宙物质由化学元素周期表中近百种化学元素和289种同位素组成。
在不同宇宙物质中发现了地球上不存在的矿物和分子。
（四）由天体物理学而兴起的粒子天体物理
天休物理学和基本粒子物理学之间正在形成一种互相促进、共同发展的关系:
天体物理学的观测结果有助于阐明基本粒子的性质,而粒子理论及其实验技术又可用于研究宇宙的各个组成部分并探讨宇宙的起源。
粒子物理以基本粒子为研究对象，研究尺度范围小于10-13cm，质量范围小于10-23g；而宇宙学的最小研究对象是星系，尺度范围大于1019cm，质量大于1039g。
随着现代宇宙学的发展，在这个从任何角度相比，都异乎寻常的悬殊的两个学科之间，人们发现了它们的联系。
如果说热大爆炸宇宙学使这两个学科相遇，那么暴胀宇宙学又使它们紧密地结合起来。
近十几年来，随着粒子物理学的发展，随着宇宙学日臻成熟，两个学科间的联系也日益频繁与深化起来。
在过去几年里，两门学科分别建立了自己的标准模型。
在粒子物理学中，标准模型是各种夸克和轻子之间，强、弱和电磁相互作用统一的规范理论。
它把量子色动力学（QCD）和格拉肖-萨拉姆-温伯格模型结合到一起，成功地解释了基本粒子实验得出的全部结果。
然而，这一模型也有许多尚未解决的问题，例如，为什么夸克与轻子有三代的划分，三代间的质量为什么如此悬殊，有没有第四代？
标准模型预言的顶夸克（t）至今还没有得到肯定，此外，弱电作用的破缺机制是什么？
有无新一类的强作用？
超对称的伴随粒子、基础费密子的内部结构如何？
等等。
在众多的悬而未解问题之中，最重要的当属标准模型所预言，并赖以生存的中性、大质量标量粒子——黑格斯（Higgs）子尚未找到。
标准模型需要这个耦合强度正比于耦合粒子质量的标量粒子，因为这样可以克服高能发散问题，使标准模型成为可重正化的理论。
然而，解决上述问题难以依靠人工加速器完成。
原计划1995年建成的美国超导质子-质子对撞机（SSC），周长80km，质心系能量为40TeV，亮度为1033cm-2s-1，在这样高能量、高亮度条件下，肯定能对弱电作用的破缺机制做出肯定或否定的回答，还有可能发现新一类强相互作用、超对称伴随粒子，甚至有可能发现有关基础费密子的内部结构的线索，因此，SSC对撞机的建成肯定会对标准模型的各种问题给出解决的途径，因而受到全世界粒子物理学家的关注。
然而，尽管SSC对撞机本身的技术条件已十分成熟，尽管历年来，已调集了美国及全世界各地的研究力量，并投入了可观的预研费与建筑经费，最后，仍然囿于资金的困难而被迫停建。
即使没有资金的限制，人类所居住的地球线度也是有限的。
SSC这一计划中，能量最大的超导对撞机周长是80km，能把粒子加速到104GeV，而在地球上，充其量能制造的加速环周长为40000km，充其量也只能把粒子加速到108GeV，这与解决标准模型的问题、验证大统一理论的需要，还差有12个数量级。
在这种情况下，人们很自然地把目光转向了宇宙。
看来，能不断地产生能量高到足以检验四种基本作用统一的理论，唯一的加速器就是宇宙自身。
根据热爆炸宇宙学的推算，宇宙大约在150亿年前，温度极高，KT/c2大于普朗克质量Mp（Mp约为10-5g），密度ρ超过Mp/lp3，lP为康普顿长度，等于史瓦西半径（约为10-33cm），普朗克质量所对应的能量MPc2大约为1019GeV，因此，在粒子平均质量超过普朗克质量时，四种基本作用才能统一。
虽然1010年前所发生的过程不可能重现，但是从人们对极早期宇宙的研究和考察中，过去所发生的过程会在现今宇宙中留下遗迹。
因此，从中抽取有用和可靠的信息，以对粒子物理中的有关理论做出制约和鉴别，仍是极有价值的。
问题的另一方面来自于宇宙学中的标准模型。
由于引力的量子效应，宇宙标准模型只能追溯到t=10-40s，T=1030T，即能量1017GeV的范围。
在给出的这个标准模型的初始条件时，却发现了一系列的疑难，其中比较有名的就是前述的平直性问题、视界问题、重子不对称及磁单极子问题。
暴胀宇宙论、新暴胀宇宙论以及混沌暴胀宇宙论等一系列学说，实际上就是粒子物理学中弱电统一理论成就上建立起来的。
此种条件下，通常的广义相对论已不再适用，取而代之的应为量子化的引力场理论。
宇宙学必须借助于粒子物理理论解释宇宙图象，而粒子物理理论则把宇宙作为检验自己的天然实验室。
显然，如果这两大学科不相互结合，都不可能获得完整的理论。
八十年代出现的粒子天体物理学是一门结合了高能天体物理学:
宇宙学和粒子物理学的新学科。
这门集实验、观测和理论于一身的新学科涉及的范围很广。
例如研究宇宙中暗物质的本性
寻找太阳和超新星发射出的中微子,寻找中子星附近存在高能加速机制的证据,以及验证下面这样一种说法:
宇宙最初时刻的量子涨落和拓扑奇点对于形成我们今天所看到的延伸数亿光年的巨大合作建成的大规模空气族射观测阵列突出地说明了粒子物理学和天文学的这种耳相促进、共同发展的关系。
这个观测阵列包括两个部分,一部分是设置在地面上的1089个闪烁体,用于搜寻来自天体的能量高达10^14电子伏的伽玛射线,另一部分是设置在地下的。
μ子探测器,它的作用是把伽玛射线与质子及宇宙线中的其它强子区分开来,此外它也可用于搜寻这些超高能伽玛射线在于地球大气碰撞时可能产生的反常类强子行为
虽然在过去的天文学和天体物理学巡天观测活动中曾对粒子天体物理学给予了某些考虑但现在这次观测则是首次有一个粒子天体物理学研究小组正式参与的观测活动。
该小组负责三个领域的工作:
粒子物理学和宇宙学;粒子物理学和恒星物理学,高能天体物理学（包括超高能伽玛射线在宇宙线中的存在等。
）
下面介绍下粒子物理学和宇宙学的联系早期宇宙的物理特性与极高能下的粒子物理学密切相关。
在寻找宇宙学的下列基本问题的答案时,这两者是无法区分开的。
这些问题包括:
无所不在的暗物质的本性是什么?
物质的数量为什么大大超过反物质的数量?
宇宙为什么会如此光滑,如此平坦,年龄会如此之大?
另一方而,宇宙也不是完全光滑的。
那么,导致星系最终形成的宇宙不均匀性的起源又是什么呢?
宇宙学上的观测结果又给粒子物理学的统一理论加卜了根本性的限制。
这类观测可能早有关极高能（高达10^2电子伏）下的物理学的唯一信息源。
物理学家们认为,在这样高的能量下各种不同类型的粒子相互作用将会趋于统一。
在当前,暗物质何题是说明粒子物理学和宇宙学相互依存关系的最好例子。
根据数十年的天文观测结果,科学家们现在深信宇宙中的大多数物质是不发光的、透明的。
宇宙学上的各种证据都表明,暗物质很可能不是通常的重子物质（即中子和质子）。
如果暗物质不是重子的话,那么它就有可能是宇宙早期阶段残留下来的粒子。
现在理论家们认为着三种粒子的可能性最大,
即中微子,轴子和“相互作用很弱的大质量粒子”（WIMP）。
正如存在一个其谱特性为2.7开氏度黑体辐射谱的宇宙光子背景一样
也存在一个类似的宇宙低能中微子背景。
电子中微子的质量上限现在定为10电子伏左右。
但是如果三种已知的中微子（即电子中微子,抖子中微子和林子中微子）中有任一种的质量在30电子伏左右的话,那么它的质量就可以解释所有暗物质的起源。
由于现在还没有研究出可靠的方法来直接探测宇宙中的中微子,因此我们不得不在实验室中寻找不为零的中微子质量。
轴子是一种理论上假设的膺标量粒子,其质量非常之小，理论家们设想出这种粒子是为了保持因基本粒子的强相互作用所造成的CP对称性破缺。
轴子与通常物质的相互作用仅比引力相互作用稍强一些。
但是,实验工作者们现在已使观测仪器的灵敏度达到了发现轴子所需的灵率度的三百分之一左右。
弱相互作用大质量粒子是暗物质的质量较大的候选粒子的一般类型。
科学家们认为这类粒子曾与早期宇宙中的其它物质处于热平衡状态。
如果这类粒子的丰度恰好是达到宇宙学家们所主张的暗物质密度所必需的丰度,那么就可以证明它的相互作用截面必定等于通常的弱相互作用的截面。
这种相似性可能纯属巧合,但可能也是给科学家们以启发的一条非常宝贵的线索一一它表明,在传递弱相互作用的中间矢量玻色子的大质量尺度上（约100千兆电子伏）起作用的物理学很可能也适用暗物质。
例如,暗物质可能是由重中微子或“中性微子”构成的。
（中性微子是“超对称”理论所预测的一类稳定的粒子。
）从原则上说
弱相互作用大质量粒子可以通过当它们被实验室中的靶原子核所散射时产生的反冲作用直接探测出来,但这需要极其灵敏的探测仪器,而且这类仪器必须有非常良好的排除放射性背景的性能
。
现今采用离子化方法的探测器所定下的限度已经排除了暗物质是由通常类型的狄拉克重中微子构成的这样一种可能性。
但是为了进一步探寻中性微子,实验工作者们还必须再把仪器的排除背景干扰的能力提高二至三个数量级。
这一改进最终可能采用以超导体中的声子或其它激发态的探测为基础的新技术来实现。
一些小型的低温检测器最近已得了令人鼓舞的结果。
奇异的暗物质粒子在湮没或衰变时会产生较为普通的粒子,因此我们也可以通过搜寻这类普通产物来寻找银河系中的暗物质粒子科学家们推测的其它一些早期宇宙残留粒子即使不符合暗物质的条件,在宇宙学上仍然可能具有重要意义。
例如,“马克罗”探测器（MACRO,意大利的一座地下实验室中的一个有足球场那么大的探测器）目前正在寻找磁单极子。
（五）天体物理研究的方法论
用物理学的技术和方法分析来自天体的电磁辐射，可得到天体的各种物理参数。
根据这些参数运用物理理论来阐明发生在天体上的物理过程，及其演变是实测天体物理学和理论天体物理学的任务。
天体物理学从研究方法来说，可分为实测天体物理学和理论天体物理学。
前者研究天体物理学中基本观测技术、各种仪器设备的原理和结构，以及观测资料的分析处理，从而为理论研究提供资料或者检验理论模型。
光学天文学是实测天体物理学的重要组成部分。
后者则是对观测资料进行理论分析，建立理论模型，以解释各种天象。
同时，还可预言尚未观测到的天体和天象。
（六）天体物理对人类今后的影响
天体物理学的发展，促使天文观测和研究不断的出现新成果和新发现，使天体物理学不断向广度和深度发展。
理论物理学中的辐射、原子核、引力、等离子体、固体和基本粒子等理论，为研究类星体、宇宙线、黑洞脉冲星、星际尘埃、超新星爆发奠定了基础。
天体物理学的发展也进一步促进了理论物理学的发展，天体物理学对人类社会发展的重要性日益增加。
世界各国对天体的研究越来越注重，改革开放以来，特别是近些年来，我国先后发射各种人造卫星包括神舟系列卫星，嫦娥系列卫星等，对太阳系天体进行实地采样和分析，以及尚在努力探索中的引力波观测，目前关于天体的信息都来自电磁辐射。
通过对辐射谱线的分析，可以得到关于天体表面温度、质量以及内部结构、地理状况等许多信息，还可以测量天体与地球的距离。
各种各样的恒星，为研究恒星的形成和演化规律提供了样品。
另外，天体上特殊的物理条件，在地球上往往并不具备，利用天体现象探索物理规律，是天体物理学的重要职能。
可以在外空间对特殊材料进行加工、合成，也可以在外空间进行生物变异处理，产生多种多样的物种，来提高人们生活质量。
通过天体物理学，对各种天体进行研究，不仅使人们愈来愈深入地了解宇宙的结构和演化规律，同时也促使物理学在揭示微观世界的奥秘方面取得进展，对未来发展有着十分重要的作用，几乎涉及到人类生活的各个方面。
首先，地球目前正面临着能源匮乏问题，通过对外空间探索，我们或许能找到新能源来缓解地球能源问题。
热核聚变概念是在研究恒星能源时提出的。
其次，人们对外空间探索，也是希望能找到类地球环境，期望地球人能搬到外空间生存，来解决人口爆炸问题。
地球上出现过许多次的UFO，USO事件，世界各国都希望能探索到外星文明，彼此可以做进一步的交流，以此来解决地球上的许多问题。
最后，通过天体物理学对外星进行探索可以促进各个学科的发展。
六十年代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射，促进了高能天体物理学、宇宙化学、天体生物学和天体演化学的发展，也向物理学、化学、生物学提出了新的课题。
努力学习天体物理学来进一步发展人类文明，创造更加美好的未来！
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