5、时空弯曲的天文学依据详解
5、时空弯曲的天文学依据
对于广义相对论，Einstein在实验证据不足的情况下是十分自信的,他曾这样说过：“当1919年日蚀证明了我的推测时，我一点也不惊奇。要是这件事没有发生，我倒会非常惊讶。”爱因斯坦预言：遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。现代天文学观测到：在两张重叠的底片上可以清晰地看到一条笔直的星光在穿过阴影中的太阳时，竟然发生了偏转，偏转角是1.7秒。
Einstein在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。以后,每逢日全食都进行了观测，但由于种种不确定的因素,光学测量精度的提高受到了限制。1973年，光学测量所得偏转角同理论值之比为0.95±0.11。60年代末，由于射电天文学的发展，使人们有可能用高于光学观测的精度来测量太阳引起的射电信号的偏折。这类观测所得偏转角同理论值之比在1975年已达到约1±0.01。有人早已通过测量人造卫星中悬浮陀螺的进动，来验证广义相对论。70年代初，又有人通过测量对遥远行星的雷达回波的方式检验了广义相对论。70年代末，几家大天文台同时报道采用射电天文学的方法测量某些类星体发出的射电信号经过太阳的弯曲程度，大大提高了检验光线偏折的精度，对广义相对论提供了新的实验支持。意大利和美国的两位物理学家最近发现了一对人造地球卫星的“Einstein弯曲效应”。1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生赫尔斯，用305米口径的大型射电望远镜进行观测时，发现了脉冲双星，它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行，周期只有0.323天，它的表面的引力比太阳表面强十万倍，是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。经过长达十余年的观测，他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。由于这一重大贡献，泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。
根据Einstein广义相对论的预言，地球会弯曲周围的时间和空间，因此使地球卫星的轨道发生微妙的变化。两位物理学家通过对人造卫星上亿个位点数据的仔细研究，最终发现这种极细微的效应。据意大利莱切大学的库夫里尼(Ignazio Ciufolini)和美国航空航天局戈达德航天中心的帕乌里斯(Erricos Pavlis)介绍，他们的数据分析有10%的误差，但已足以证实Einstein的地心引力理论(Einstein将地心引力解释为一种时空弯曲效应)。此次实验涉及的两颗卫星(名叫LAGEOS和LAGEOS2)并未装载什么仪器，外形呈球状，表面覆盖许多小的反射镜。利用这些反射镜对激光束的反射能够非常精准地测定卫星的位点数据。两位物理学家在《自然》杂志上发表了相关文章，他们还表示，希望应用新的“重力探测B”
卫星可将误差减少到1%左右。这种卫星通过装载的陀螺仪来探测时空弯曲效应。近几年来，由于空间探测技术的发展，使人们对广义相对论的验证又取得了新的进展。1997年 11月初，在美国天文学会于科罗拉多洲埃斯特帕克举行的会议上，科学家们宣布，他们所发现的证据证实了Einstein广义相对论作出的一个奇妙的预言。两个天文学家小组观测到这样的显示信号，即致密天体，例如中子星，由于它们的自转能吸引附近的空间与时间围绕它们一同转动。这种现象被称作“框架拖曳”。加州理工学院天体物理学家基普·索恩说，这是对Einstein思想的一个极其重要的检验。除了对引力波的直接探测外，框架拖曳也许是最重要的一种效应了。Einstein曾表明，任何一个自转着的天体，由于它的转动，都会拖曳空间与时间。不过，效应是如此微弱，以致仅当空间与时间能靠近一个具有强大引力场的天体，例如中子星或黑洞时，它才能被观测到。当有一颗恒星围绕这样的致密天体运行时，天体的强大引力可以将物质从恒星上吸引出来，并使物质形成一个以天体为中心的不断扩展着的圆盘。当圆盘上的物质不断地向着天体增加时，物质会变热井辐射出X射线。如果撇开广义相对论，你可以预言，以致密天体为中心向外看，则圆盘在所有方向均会保持相同的形状，但是框架拖曳改变了这一情景，它导致圆盘上物质运行的轨道围绕着天体的自转轴并以轴为中心发生脉动。由马萨诸塞理工学院崔伟领导的小组通过观测若干围绕某些可能的黑洞旋转着的圆盘的运动情况而寻找到这一效应。由意大利罗马天文台路易吉·斯特拉领导的另一小组通过对15颗中子星的观测，也取得了相同的结果。两个小组均利用美国航空与航天局发射的罗西X射线同步辐射卫星对圆盘辐射出的X射线强度作了测量。两个小组的观测表明，圆盘辐射出的X射线亮度的变化以某种方式暗示，每个圆盘确实在脉动着。“你可以看到X射线辐射区域面积的变化”，崔说“脉动程度与预言相一致。这里有着某种效应，它对我们产生了极大的刺激”，斯坦福大学物理学家引力探测B计划——通过放置在轨道上的陀螺仪，卫星将能探测到拖曳效应——实施者弗朗西斯·埃弗特说。“不过，上述两个小组的观测，还没有得到定量的结果”，他说，埃弗特希望引力探测B计划能够揭示效应的强度。科罗拉多大学米奇·别格斯利曼认为，进一步的观测是必要的。“要使明智的学者们毫不怀疑地相信它是困难的，这里要求对准圆盘或它转动时发出的闪光”，他说，“不过，如果效应得到确认，那么，它将是一个极其重要的发现。”
光线在不均匀引力场中（特别是在大质量物体附近）的传播方向因其受引力作用而改变。这种效应已经被很多天文观测所证实。另外，如果在发光的天体与地球之间存在强大的引力源，光线偏折效应可以产生该天体的“像”，那么我们看到的不再是一个天体而是两个（或两个以上）相似的天体（“引力海市蜃楼”）；这种强大的引力源被称为引力透镜。第一
个引力透镜现象是在1979年发现的。 1988年发现有四个类星体的“引力海市蜃楼”，后来还找到了包含更多像的“引力海市蜃楼”。由于星系的空间区域大，星系的像会呈弧形或圆环。至今已经观察到了很多“引力海市蜃楼”事例。
附录：1、[路透社华盛顿2004年10月21日电] Einstein又一次被证明是正确的。美国航天局今天说，由各国科学家和大学研究人员组成的研究小组首次发现了地球自转时拖曳周围时空的直接证据。美国航天局说，这一发现首次直接测出并证明Einstein广义相对论的一个重要方面——一个旋转的天体能使组成三维空间以及第四维时间的“结构”发生偏转和扭曲。美国航天局物理学家迈克尔·萨拉蒙说：“地球在旋传时确实在拖曳时空。离地球越近，扭曲的幅度就越大。”“时空的这种扭曲，也称框架拖曳，以前从未直接观测到过。”“这是首次找到真实、有力和直接的证据，说明旋转天体能拖曳时空。”美国航天局的佩里科斯·帕夫利斯等人在观察了绕地球旋转的两颗卫星后发现，它们的确随着地球拖曳空间发生了偏转。帕夫利斯说：“我们以毫米的精确度测量了地球与卫星之间的距离。”他们的研究结果刊登在《自然》杂志上。两颗激光地动卫星LAGEOS Ⅰ和LAGEOSⅡ的外部都覆盖有反射罩，这样就比较容易从地面进行跟踪和测量。它们的蝶形轨道是为了模仿旋转回转仪的运动。Einstein的理论认为，附近一个喜旋转的天体——比如地球——会拖曳空间，使得回转仪轻微偏离轴线。帕夫利斯说，还没有证据证明没有其他力作用于卫星，不过这种情况的可能性不大。他说：“那必须是一种灵巧的、恰好与广义相对论相似的力。”“我们已经排除了已知的所有的力——如潮汐等等，还有引力模型的误差。” 帕夫利斯将这种作用比喻成在蜜罐子里搅动的勺子。“与其类似，当地球旋转时，它会拖动周围的时空，这就会改变绕地运行的卫星轨道。” 萨拉蒙说，以前也有过框架拖曳的间接证据，但这是首次直接测量的结果。今年四月，美国航天局发射了携带有4个回转仪的“引力探测器B”。科学家说，等明年它的探测结果出来后，就能用更高的精确度证明Einstein的理论。
美国科学家10月21日表示，稍稍脱离轨道的卫星显示，地球自转时的确在扭曲时空构造。他们称，这是首次直接测量到并证实了Einstein广义相对论的一个重要层面-旋转天体会使由三维(度)空间和四维时间构成的时空结构产生扭曲。图为奋进号太空梭2002年6月15日在地球上空飞行的资料照。
2、经过45年酝酿和开发，耗资7．5亿美元的美国“引力探测器Ｂ”卫星，2005年20日下午从加利福尼亚州范登堡空军基地成功升空，这项美国宇航局历史上耗时最长的探测计划的使命，是以前所未有的精度对Einstein 1916年提出的广义相对论进行验证。“引力探测器Ｂ”将对广义相对论的两项重要预测“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”进行验证，主要采用4个超高精度的回转仪，来测量地球自身质量以及自转给回转仪所处时空造成的弯曲和扭曲效应。卫星将主要在距离地球约640公里的极地轨道上运转，其探测预计将持续一年半左右。在探测开始时，4个回转仪自转轴和卫星上的一台望远镜的方向同时对准一颗遥远恒星。按照理论假设，随着时间推移，回转仪自转轴会因地球的“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”而分别发生偏移。通过测量偏移情况，就可以“看到”地球对其周围时空到底产生了什么样的影响。这种影响将是非常细微的。科学家们说，回转仪自转轴偏转的角度之小，就好比是从400米之外去看人的一根头发丝。
3、最新时空观测结果证实爱因斯坦相对论合理性
NASA费米空间望远镜观测到的剧烈爆炸
据美国太空网报道，美国航天局“费米伽马射线空间望远镜”在一年来的观测中，发现了最新的高能光线，从而证明了爱因斯坦关于光速理论的正确性。
费米空间望远镜是去年才发射升空的最新天文望远镜，致力于探寻宇宙中最剧烈的大爆炸所产生的伽马射线。最新的发现令科学家能够看到实验室中无法复制的高能光线的作用，从而能帮助科学家更清晰地研究爱因斯坦的相对论。
“爱因斯坦在其相对论中提出了万有引力观念，但有些物理学家总喜欢用其他力的来源取而代之。”加州帕罗奥多斯坦福大学科学家、费米广域望远镜(LAT)首席观测师皮特-迈克逊说：“人们有各种各样的想法，但缺乏途径来进行验证。”
爱因斯坦相对论是正确的
许多试图证明万有引力理论的努力都将时空关系描绘成一种飘忽不定的空洞结构，在物理层级上比电子还要微小数万亿倍。这样的模型打破了爱因斯坦的假设，即所有的电磁辐射——无线电波、红外线、可见光、X-射线和伽马射线在通过真空时速度是相同的，即都是以光速运行。
2009年5月10日，费米望远镜和其他探测卫星观测到一次所谓的“短伽马射线爆发”，被命名为“GRB 090510”(GRB:美国地球物理研究委员会)。天文学家认为这种爆炸发生在中子星相撞时。进一步研究表明爆炸发生在73亿光年外的星系中。
费米广域望远镜观测到了2.1秒的剧烈爆炸，放射出很多伽马射线量子，形成两股巨大能量流，其中一股比另一股高出近一百万倍。经过70多亿光年的旅行，它们之间的速度仅有0.9秒的差别。
“此次研究结果排除了任何关于万有引力理论的新观点，即有人认为超高能量会导致光速发生变化。”迈克逊说：“在十亿亿分之一内，两股量子的速度都是一致的。爱因斯坦的相对论是正确无误的！”
创造新的记录
费米望远镜的次级装置伽马射线监视器在超过250次的爆炸中发现了低能量伽马射线。广域望远镜则观测到12次的高能爆炸，其中三次还创下了新的记录。
上文提到的GRB 090510是观测到的最远爆炸，释放出的物质以光速的99.99995%运行。9月份观测到的GRB 090902B是放射出的伽马射线能量最高的爆炸，释放出相当于334亿伏特的电量，是可见光能量的130亿倍！去年观测到的GRB080916C释放出的总能量最多，相当于诞生了9000个超新星！
前景无限
广域望远镜每三小时会扫描整个天空一次，并为费米天文台的科学家提供越来越详尽的资料，帮助他们不断探索深度宇宙的奥秘。
“我们已经发现了一千多个持续的伽马射线源——比以前知道的高出了5倍。”美国航天局戈达德太空飞行中心科学家朱莉-麦克恩雷说：“我们还利用其它射线与其中的近半数进行了信息互动。”
耀变体是一种遥远的星系，其巨大的黑洞会向我们释放出高速物质流。人们普遍认为已知超过500个的耀变体是伽马射线的主要来源。在银河系内，伽马射线源包括46个脉冲星和两个双子星系。在双子星系中，一颗中子星正围绕一颗炙热的新星高速运行。
4、中子星附近发生时空扭曲
新浪科技讯北京时间2007年8月28日消息，据国外媒体报道，美国的科学家们
近日称，他们最近在中子星附近成功地观测到了时空扭曲现象，这再次证明了Einstein
时空扭曲理论的正确性。
美国宇航局和密歇根大学的天文学家们称，在中子星周围观测到一些铁气体的线
形拖尾，证明的确存在时空扭曲，并称可以据此推算出天体的大小限度。美国宇航局
戈达德太空飞行中心和马里兰大学的研究小组成员苏蒂普-巴塔查耶表示，由于科学家
们曾在黑洞甚至地球周围观测到过同样的扭曲，因此次此发现并非惊人之事，然而它
对于解答物理学的基本问题意义重大。巴塔查耶说：“这属于基础物理学范畴，在中
子星中心可能存在着各种奇异的粒子或物态，如夸克物质，由于我们无法在实验室进
行模拟实验，因此找出答案的唯一方法就是去了解中子星。”
中子星是一种密度极高的恒星，它相当于把有比太阳还重的物质压进一颗城市大
小的球体中，几茶杯中子星物质的重量就可以超过珠穆朗玛峰。天文学家们用这些碎
裂的中子星作为天然实验室，研究物质是如何在极端的自然界压力中被紧密挤压的。
然而，在开始着手解开隐藏在这些衰减中子星之下的谜之前，科学家们必须非常精准
地测量出它们的直径和质量。在目前进行的两项研究中，天文学家们使用了欧洲太空
总署的XMM-牛顿X射线天文台和日本/美国宇航局的朱雀X射线天文台，对3对双中子
星进行了观察测量，它们分别是巨蛇座X-1，GX349+2和4U 1820-30。科学家们还研究
了炙热的铁原子发出的光谱线，这些铁原子在中子星表面上方急速旋转形成圆盘状，
旋转速度高达40%光速。
通常来说，测量到的过热的铁原子光谱线应有均匀对称的峰值。然而，天文学家
们的测量结果却显示出了歪斜的峰值，这意味着出现了相对论效应的扭曲。他们认为，
气体的飞速运动(和相对强大的地心引力)导致了光谱线的扭曲，形成更长波长的拖尾。
同时，这些测量工作使得科学家们可以判定恒星的最大尺寸。密歇根大学的XMM牛顿
研究小组成员爱德华-卡克特说：“我们看到铁气体就在中子星表面外部飞速旋转，由
于该圆盘内部显然不可能比中子星表面绕行更紧密，因此这些测量使我们可以确定中
子星直径的最大尺寸。根据我们估算，中子星直径最大不过20.5英里(33公里)。”
Einstein提出的广义相对论是现代物理学的奠基石，其要义是两个物体间之所以
存在引力，是因为重力场使四维时空发生扭曲。1919年发生日食时的观测结果证实太
阳的重力使星光弯曲。1976年，美国宇航局的重力探测A计划，把一个原子钟送入离
地1万公里的太空中，证实了Einstein提出的重力会使时间慢下来的推测。理论上说，
可以通过监视绕地球运行的一个陀螺仪的转轴位置来验证时空扭曲的发生。在确定了
参考星座后，如果发生时空扭曲，那么陀螺仪的转轴和参考星座的方向关系就会发生
改变。根据牛顿力学原理，一个陀螺仪和一个参考星座方向对齐后，如果没有外力干
扰，就会始终保持对齐。但是根据Einstein理论，由于地球自转和重力场引起的时空
扭曲会造成陀螺仪和参考星座的相对方向发生改变。
在8月1日出版的《天体物理通讯杂志》上，已经发表了XMM牛顿研究小组的论文，其它相关论文也将在该杂志上陆续发表。
5、7000光年外双星系统再次验证爱因斯坦相对论
艺术示意图：脉冲星PSR J0348+0432和它的伴星——一颗白矮星，它们强大的引力场造成时空弯曲
新浪科技讯北京时间2013年5月3日消息，中子星是一类具备极端密度的奇异星球，然而对于PSR J0348+0432而言，高密度还并非其最奇特的特征。这颗星球的直径仅有约13英里(约合21公里)，但其质量却和两个太阳质量相当，每秒自转25圈，在此过程中发出稳定的无线电波脉冲信号。另外，它还有一颗伴星，一颗白矮星，其自转速度也不慢：每分钟144圈。
搞清楚这里的实际状况花费了很大一番功夫，但是当天文学家们终于意识到这里的情形之时，他们很快就有了一个想法：在这样极端的引力场环境下，这样两颗天体是理想的实验对象，它们是否会像爱因斯坦在广义相对论中所预言的那样，按照一个可以通过相对论计算出来的特定速率相互靠拢？又或许这种极端情形根本就不再适用于引力理论而需要套用量子论的观点来进行理解？
德国马克斯·普朗克射电天文研究所的约翰·安东尼亚蒂斯(John Antoniadis)表示：“目前有很多描述物质在这种极端环境下行为的理论。”而要想对此情形进行精确的测量，需要极度的耐心和细致，但最后的结果显示，爱因斯坦的广义相对论做出的预言与实际测量值相吻合。就这一具体的案例而言，由于引力波辐射造成的能量损失，这两颗星体构成的系统相互绕转周期每年大约减缓800万分之一秒。有关此项研究的详细报告将于近期发表在《科学》杂志上。
加拿大麦吉尔大学的天文学家瑞恩·林奇(Ryan Lynch)表示：“我们必须非常精确的知道这一系统中中子星和白矮星成员的质量数据，因为不管是广义相对论还是其他理论，这一质量数据都是用于进行轨道衰减计算的极重要的参数。”
天文学家们还需要精确测定这两颗星体之间相互绕转周期的变化情况。而这颗中子星的脉冲辐射恰好可以充当这一测量的计时器。林奇表示：“这些因素放在一起，让中子星J0348成为一个强大的工具。”
天文学家们还在对这一系统开展进一步的细致研究以便确定其成因。他们相信这一系统维持目前的状况已经至少有大约20亿年之久。宇宙是最好的实验室。目前天文学家们还在继续寻找更加极端的环境用以检验爱因斯坦的理论。他们尤其希望找到的情况是一个围绕一个黑洞运行的脉冲星。黑洞是密度甚至比中子星还要高的天体，它的引力场已经强大到即使连光线也无法逃脱的地步。安东尼亚蒂斯表示：“如果真能找到这种情况，那么我们将可以对黑洞开展详细得多的考察，看看它们是否符合爱因斯坦的理论预期。”
PSR J0348+0432是目前所发现的质量最大的中子星，其地表的引力场强度大约是地球表面是3000亿倍。而在其核心部位，一颗食糖颗粒那么微小的物质团块质量可以达到10亿吨。林奇表示：“广义相对论不断通过我们为其设置的各项测试，因此我们必须不断寻找宇宙中最极端的环境以对相对论进行不断接近极限的测试，直到找出其崩溃的地方，并在那里找到新的物理学规律。”(晨风)
自然科学的发展对人类社会的促进 ——以天文学为例
曲阜师范大学课程论文 （2015----2016学年第一学期） 课程名称：自然科学概论 适用专业：思想政治教育 自然科学的发展对人类社会的促进 ——以天文学为例 王院喜 2012414359 摘要：天文学发展的历史悠久，当人类文明产生以后，天文学也随着产生和发展起来。天文学正朝着更加精细的方向发展。本文主要介绍了天文学发展对我们人类社会的贡献及重大意义。我们一起期待着天文学的进一步发展为科学事业和人们的社会生活创造幸福。 关键词：天文学进程人类社会重大意义贡献 引言：天文学是研究宇宙中天体和天体系统的形成、结构、活动和演化的科学。探索天体演化是人类认识自然规律中的最根本的问题之一。天文学与我们的生存环境息息相关，它在提高全民族的文化素质、培养科技人才和树立正确的世界观等方而有着不可替代的作用。天文学与其他科学技术相互影响、相互促进，是当代推动高科技发展和社会进步的最活跃的因素之一，同时也是当代最活跃的前沿学科之一。 一、天文学的发展进程 天文学中发展最早的就是天体测量学。古代的天文学家在测量星星的基础上观测到恒星位置基本是没有变化的，据此就制出了星图，并对星座进行划分和编制出星表;再对太阳、月亮和行星的运动进行研究时，编制出了历法。在17世纪，不仅发明出了望远镜，微积分也被创立起来，还发现了万有引力定律，且还建立起巴黎天文台和格林尼治天文台。 当前，在天体测量学中用到的测量于段越来越多，山最初的可见光观测发展到现在的射电波段、红外、紫外、X射线Y射线波段等，而对天体进行观测的范围也在不断扩展，如星数多、星等暗的光学恒星、射电源及红外源等，并且对它们的观测精度也在不断的进行提高。在16世纪哥自尼提出日心体系后，17世纪的开普勒提出了行星运动三定律，后来伽利略又在力学上进行了研究，这些为创立天体力学作下铺垫。17世纪牛顿提出万有引力定律后，天体力学就产生了。 天体力学在天文学中也是发展较早的一个学科。它产生后，天文学家从对天体
时空曲率
时空曲率 按照广义相对论的解释，在引力场中，时空的性质是由物体的“质量”分布决定的，物体“质量”的分布状况使时空性质变得不均匀，引起了时空的弯曲。大致上讲，物质密度大的地方，曲率也就大。也就是说，“时空曲率”产生了引力，当光线经过一些“大质量”的天体时，它的路线是弯曲的，它将沿着“大质量”物体所形成的“时空曲面”前进。就像放在软床上的重球使床面弯曲一样。位处时空中的物体其一旦知道时空曲率，位处时空中的物体其运动轨迹也就可以计算出来；也就是说,物体运动得遵循曲率的指示。以地球绕太阳来说，太阳的质量决定它附近时空的曲率，地球受此曲率的影响就会以近乎椭圆形的轨道绕日运行。曲率如果不大，爱因斯坦理论与古典牛顿重力论的结果大致相同。两者若有差异，观测数据都站在广义相对论这一边。尤其是当曲率很大时，牛顿理论就完全不适用。广义相对论的一项重要预测就是时空曲率的振动会造成重力波的存在，牛顿理论就没有这项概念。 空间弯曲 空间弯曲曲率处处不为零的空间称为弯曲空间。初等平面几何所研究的对象是欧几里得空间（欧氏空间）。这种几何的最重要性质之一就是平行线公设：通过给定直线之外的任一点，可作一条直线与给定直线平行。这个公设在弯曲空间中并不适用。天体物理中常遇到的弯曲空间是黎曼空间。它的的一种特例是黎曼弯曲空间。 空间跳跃,又名空间跃进，英文：Space jump，是众多玄幻以及科幻小说中出现的一种超现实技术. 简单的说,宇宙是很大的,已知的最快速度是光速,但是离地球最近的有可能有生命的行星就有20多光年,靠光速显然是不够的,所以我们的YY精神提出了空间跳跃这一说法.大家都在科学杂志上看过虫洞的理论.60多年前，阿尔伯特·爱因斯坦提出了“虫洞”理论。那么，“虫洞”是什么呢？简单地说，“虫洞”是连接宇宙遥远区域间的点，将空间距离想象成为一张地图，A点到B点，然后将两面折叠，在之中点上一点！那个点就是虫洞——穿越空间壁垒的点。空间跳跃就是由人工造出虫洞,并用特殊技术使其稳定,让飞船通过,达到超远距离宇宙旅行的目的.但是以目前的科技来看并不可能,正常发展估计到3000年以后人类才会逐渐掌握这一技术.
现代天文学的发展
现代天文学的发展 天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时候，人们为了指示方向，确定时间和季节，就自然会观察太阳、月亮和星星在天空中的位置，找出它的随时间变化的规律，并在此基础上编制历法，用于生活和农牧业生产活动。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。早期天文学的内容就其本质来说就是天体测量学。 从十六世纪中哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。在这之前，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚，后来一个半世纪中从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学发展。十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。 天文学就本质上说是一门观测科学。天文学上的一切发现和研究成果，离不开天文观测工具——望远镜和望远镜后端的接收设备。在十七世纪之前，人们尽管已制作了不少天文观测仪器，如在中国有浑仪、简仪等，但观测工作只能靠人的肉眼。在此后的近400年中，人们对望远镜的性能不断加以改进，并且越做越大，以期观测到更暗的天体和取得更高的分辨率。目前世界上最大光学望远镜的口径已达到10米。 二十世纪后50年中，随着探测器和空间技术的发展以及研究工作的深入，天文观测进一步从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和γ射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，并为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，天文学发展到了一个全新的阶段。 在望远镜后端的接收设备方面，十九世纪中叶，照相、分光和光度技术广泛应用于天文观测，对于探索天体的运动、结构、化学组成和物理状态起了极大的推动作用，可以说天体物理学正是在这些技术得以应用后才逐步发展成为天文学的主流学科。 二十世纪天文学进入了黄金时代，正在为阐明地球、太阳和太阳系的来龙去脉、星系的起源和星系的演化、宇宙的过去和未来、地外生命和地外文明等重大课题作出贡献。六十年代，航天时代的到来，使天文学冲破了地球大气的禁锢，到大气外去探测宇宙；天文学开始成为全波段的宇宙科学，使我们得以考察大到150亿光年空间深度的天象。
“天文学”简介含义起源 历史与发展
天文学 翻开人类文明史的第一页，天文学就占有显著的地位。巴比伦的泥碑，埃及的金字塔，都是历史的见证。在中国，殷商时代留下的甲骨文物里，有丰富的天文记录，表明在黄河流域，天文学的起源可以追溯到殷商以前更为古远的世代。 几千年来，在人类社会文明的进程中，天文学的研究范畴和天文的概念都有很大的发展。为了说明我们今天对天文这门学科的理解，本文将在第一节里首先介绍一下天文研究的特点。本文的第二节──星空巡礼，是对目前所认识的天文世界的几笔速写。在第三节里，我们举出伽利略-牛顿时代天文学的一次飞跃，来对照当前天文研究的形势，希望借此探讨天文学发展的规律，并强调说明一次新的飞跃正近在眼前。 我们不准备、也不可能用这篇短文囊括天文学悠久的历史和丰富的内容（这是本书这一整卷的任务），而只是对它的特征、现状和趋向作一个概括性的描述。为使读者对天文学的轮廓有一个认识，本文的第四节，用简单的图解方式介绍当前天文学科各分支之间的相互关系。 天文学研究的特点 天文学是一门古老的学科。它的研究对象是辽阔空间中的天体。几千年来，人们主要是通过接收天体投来的辐射，发现它们的存在，测量它们的位置，研究它们的结构，探索它们的运动和演化的规律，一步步地扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识。 作为一颗行星，地球本身也是一个天体。但是，从学科的分野来说，“天”是相对于“地”的。地面上实验室里所熟悉的那些科学实验方法，很多不能搬到天文学领域里来。我们既不能移植太阳，也无法解剖星星，甚至不可能到我们所瞩目的研究对象那边，例如，到银河系核心周围去看一看。从这个意义上来说，天文学的实验方法是一种“被动”的方法。也就是说，它只能靠观测（“观察”和“测量”）自然界业已发生的现象来收集感性认识的素材，而不能像其他许多学科那样，“主动”地去影响或变革所研究的对象，来布置自己的实验。
4、广义相对论中时空对称性
4、广义相对论中时空对称性 对于广义相对论，由于引力场使得时空弯曲，在全时空中彼此作相对匀速直线运动的惯性参照系是不存在的（在时空的局部范围内可以存在匀速直线运动，也可以存在局部惯性参照系）。由于这个原因，广义相对论中的时空的对称性，一般要低于伽利略时空的对称性和低于洛伦兹时空的对称性，即其所对应的保持规律不变的坐标变换之参数要减少。在广义相对论中，时空的对称性往往随所研究的具体问题而异。在经典广义相对论的实时space-time中，因为时间只沿着一位观察者的历史增加，不象空间那样可以沿着历史增加或减少，时间和空间方向可以区分开来；在广义相对论中，对称性由洛伦兹群（或庞卡莱群）所支配。 一般认为，以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空对称性是【1】： (C1)，所有的空间点都是平权的； (C2)，所有的空间方向都是平权的。 为什么说所有的空间点都是平权的？如果空间之内点与点不是平权的，则在空间某些部分,物质会堆积得很多,而在另外一些部分, 物质则分布得很少,这不符合天文观察。 天文观测的事实表明：大尺度空间内星系或星系团的分布以及射电源的计数，大体上是均匀的，而微波背景辐射的分布，均匀程度更高。为什么说所有的空间方向都是平权的？如果空间之内各个方向彼此不是平权的，会引发什么现象呢？整个宇宙绕轴旋转就是一个例子，在这种情况下，旋转轴就是一个特殊方向，它跟其它方向不是平权的。Godel曾研究过旋转的宇宙，得出了在这种宇宙中，测地线可能相交的推论。这意味着，从‘现在’可以返回到‘过去’，从‘现在’也可以提前到达‘将来’；这将对因果律造成极大的紊乱。旋转宇宙的问题还有不少，虽然在引力理论和宇宙学中，旋转宇宙也可以作为一个课题来进行研究，但由于它本身的缺点和问题，多数学者并不采纳这种宇宙。比较(C1)、(C2)和(N1)、(N2)，可以看出，以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空对称性同牛顿力学背景时空的对称性都认为所有的空间点都是平权的和所有的空间方向都是平权的。这就是，在一定条件下，可以用牛顿力学来研究宇宙学的理论根源。比较(C1)和(N1)，还可以看出，在以广义相对论为理论基础的宇宙学中的时空中，缺乏所有的瞬时也都是平权的对称性，正是由于这种缺乏，使得宇宙时空出现弯曲，必须用广义相对论来进行研究。对称性(C1)说明宇宙空间是均匀的，对称性(C2)说明宇宙空间是各向同性的，这就是宇宙学原理。显然，宇宙学原理并不是毫无根据的人为假定，它是宇宙对称性的合理推论。 广义相对论具有宇宙因子项重力场方程的普遍形式R uv—0.5g uv R+g uv= - kT uv，式中
中西方天文学的比较
中西方天文学的比较 第一节：天文学的起源 天文学，是人类在科学探索的道路上，最早出现的一门学科。亦是人类知识领域中最早发展的学科之一。为甚么呢？这大概是人类本身的心理特点所使然吧！ 人类经由漫长的进化历程成为具有高度智能的生物，终于成为对大自然能「抬起头做人」者，除了环顾身旁四周的万物外，他们亦抬头望天。他们在太阳下山后，见到天空有月亮和「一堆」星星。他们不单止发现了太阳和月亮的运动，亦发现了星空的活动。而对这些天体运动的观察和对其运动规律的认知，便形成了最早的天文学。公元前3000年左右的埃及历和2000多年前始用的夏历就宣告着天文学经已诞生了。 天文学于人类文明建立早期便兴起，除了因为人们抬头可见外，还包括人的宗教心。宗教之间的争端甚多，但相同的是，各族均有宗教。在历史上，宗教和政治亦极有关系。顺着人民对天空的崇拜，产生了「君权神授说」，把君主和天文连上了关系。君王为了显示自已掌握「天命」，紧紧地控制着天文学家和天文机构，预测天象成了政府的责任。 在当时，天文预测的确被认为是政府的责任，《书经》就记载说当时的天文官羲和，因为未能预告日食，令人民惊惶失措，故被其国君仲康处死，由此可见天文预测对政权之重要性(注四)。若然国君连何时发生特殊天象都未能预先知道，人民又那会相信他是拥有「天命」的「天子」呢？ 就是这样，天文学便开始在古中国和其它各处扎根成长了。 第二节：百家争鸣─各种学说 从上古以来，各代先民均对天空有无限的想象。他们把各自的想法综合成为学说，以下便是中国古代一些有代表性的学说： 一：盖天说： 产生于战国前，是中国最古老的天文学说，现见于汉代的《周髀算经》。其实这似乎是很正常的，很符合人们最容易想象得到的形式，因为在基督教中亦有类似的说法。 盖天说的主体是「天圆地方」，然而后来人们活动范围扩大，学说演变成天地均圆。天地像反转的盘子，天盖于地。此说主要用以解释四季变化。旧说称天地间有阴阳两气，光透不过阴气，太阳每天穿梭阴阳气间，夏天阳气多故日长，冬天阴气多故日短。新说称太阳有七条轨道，即七衡六间，太阳在轨道间运动。夏至时于第一衡(内衡)，冬至时于第七衡(外衡)。盖天说更据勾股定理(即勾股定理)认为天地相距八万里。因为他们认为阳光照射范围有限，人可见范围亦有限，太阳于内衡时较近北方，人可见时间较长；外衡时较近南方，人可见时间较短。这点有些像南北回归线之设。 但此说有很大的缺憾，首先，于春秋二分时，太阳的确升于正东，没于正西，但在计算中其轨道(第四衡、中衡)中夜间轨道却比日间轨道长三倍。而且，按其说计算，外衡比内衡长一倍，即是太阳在冬至时太阳比夏至时多走一倍远，但太阳在冬至的活动并不比夏至快一倍啊。是以此说后来便被浑天说取代了。 二：浑天说： 浑天说主要于汉代后开始流行，见张衡《浑仪注》。他们主张天如球壳，天包着地如鸡蛋(如本章引文)，天外为气，天内有水而地漂于水上。天之一半于地上，半于地下，运转不息。 他们把天球分为几部分：近北极有恒显圈，全年可见；近南极有恒隐圈，于地平下，永不可见；中间的圆周是天球赤道。据此说，太阳的运动可分为周天和全年运动。太阳在跟随天球旋转作周天运动之余，亦慢慢沿着黄道作全年运动。由于黄道和天赤道有差角，故太阳每天的周天轨道都有许不同，夏至近北天极而冬至时则相反，日照时间便有不同了。 由于浑天说有可以可被量化的性质(包括相似三角形的等比关系和勾股弦定理等几何定理)，可作反复计算和验证。他们曾有「日影千里差一寸」的假设，唐朝开元年间被测量结果否定了，但浑天说反而可以发扬光大。这就是因为浑天说有科学性的原故，数字假设的错误不影响理论的对错与否。 浑天说虽然在汉代便开始有不错的理论支持，而且能解释盖天说难以解释之处。但直至唐代的实地论证后方能结束和盖天说的争论，原因大概是人们心理上难以接受大地漂浮和日月星夜晚泡于水中的假设所使然。 三：宣夜说： 是一种和前两说相当不同的一套宇宙论。可能形成于战国时期，而记载于《晋书?天文志》。盖天与浑天二说均认为天空如一壳，日月与星附于壳上。 宣夜说认为，固体天壳并不存在，天之所以是蓝色，是因为离开我们太远了。天是个充满气的虚空处，日月众星均只是浮游其中的发光气体，受着气体的推动而活动。天地均无限，天体之间亦互不干涉。
浅谈中国古代天文学成就
浅谈中国古代天文学成就 不同于大多数英文系的女生，因为我是一个理科生；也不同于大多数女生，我很喜爱天文。所以，我决定谈一谈我所喜爱的天文，而为了切合本课程的要求，我就来谈一谈中国古代天文学所取得的成就。 而根据资料我们可以了解到中国是世界上天文学起步最早、发展最快的国家之一，天文学也是我国古代最发达的四门自然科学之一，其他包括农学、医学和数学，天文学方面屡有革新的优良历法、令人惊羡的发明创造、卓有见识的宇宙观等，在世界天文学发展史上，无不占据重要的地位。我国古代天文学从原始社会就开始萌芽了。 我国最早的天象观察，可以追溯到好几千年以前。无论是对太阳、月亮、行星、彗星、新星、恒星，以及日食和月食、太阳黑子、日珥、流星雨等罕见天象，都有着悠久而丰富的记载，观察仔细、记录精确、描述详尽、其水平之高，达到使今人惊讶的程度，这些记载至今仍具有很高的科学价值。在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，已有丰富的天文象现的记载。这表明远在公元前14世纪时，我们祖先的天文学已很发达了。举世公认，我国有世界上最早最完整的天象记载。我国是欧洲文艺复兴以前天文现象最精确的观测者和记录的最好保存者。我国古代在创制天文仪器方面，也做出了杰出的贡献，创造性地设计和制造了许多种精巧的观察和测量仪器。 而最最令我钦佩的就是我们的先人在科学技术还不怎么发达，没有很多的仪器或者技术来做辅助的时候就能够发明出那么多精密的天文观测仪器，将自己的眼光早早的就投射到了我们地球以外的广袤宇宙中去。那么下面就让我根据资料来介绍一下我们中国古代的天文观测记录仪器吧。 浑仪：是中国古代最主要的天文测量工具之一，是一种与浑天说密切相关的天文仪器，由於浑仪的结构是以多个同心圆来模拟天球，所以它的出现不早於落下闳时代(104BC)，所以浑仪的出现也不会早於此。 纪限仪：制造於清康熙十二年(1673)，可用以测定六十度以内任一两颗天体的角距离和日月的角直径。 简仪：主要由一架赤道经纬仪和一架地平经纬仪组成，另外底座上还开有水平沟，并装有一只正方案，用以校准仪器的水平和朝向，除此之外，赤道经纬仪的北极端还设有一个候极环，用以校正仪器的极轴指向。 地平经仪：由於明末历局筹设之时正逢与后金交战时期，因此在经费上受到很大的限制，在明末所制造的天文仪器多半是木质结构，再包上铜，至清康熙年间，南怀仁主持钦天监，在康熙八至十二年(1669-1673)间，以铜为材料铸成六件新的天文仪器，此地平经仪即其中一架，它制造於清康熙十二年(1673)，系按照欧洲古典仪器的风格设计的，可用以测定天体的方位角。 圭表：圭表是一种既简单又重要的测天仪器，它由垂直的表（一般高八尺）和水平的圭组成。圭表的主要功能是测定冬至日所在，并进而确定回归年长度，此外，通过观测表影的变化可确定方向和节气。我国最古老、最简单的天文仪器是土圭，也叫圭表。它是用来度量日影长短的，它最初是从什么时候开始有的，已无从考证。圭表是一种既简单又重要的测天仪器，它由垂直的表（一般高八尺）和水平的圭组成。圭表的主要功能是测定冬至日所在，并进而确定回归年长度，此外，通过观测表影的变化可确定方向和节气。 象限仪：制造於清康熙十二年(1673)，可用以测定天体的地平高度或天顶距 赤道经纬仪：由南怀仁制造於清康熙十二年(1673)主要用於测定太阳时、天体的赤经差和赤纬。由於南怀仁将许多仪器的功能简化，因之他的天文仪器彼此可以相互参校，在南怀仁所著的《灵台仪象志》一书当中就编有黄道、赤道及地平三种座标间的互换表。 地平经纬仪：继南怀仁之后，清政府又相继制成两架大型仪器，此为其一，制造於清
天文学发展史毕业论文
天文学发展史很小的时候就很崇拜天文学家，那时候总是感觉天文学家懂很多东西，地上的东西太少，人类的历史太长，所以很向往学天文学，了解宇宙的起源、生活的起源，从而探索人类的去处。古代的天文学家通过观测太阳、月球和其他一些天体及天象，确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端。如果从人类观测天体，记录天象算起，天文学的历史至少已经有5、6 千年了。天文学在人类早期的文明史中，占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石阵都是很著名的史前天文遗址。 宇宙中的天体由近及远可分为几个层次：(1)太阳系天体：包括太阳、行星(包括地球)、行星的卫星(包括月球)、小行星、彗星、流星体及行星际介质等。(2)银河系中的各类恒星和恒星集团：包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。太阳是银河系中的一颗普通恒星。(3)河外星系，简称星系，指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的天体集团，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星系际介质。 天文学的研究范畴和天文的概念从古至今不断发展。在古代，人们只能用肉眼观测天体。2 世纪时，古希腊天文学家托勒密提出的地心说统治了西方对宇宙的认识长达1000 多年。直到16 世纪，波兰天文学家哥白尼才提出了新的宇宙体系的理论——日心说。到了1610 年，意大利天文学家伽利略独立制造折射望远镜，首次以望远镜看到了太阳黑子、月球表面和一些行星的表面和盈亏。在同时代，牛顿创立牛顿力学使天文学出现了一个
新的分支学科天体力学。天体力学诞生使天文学从单纯描述天体的几何关系和运动状况进入到研究天体之间的相互作用和造成天体运动的原因的新阶段，在天文学的发展历史上，是一次巨大的飞跃。 19 世纪中叶天体摄影和分光技术的发明，使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律，从而更加深入到问题本质，从而也产生了一门新的分支学科天体物理学。这又是天文学的一次重大飞跃。 1950 年代，射电望远镜开始应用。到了1960 年代，取得了称为“天文学四大发现”的成就：微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子。而与此同时，人类也突破了地球束缚，可到天空中观测天体。除可见光外，天体的紫外线、红外线、无线电波、X射线、丫射 线等都能观测到了。这些使得空间天文学得到巨大发展，也对现代天文学成就产生很大影响。 此外,天文学还从总体上探索目前我们所观测到的整个宇宙的起源、结构、演化和未来的结局，这是天文学的一门分支学科——宇宙学的研究内容。 说到天文学发展史,就不能忽略中国在这方面的努力和贡献. 1.在远古时期，早期中国的天文学发展是缓慢的，这点与世界各族相同。但由于中国文明的高度发展，天文学的发展亦开始领先了。 踏入春秋战国，贵族对天象作占卜的兴趣（其实商代的天文观测正建基于占卜上）更推动了天文学的发展。中国成为首先发现多种天象的国家，如：观测太阳黑子，古中国人在没有望远镜的帮助下居然仍能发现，比西方早了近二千年，令一位美国天文学家慨叹西方学者为何要用望远镜方能见到。
现代天文学发展
天外有天 ——现代宇宙学的兴起与发展王远谋101170067 匡亚明学院（大气科学学院基地班）
20世纪的天文学，天体物理学是其主流。最引人瞩目的成就是诞生了将整个宇宙作为研究对象的现代宇宙学。以爱因斯坦的相对论为理论基础，以大尺度的天文观测，特别是河外星系的普通红移和宇宙背景辐射为事实依据，宇宙学展示了宇宙整体的物理特征，将人类对宇宙的探索提升到了一个新的高度。本文就现代宇宙学的几大重要成果——宇宙的诞生（宇宙大爆炸理论的提出），宇宙的年龄（哈勃定律的提出），以及暗物质，暗能量的提出叙述现代宇宙学的兴起与发展。 关键词：宇宙年龄；大爆炸理论；宇宙膨胀；哈勃定律；暗物质，暗能量
在近代自然科学产生以前，传统的观点（亚里士多德）认为，宇宙是一个有边有界的的世界，宇宙的最外层是由恒星天构成，恒星天是宇宙的边界。 在牛顿的无限无边的宇宙图景中，宇宙是一个三维的欧几里得空间，在任何一个方向均可无限延展下去。在这个无限大的“箱子”中，布满了无限多的天体，这些天体在万有引力作用下按牛顿定律运动。然而，这种宇宙图景在解释经验事实上遇到了困难，出现了“引力佯谬”“光度佯谬”等。 “光度佯谬”由奥尔柏斯在1826年提出，表达如下。 按照牛顿的宇宙图景可以作以下推论： 1.在无限的空间中，充满了无限多的星体。 2.每颗星星虽然有生有灭，但从整体上看，可以认为宇宙的物质密度保持常数。 3.时间是无限的，从整体上讲，星体可以无限期存在。 4.无限远处星体的光，总可以通过无限长的时间传到地面。 5.在地面上，黑夜将像白天一样光亮。 这显然是荒谬的。 1.哈勃定律 1929年，哈勃发表了《河外星系距离与视向速度的关系》一文，提出了闻名于世的“哈勃定律”，给出了简明的哈勃公式—— 河外星系离我们越远，它逃离的速度也越快，且二者成正比关系。 这表示我们所在的宇宙是在不断地向外膨胀，这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。 早在1912年，施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒(Doppler)红移，表明这些“星云”在朝远离我们的方向运动。随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系 v d H 其中v为退行速度，以千米／秒为单位，d为星系距离，以百万秒差距为单位, H为比 例常数，称为哈勃常数,这就是著名的哈勃定律。 哈勃定律有着广泛的应用，它是测量遥远星系距离的唯一有效方法。只要测出星系谱线的红移，再换算出退行速度，便可由哈勃定律算出该星系的距离。哈勃定律中的速度和距离不是直接可以观测的量。直接观测量是红移和视星等。因此，真正来自观测、没有掺进任何假设的是红移-视星等关系。在此基础上再加上一些假设，才可得到距离-速度关系。 哈勃这一发现的意义真是无可估量，使人类对于宇宙的认识产生了飞跃的、质的提高，他因而也被人们尊称为“星海将军”、“宇宙边疆开拓者”、“星系天文学之父”。可以说，没有哈勃一系列的开创性工作，就不会有后来的“大爆炸”学说。
天文学的发展
天文学的发展 现代天文学与诺贝尔物理学奖讲授提纲一，天文学的发展 1，天文学的发展历史 2，天文学的研究对象 3,天文学和物理学的关系 4,天文学与诺贝尔物理学奖 1,天文学的发展 天文学历史悠久 近代天文学发展迅速 发展余地很大 新成果还会不断出现 老结论可能被修改和推翻三大学科： 天体测量学：测量天体的位置和距离天体力学：研究天体之间的关系天体物理：研究天体的形态、物理状态、结构、化学组成； 天体的产生和演化天体物理学是主流天文学三大观测波段： 光学天文射电天文 X射线和γ射线 （紫外、红外、中微子、 引力波、宇宙线） 远比人的眼睛看得远、看得广 被动接收 2，天文学研究对象行星层次,地球、其它八大行星，小行星、彗星、陨星恒星层次,太阳及其它恒星星系层次,银河系、河外星系、 类星体、星系群、星系团宇宙整体（可观测的宇宙） 人类了解最多、能深入探讨的天体地球（行星） 太阳系（行星系统） 太阳（恒星） 银河系（星系） 可以说是几个,孤本”，没有其它天体可以与之相比！ 行星层次 水星、金星、地球、火星、木星、 土星、天王星、海王星和冥王星。 小行星（小行星带在火星和木星轨道之间） 彗星 陨星太阳系九大行星（合成照片） 行星层次研究 1,第谷,测量天体的位置及变化（观测资料积累） 2,开普勒发现行星三大定律 （资料分析，经验定律） 3,牛顿万有引力定律（由天体运行总结出物理规律，成为天体物理的里程碑） 太阳系研究的重大进展 托勒玫－地球中心说 哥白尼－太阳中心说 开普勒－行星运动三定律
牛顿－万有引力太阳系行星的空间探测最热门 人类要突破只能被动观测的局限登月和探测火星，人类对宇宙奥秘的探索是无止境的！ 有没有生命（或适合生命繁衍生存的条件）？ 有没有值得开采的矿产？ 有没有可能成为人类生活、科研的基地？（月基天文台等） 恒星层次 1，赫歇尔等：恒星的亮度和光谱观测（观测资料积累） 2，赫茨普龙和罗素：赫罗图 （光谱型－绝对星等） 3，爱丁顿、钱德拉塞卡等恒星演化理论（热核聚变理论为核心） 太阳丰富多彩的恒星世界 正在诞生的恒星恒星爆炸恒星演化的归宿： 白矮星、中子星和黑洞 恒星的能源恒星的化学成分来源恒星的内部结构星系层次 1，哈勃等发现河外星系＋确定距离（观测资料积累） 2，哈勃：哈勃定律（宇宙在膨胀）（经验定律）退行速度和距离成正比 3，伽莫夫大爆炸宇宙论（热核聚变理论为核心） 银河系银河系大得惊人（ 10万光年） 约有 1000多亿颗恒星。 银河系外有数十亿个河外星系最远的距离可达 150亿光年空间尺度地球直径 1.3× 10-9光年太阳直径1.47× 10-7光年太阳系范围 1.2× 10-3光年最近的恒星4.3× 光年银河系范围 105光年（十万光年） 最近的星系 106光年（百万光年） 富星系团 107光年（千万光年） 可测宇宙1.5× 1010光年（ 150亿光年） 天体空间尺度比较示意图 3，天文学与物理学相互促进物理学是天文学的理论基础原子物理学、量子力学、原子核物理学、狭义相对论、广义相对论、等离子体物理学、固态物理学、致密态物理学、高能物理学相对论天体物理学；等离子体天体物理学；高能天体物理学；宇宙磁流体力学；核天体物理学天体和宇宙是物理学的巨大实验室天文观测为物理学的基本理论提供了地球上实验室无法得到的物理现象和物理过程。在宇宙中所发生的种种物理过程比地球上所能发生的多得多。 （ 1）极端物理条件实验室如中子星：超高密、超强磁场、 超强压力、超高温和超强辐射的空间实验室 （ 2）引力实验室 （ 3）等离子体实验室 （ 4）超流超导实验室 （ 5）高能带电粒子加速器等天文学与物理学的相互促进 20世纪初物理学家预言： 光线在太阳引力场中弯曲 水星近日点的运动规律 引力场中的光谱红移 中子星的存在 宇宙微波背景辐射的存在
鲁科版必修第二册 5.2相对论中的神奇时空 教案
2020-2021学年鲁科版（2019）必修第二册 5.2相对论中的神奇时空教案 教学目标 1. 了解时间延缓效应、长度收缩效应，并大体了解它们的验证及应用。 2. 了解质能关系，知道质能关系的应用。 3. 大体了解相对论的弯曲时空理论及其验证。 教学重难点 教学重点 尺缩钟慢效应、质能关系 教学难点 长度收缩效应、时间延缓效应、相对论弯曲时空理论 教学准备 多媒体课件 教学过程 新课引入 教师设问：回顾狭义相对性原理的两条基本假设。 教师活动：创设火车上光源发光的情境。 假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。 教师设问：车上的观察者将会看到什么现象，地面上的观察者又会看到什么现象？ 讲授新课 教师活动：讲解同时的相对性。 车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。 对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对
地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。因此，这两个事件不是同时发生的。 在经典力学中，时间是绝对的，时间均匀流逝的。两者之间是独立的。 在经典力学的，两个事件在某一参考系中同时发生，那么在其他任意的参考系中这两个事件也是同时发生的。 在相对论中，时间和空间是不可分割的。时间和空间都是相对的，两个事件是否同时发生也是相对的。 一、时间延缓效应 教师活动：讲解时间延缓效应。 如果相对于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，那么两者之间的关系是 t?=(1) 由于v
中国古代天文学成就
中国古代天文学成就 中国是世界上天文学起步最早、发展最快的国家之一，天文学也是我国古代最发达的四门 自然科学之一，其他包括农学、医学和数学，天文学方面屡有革新的优良历法、令人惊羡 的发明创造、卓有见识的宇宙观等，在世界天文学发展史上，无不占据重要的地位。 我国古代天文学从原始社会就开始萌芽了。公元前24世纪的帝尧时代，就设立了专 职的天文官，专门从事“观象授时”。早在仰韶文化时期，人们就描绘了光芒四射的太阳形 象，进而对太阳上的变化也屡有记载，描绘出太阳边缘有大小如同弹丸、成倾斜形状的太 阳黑子。 公元16世纪前，天文学在欧洲的发展一直很缓慢，在从2世纪到16世纪的1000 多年中，更是几乎处于停滞状态。在此期间，我国天文学得到了稳步的发展，取得了辉煌 的成就。我国古代天文学的成就大体可归纳为三个方面，即：天象观察、仪器制作和编订 历法。 （左图为甲骨文干支表） 我国最早的天象观察，可以追溯到好几千年以前。无论是对太阳、月亮、行星、彗星、新星、恒星，以及日食和月食、太阳黑子、日珥、流星雨等罕见天象，都有着悠久而丰富的记载，观察仔细、记录精确、描述详尽、其水平之高，达到使今人惊讶的程度，这些记载至今仍具有很高的科学价值。在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，已有丰富的天文象现的记载。这表明远在公元前14世纪时，我们祖先的天文学已很发达了。举世公认，我国有世界上最早最完整的天象记载。我国是欧洲文艺复兴以前天文现象最精确的观测者和记录的最好保存者。 我国古代在创制天文仪器方面，也做出了杰出的贡献，创造性地设计和制造了许多种精巧的观察和测量仪器。我国最古老、最简单的天文仪器是土圭，也叫圭表。它是用来度量日影长短的，它最初是从什么时候开始有的，已无从考证。
弯曲时空中动力学及量子效应研究(湖师大)
项目名称弯曲时空中动力学及量子效应研究 推荐单位湖南师范大学 项目综述查看 主要完成人 1.荆继良 第一项：在发现精确求解狄拉克场似正模的方法及结论、似正模与二级相变之间的联系及判据、黑洞动力学与热力学之间的内在联系等方面作出了创造性贡献，占40%。第二项：在发现普适的辐射粒子能量的定义、解决以往研究中的激烈争议、寻找KS黑洞自洽的热力学第一定律的微分和积分形式等方面作出了创造性贡献，占40%。第三项：在探讨非惯性系中经典和量子关联的定义、度量、分配及其与加速度的关系、黑洞霍金温度对量子纠缠和隐形传态的影响等方面作出了创造性贡献，占40%。第四项：在建立非线性电动力学全息超导模型、发现幂指数和对数形式等多种非线性电动力学对凝聚、电导率及相变类型转变影响等方面作出了创造性贡献，占30%。 2.陈松柏 对第一项贡献：在发现phantom暗能量场在弯曲时空中的动力学演化、Horava-Lifshitz理论可观测效应的等方面作出了创造性贡献，占30%。 对第二项贡献：在发现暗能量黑洞和哥德尔黑洞的霍金辐射谱、寻找KS黑洞自洽的热力学第一定律的微分和积分形式等方面作出了创造性贡献，占40%。 对第四项贡献：在建立非线性电动力学全息超导模型、发现Born-Infeld非线性电动力学对凝聚、电导率及相变类型转变影响等方面作出了创造性贡献，占40%。 3.潘启沅 对第一项贡献：在发现精确求解狄拉克场似正模的方法及结论、似正模与二级相变之间的联系及判据、黑洞动力学与热力学之间的内在联系等方面作出了创造性贡献，占30%。 对第三项贡献：在发现黑洞霍金温度对量子纠缠和隐形传态的影响、非惯性系中标量场和狄拉克场双模之间非最大纠缠演化的新规律等方面作出了创造性贡献，占30%。 对第四项贡献：在建立非线性电动力学全息超导模型、解决考虑物质场反作用时解析研究全息超导模型的困难等方面作出了创造性贡献，占30%。
苹果落地是因为时空弯曲吗
强力、弱力、电磁力和引力是宇宙中的四种基本力，其中引力最为神秘和难以驾驭 从物理学的观点来说，与天体运动最紧密相关的概念是万有引力。 现代物理学告诉我们，宇宙中存在四种基本力：强力、弱力、电磁力和引力。强力和弱力的作用范围很短（< 10－15厘米），因而只存在于微观世界，人类通过现代科学的帮助才认识了它们；电磁力已成为人类不可或缺的动力来源，并且是文明社会的信息通信之基础；而引力是这四种力中最早被人类所感知，但也最为神秘和难以驾驭，至今还无法将它统一于包括了其它三种力的标准模型中。 人类很早就认识到，地球对自身以及周围一切物体的吸引作用，即重力。但若要发现任何两个物体之间都具有万有引力，就不那么容易了。因为，两个普通物体之间的引力一般来说非常微弱，我们根本不能感知它的存在。 相比较，电磁力就大多了。比如摩擦生电：一个绝缘玻璃棒被稍微摩擦几下，就能够吸引一些轻小的物品。再比如，磁铁对铁质物质的吸引和排斥作用，都是很容易观察到的现象。然而，除了巨大质量的星体之间产生的引力能够被观测到之外，一般物体的引力很难被探测到。 电磁场有电磁波来传递信息，常见的光也是一种电磁波，人类可以产生、接受、控制电磁波，它们已经是某种抓得住、看得见、用得上的东西。可是引力呢？引力波至今仍未被探测到，我们对引力的了解还太
少。 吸引物体下落的力，与使得月亮绕着地球转圈的力是同一种力 据说牛顿因为苹果从树上掉下砸到他头上，而发现了万有引力。不管这个传说真实与否，想必牛顿很早就注意到了物体被地球吸引而下落的事实，从而联想到月亮为什么不会掉下来，继而思考引力问题，认识到吸引物体下落的力，与使得月亮绕着地球转圈的力应该是同一种力。再后来，牛顿于1687年提出了万有引力定律。牛顿点亮了科学的火把，之后，又有了麦克斯韦尔的电磁场理论，经典物理的大厦变得宏伟壮观。 牛顿力学三大定律及万有引力定律为公众所熟知，因为那是中学物理的内容。然而，尽管每个人都知道爱因斯坦的名字，但要问起爱因斯坦对物理学的贡献是什么？或许，很多人都能用一个词汇来回答——相对论。然而，相对论是什么？为什么想到要创立狭义和广义两个相对论呢？这就不是人人都能说出个所以然了。 爱因斯坦生于牛顿逝世150多年之后。有位英国诗人为牛顿写下这样的墓志铭：“上帝说，让牛顿降生吧。于是世界一片光明。”另一位英国诗人，则在后面加上了两句玩笑话：“魔鬼撒旦说，让爱因斯坦出世吧。于是，大地又重新笼罩在黑暗之中。” 爱因斯坦用一篇光电效应的文章，引出了量子的概念。后来，在许许多多物理学家的共同努力下，量子理论得以创立。1905年，爱因斯坦又发表了6篇有影响力的论文，分别引领了三个不同物理学领域的研
论我国天文学研究的历程
论我国天文学研究的历程 摘要：中国是世界上天文学起步最早，发展最快的国家之一，天文学也是我国古代最发达的四门自然科学之一。我国对天文方面的观测、记录和研究从原始社会就开始萌芽了。到战国秦汉时期形成了以历法和天象观测为中心的完整的体系。而中国近代天文学的发展大概是从鸦片战争时开始的。 关键词：天文学中国古代天文学天文学发展历程 中国是世界上天文学起步最早，发展最快的国家之一，天文学也是我国古代最发达的四门自然科学之一。我国对天文方面的观测、记录和研究从原始社会就开始萌芽了。公元前24世纪的尧帝时代，就设立了专职的天文官，专门从事“观象授时”。早在仰韶文化时期，人们就描绘了光芒四射的太阳形象，进而对太阳上的变化也屡有记载，描绘出太阳边缘有大小如同弹丸、成倾斜形状的太阳黑子。到战国秦汉时期形成了以历法和天象观测为中心的完整的体系。中国古代的天文学大致可分为天象观察、仪器制作和编订历法这三个方面。 在天象观测方面，我国有世界上最早最完整的天象记载，是欧洲文艺复兴以前天文现象最精确的观测者和记录的最好保存者，对于太阳、月亮、行星、彗星、新星、恒星，以及日食和月食、太阳黑子、日珥、流星雨等罕见天象，都有着悠久而丰富的记载，且观察仔细、记录精确、描述详尽，这些记载至今仍具有很高的科学价值。例如长沙马王堆的一座汉墓内发现的一幅彗星图，被命名为《天文气象杂占》，是迄今发现的世界上最古老的彗星图。 在创制天文仪器方面，创造性地设计和制造了许多种精巧的观察和测量仪器。我国最古老、最简单的天文仪器是土圭，也叫圭表，用来度量日影长短。此外，西汉的落下闳改制了浑仪，这种我国古代测量天体位置的主要仪器，几乎历代都有改进。东汉的张衡创制了世界上第一架利用水利作为动力的浑象。元代的郭守敬先后创制和改进了10多种天文仪器，如简仪、高表、仰仪等。 历法与天文学的发展是紧密相联的，中国是世界上产生天文学最早的国家之一，也是最早有历法的国家之一。 5000多年前，中国就有了《阴阳历》，西周时期，天文学家用圭、表测量日影，确定冬至、夏至和一年的二十四个节气，来指导农牧业生产。唐代时著名天文学家僧一行经过数年的测量后制定了中国历史
创新思维训练(第五讲)
创新思维训练 主讲人：尤飞 第五讲联想思维训练 一、什么是联想思维 联想思维是指人们在头脑中将一种事物的形象与另一种事物的形象联系起来，探索它们之间共同的或类似的规律，从而解决问题的思维方法。复杂的客观世界由许多形形色色的事物构成，而事物之间又存在着各种各样的差异和区别。事实证明，两个事物之间的差异越大，将它们联想到一起就越困难。而一旦将两种看似不相干的事物联系起来，往往就能创新。 联想思维最典型的例子就是“牛顿一苹果一万有引力”。牛顿从苹果落地，联想到引力，又从引力联系到质量、速度、空间距离等因素，进而推导出力学三大定律。从洗澡池放水时出现的旋涡现象联想到地球磁场磁力线的运行方向；从豆角蔓的盘旋上升联想到天体的运动方向；从水面上木头浮、铁块沉现象联想到浮力再到造船业；从偶然看到的事物的不连续性联想到量子，从运动、质量、引力联想到时空弯曲，从意识的作用联想到宇宙全息等等。 比如“如果大风吹起来，木桶店就会赚钱。”这两者是怎么联系起来的呢？经历的思维过程：当大风吹起来的时候，砂石就会漫天飞舞，这会导致瞎子的增加，从而弹琵琶的人也会增多，越来越多的人会以猫的毛代替琵琶弦，因而猫会减少，结果老鼠的数量就会大大增加。由于老鼠会咬破木桶，所以做木桶的店就会赚钱了。这段联想十分合理，而结论却大大出乎人们意料，这就是运用了联想思维的结果。苏联心理学家哥洛万和斯塔林茨实验证明，任何两个概念词语可以经过四五个阶段建立起联想关系。例如，木头和皮球的联系：木头-树林-田野-足球场-皮球。又如天空和茶，天空-土地-水-喝-茶。 二、联想思维训练要点 根据联想有无目的性和自觉性，可以把联想分为无意联想和有意联想，而有意联想又分为再造联想、创造联想和幻想三种。 1、无意联想 事先没有明确目的，不由自主地想起某事物形象的过程，叫无意联想。它常发生于注意力不集中或半睡眠状态。如看天上的云，远处的山，联想它像某种事物或动植物。无意联想中最典型的是梦。有调查报告称，在数学家和科学家中，有70％左右的人承认，自己有些问题的解决，是在梦中得到启示和帮助的。无意联想是最简单、最初级的联想。有意联想是高级联想，是依据一定的目的自觉地进行的联想。 2、再造联想
相对论与黎曼几何-13-四维时空
相对论与黎曼几何-13-四维时空 13. 四维时空 在科学史上，恐怕没有哪一个理论，像相对论这样引发了这么多的“佯谬”。除了双生子佯谬之外，还有滑梯佯谬、贝尔 的飞船佯谬、转盘佯谬等等，以及它们的许许多多变种。这些佯谬的产生，根本原因是出于对同时性、时钟变慢、长度收缩、相对性原理、不同参考系的观察者、统一时空等等概念的思考和质疑。时间和空间到底是什么？正如公元四世纪哲学家圣·奥古斯丁对“时间”概念的名言：“Ifno one asks me, I know what it is. If I wish to explain it to him who asks, Ido not know.”我把它翻译成如下两句：“无人问时我知晓，欲求答案却茫然。”相对论是否部分地回答了这个问题？尽管众口难调，见仁见智，但相对论起码为我们提供了一种科学的思路和方法，使我们能从物理数学的理论上较为详细地诠释这些概念，何况还有上百年大量实验结果及天文观测数据的验证和支持呢。修正尚可，否定不易，起码不是诋毁谩骂之辈能做到的。 像双生子佯谬一样，尽管佯谬本身往往涉及到加速度参考系，但分析和理解这些佯谬并不一定需要广义相对论，许多相关
的问题也并非一定要使用弯曲时空来解释。况且，正如我们在介绍黎曼几何时提到的，黎曼流形的每一个局部看起来都是一个欧氏空间。那么，对广义相对论研究的弯曲时空而言，它的每一个局部看起来便都是一个闵可夫斯基空间。闵可夫斯基4维时空的性质对广义相对论至关重要，是理解弯曲时空、分析黑洞等奇异现象的基础。因此，我们有必要在介绍爱因斯坦的引力场方程之前，首先多了解一些闵氏时空。 闵可夫斯基时空是欧氏空间的推广，仍然是平坦的。闵氏空间与欧式空间的区别，是在于度规张量的正定性。在黎曼流形上局部欧氏空间中定义的度规张量场gij，是对称正定的。如果将时间维加进去之后，度规张量便不能满足“正定”的条件了。将非正定的度规张量场包括在内的话，黎曼流形的概念被扩展为“伪黎曼流形”。比较幸运的是，之前我们所介绍的列维-奇维塔联络及相关的平行移动、测地线、曲率张量等等概念，都可以相应地推广到伪黎曼流形的情形。 度规张量是一个二阶张量，可以被理解为我们更为熟悉的方形“矩阵”。在矩阵中也有“对称正定”的概念。所谓对称矩阵，是指行和列对换后仍然是原来矩阵的那种矩阵。度规张量的对称性，是由它的定义决定的： ds2 = gijdxidxj 实际上，任何矩阵都可以分解成一个对称矩阵和一个反对称