第四章數學 10
天文學領域
天文學概覽
天文學的研究方法主要依靠觀測。不斷的創造手改革觀測手段，也就成為天文學家一個致力不懈的課題。宇宙中的天體浩瀚無際，而且天體離開我們越遠看起來也越暗弱。因此，觀測設備的功能越強，研究暗弱目標的能力就越強，人的眼界就能深入到更遼闊的天文領域。
從20世紀開始，直徑2～6米的大型光學望遠鏡的發展，尤其是近三四十年來射電天文學和空間天文學的相繼誕生，使天文觀測手段不但具有空前的探測能力和精度，而且使天文學的領域擴展到整個電磁波段。十分明顯，我們的時代正在經曆著天文學的一次新的巨大飛躍。
觀測手段的飛躍使天體物理學進入空前活躍的階段。如果說天體物理學在它誕生之初就對物理學做出某些貢獻，那麼最近天文學上接連發現的新現象，可以說給物理學以一連串的衝擊。像紅外源、分子源、天體微波激射源的發現對恒星形成的研究提供了重要的線索；脈衝星、X射線源、γ射線源的測定，則推動了恒星演化的研究；星際分子的發現，吸引了生物學界和化學界的注意；類星體、射電星係和星係核活動等高能現象的發現，對以往的物理學規律提出了尖銳的挑戰；結合各種類型星體觀測資料的積累和分析，星係演化到和大尺度宇宙的觀測研究也已提到日程上來。
◆各類天全的起源和演化
天文學研究中的一個重大課題是各類天體的起源和演化。在我們觀測到的天體中，千萬歲的年齡是很年輕的。太陽的年齡約為50億年，也隻是一個中年的恒星。人類的文明史至今也不過幾千年，而一個天文學家終其一生也不過是幾十年。所以從短暫的觀測來探討天體百億年的演變曆史，應當說是天文學研究的又一特點。
一個天體的物理特征，除了反應出它的基本結構以外，還可以反映出它所處的演化階段。天體的信息是通過光的輻射傳給我們的。對於遙遠的天體，光在旅途中要經曆漫長的時間，比如對於離我們一億光年的天體，光要用一億年才能送來它的信息，而我們看到的是它一億年前的形象。
這樣，我們所觀測到的許許多多天體，展示給我們的是時間上各不相同的“樣本”。特別是河外星係，代表著從百萬年到上百億年前的各種“樣本”，包含著上百億年的演化線索。因此通過統計分類和理論探討，我們就可以建立起天體演化的模型。
太陽和太陽係
太陽是太陽係的中心天體，占太陽係總質量的99．86％。太陽係的其他成員是：行星、小行星、彗星、流星，它們都圍繞著太陽旋轉。
從天文學的角度看，地球是一顆適於生物存在和繁衍的星體。雖然我們相信宇宙中還會有千千萬萬個能夠繁衍生命的星球，但以目前的科學水平，我們還不能發現它們。作為行星，地球隻是太陽係的一個普通成員。它的物理結構和化學組成雖然有自己的特點，但並不特殊。
連地球在內，太陽係內已經被發現的有九大行星，從離太陽最近的算起，依次為：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。它們都沿著同一方向自西向東繞著太陽轉動，軌道都是橢圓的。大多數行星的軌道，都大致在同一平麵上。冥王星離太陽最遠，軌道直徑約120億公裏。但太陽係的疆界可能還要遙遠得多。
除了水星和金星，太陽係的行星周圍都有衛星。地球的衛星是月球，直徑約3500公裏，在太陽係裏算是一個大型衛星。到目前為止，已經確知的衛星共有34顆。
小行星是太陽係裏較小的天體，已經發現並正式命名的有兩千多顆，其中最大的一顆——穀神星，直徑約為1000公裏。大部分小行星分布在火星和木星的軌道之間。
彗星也是太陽係中質量較小的天體。絕大多數彗星沿著非扃的橢圓軌道繞日運行。它靠近太陽時顯得十分明亮，而且拖著一條掃帚形的尾巴。
流星體是太陽係內更小的天體，流星體是固態的，也繞著太陽運轉，但軌道千差萬別。它們進入地球大氣層時，由於速度很高，同地球大氣的分子碰撞而發熱、發光，形成明亮的光跡，劃過太空，稱為流星現象。絕大部分流星體在落到地麵以前時化為氣體，也有一些比較大的或特別大的在大氣中沒有耗盡，落到地麵上就是隕石。
太陽是地球上光和熱的源泉。從天文學的觀點來看，它作為離我們最近的一顆恒星而占有特殊的地位。作為恒星來說，太陽很普通又很典型。它在各類恒星中不算亮也不算暗，不大也不小。太陽的中心處在很高的壓力下，溫度約1500萬度。那裏的高溫高壓條件導致熱核聚變，每秒鍾釋放的能量可供地球上按現在的消費水平使用1000萬年。這種能量中的主要部分，輾轉經曆千萬年的時間才傳到太陽表麵，然後輻射到周圍的空間中去。
太陽表麵經常出現的以黑子和磁場為標誌的太陽活動，是宇宙電動力學現象的一個重要現象。這種活動趨於劇烈時便發生耀斑現象，表現為各種波長的電磁輻射的突增和“高”能量質點的拋射。這是天文世界中極為重要、極其複雜的能量聚集、存儲、引發和釋放過程的一個特寫。盡管這在恒星世界中還屬於很小規模的活動。
◆銀河係與河外星係
夏夜仰望天空，可以看到橫貫天空的銀河。從望遠鏡裏看去，銀河帶實際上是由千千萬萬顆星星組成的。這個龐大的恒星集團取名為銀河係。在銀河係裏，大部分恒星集中在一個扃球狀的空間範圍內，側麵看上去像一個鐵餅。人們肉眼看到的銀河正是這個“鐵餅”的一部分投影。在銀河係裏，恒星的總數在千億顆以上，此外還有各種類型的銀河星雲、星際氣體和塵埃。
銀河係以外還有許許多多同銀河係規模相當的龐大天體係統，它們曾形象地被稱為“宇宙島”，一般稱為河外星係，簡稱星係。
星係也聚成大大小小的集團，有雙重星係、多重星係以至星係團。用目前最大的望遠鏡可以觀測到數以十億計的星係，其中離我們最遠的估計達150億光年。
河外星係按它們的形態可以分為橢圓星係、漩渦星係和不規則星係。它們的演化曆程目前尚無定論。河外星係的觀測使天文學研究的範圍擴展到以百億光年為尺度的廣闊空間，使我們對大尺度空間中的物理狀態有了實測的基礎，成為現代宇宙學的一個支柱。
天文學的發現與成就
◆現代宇宙學的誕生
宇宙學是從整體上研究宇宙的結構和演化、運動和發展的科學，是天文學的一個嶄新分支。20世紀以來，在大量天文觀測資料和現代物理學的基礎上，產生了現代宇宙學，開創者是偉大的物理學家愛因斯坦。1916年，愛因斯坦建立了廣義相對論。1917年，他率先把廣義相對論應用於宇宙研究，提出了他的宇宙模型。愛因斯坦的假說給予人們很大的啟發，但宇宙靜止的觀點並不令人信服。
與愛因斯坦的宇宙靜止觀相反，英國天文學家愛丁頓1920年提出宇宙在膨脹中的看法。1924年，蘇聯數學家弗裏德曼在廣義相對論的框架下，從理論上論證了宇宙要麼膨脹，要麼收縮，決不會保持靜止狀態。1927年，比利時天文學家勒梅特建立了宇宙膨脹模型，他認為大尺度空間隨時間的推移而膨脹。
◎哈勃的重要發現——星係的紅移定律，大大促進了現代宇宙學的誕生。1929年，哈勃著名的紅移定律表明所有河外星係都有光譜線紅移(向低頻方向移動)現象，即它們都以不同的方向遠離我們而去，並且離我們越遠的星係離去速度越大，這似乎說明整個宇宙在膨脹之中。哈勃的這一發現，為弗裏德曼和勒梅特宇宙模型提出了直接的觀測依據，動搖了宇宙靜止的傳統觀念，是20世紀天文學最重要的成就之一。
◆射電天文學的誕生
1932年，美國電信工程師央斯基發現了來自太空的無線電波，開創了用輻射電波研究天體的新紀元。1940年，美國人雷伯爾製成了一座直徑為9．45米的拋物麵天線，用以接收太空來的無線電波，這是世界上第一台射電天文望遠鏡。從此，光波波段以外的射電窗口被打開了，一個嶄新的分支——射電天文學隨之誕生。射電天文學至今已發現太空中有3萬多個射電源，並看到了100億光年的星係。
◆宇宙微波背景輻射的發現
天文學最有意義的發現是宇宙做波背景輻射。
1948年，著名物理學家蓋莫夫等提出大爆炸宇宙模型時，曾預言在宇宙形成的最初階段留下了黑色微波背景輻射。
1964年，美國貝爾電話實驗室在新澤西州的克勞福德山上設立了一架供人造衛星用的天線，射電天文學家彭齊亞斯和威爾遜負責調試這架天線，以測定銀河係平麵以外區域的射電波強度。當他們想盡辦法避免地麵噪聲幹擾，而且提高了天線的靈敏度後，發現總有一個原因不明的噪聲消除不掉。這個噪聲十分穩定，相當於3．5K的射電輻射溫度。
他們開始很不理解，因而也沒有立即公布自己的發現。消息傳到了普林斯頓大學後，那裏的天體物理學家迪克等人正在準備做實驗，來驗證大爆炸模型所預言的背景輻射。他們立即斷定這個無法消除的噪聲就是宇宙背景輻射。經過通力協作繼續觀測，迪克等人終於證實了彭齊亞斯和威爾遜的觀測結果，與大爆炸宇宙學的預言完全符合。這就強烈地支持了大爆炸宇宙理論，使之居於寧宙形成理論的主導地位，也掀起了宇宙學理論研究的新高潮。
◆類星體的發現
1963年，美國加利福尼亞技術研究所的字航員馬爾滕·施密特首先宣布自己發現了一種新的奇異的天體：它體積極小、輻射能量極大；不僅如此，這種天體還在以每秒約4萬公裏的速度遠離地球，擁有比任何其他已知天體都要高的速度。
1960年，射電天文學家們就已經注意到了這種奇異的火體。而施密特對這種天體的觀測又有了進一步的發現。這是一種讓科學家們困惑不解的天體：它們在光譜上的紅移量表明這種天體應該離人們極為遙遠，有些天體距地球可以達到上百億光年；但同時它們的亮度卻十分大，其中僅一顆天體燃燒的亮度就是1000億顆恒星的100倍，是宇宙中能持續發光的最亮的天體。距離這樣遠的天體向地球輻射出如此大的亮度，意味著它具有一種不可思議的能量，這用人們已知的任何物理規律都無法解釋。
天文學家們把這種奇異的天體稱為類星體。類星體的發現給天文學研究的一些基本理論和概念造成了很大困惑，而類星體如此大的能量從何而來，更是讓天體物理學家們感到無從探究。但是，有一點可以肯定，這樣人的能量決不是一般恒星的熱核反應所能產生的。