天體物理學與宇宙學的發展
天體物理學的進展
1．行星研究的三部曲
在17世紀，以牛頓力學和萬有引力定律的發現為標誌的這一曆史時期，人類對行星的研究常常被形容為對行星各層次研究的三部曲。這三部曲的主角依次為第穀、開普勒和牛頓。第穀（Tycho，Brahe1546～1601）是最後一位也是最偉大的一位用肉眼進行觀測的天文學家。他出身於一個瑞典血統的丹麥貴族之家，13歲即進入哥本哈根大學學習法律與哲學。在1560年，一次偶然觀測日蝕後，轉向了天文學與數學研究。他做出的第一件引人注意的事，是在1563年發現了木星最接近土星的時間，比西班牙君主阿爾豐沙十世（AlfonsoXofCastile1221～1284）在世時，製定的行星表預計的時間相差有1個月。在這以前，人們使用阿爾豐沙十世的行星表長達300年之久。這件事後，第穀開始著手修定行星表，他所製作的新行星表定位精度達到了30弧秒。第穀做出的第二件有名的事，是在1572年觀測到一次星球爆發，後人稱它為第穀星，這是繼1054年中國人首次觀測到的新星之後的第二顆新星。第穀首次引入“新星”這個概念，他通過視差測量出這顆新星比當時人們認為的宇宙邊界要遠得多，這是對亞裏士多德的“天空是完美無缺和永恒不變的”觀點的有力衝擊。第穀第三件有名的事是對慧星的研究。1577年，第穀對天空出現的一顆巨大彗星研究的結果表明，它不僅來自當時人們認為的“天界”之外，其運行也有特定的軌道。這不僅再次衝擊了亞裏土多德的天空觀念，而且與伽利略堅持的“替星不能與其它天體的永恒性和規律性相比，它僅僅是一種大氣現象”的說法大相徑庭。第穀一生對行星的觀測，積累了有關行星的位置及運行的大量數據，它們達到了前所未有的精確程度。在丹麥國王腓特烈二世的支持下，第穀在丹麥與瑞典之間的赫維恩島上，修建了人類第一座天文台。他還不惜工本地建造了一個直徑5英尺的天球儀。1597年，第穀應德國國王魯道夫二世之邀，離開丹麥前往布拉格新區定居，此行使他發現了開普勒這位德國青年助手。
開普勒（Kepler，Johann1571～1630）1588年畢業於德國蒂賓諾大學。1591年獲得該校碩士學位。他在數學上的才華很快地嶄露頭角，1597年開始擔任第穀的助手，替他製作行星運行表。1601年第穀去世後，開普勒繼承了一大批非常寶貴的資料。他以這些觀測結果為基礎，計算出一個能描述星體運行的體係。一開始，他把大量精力用到了行星運行的正多麵體理論之中，幾年之後才發現，這一理論不適用第穀觀測的結果。後來，他從希臘數學家阿波洛尼烏斯（ApolloniusB.C.262～190）的圓錐曲線那裏受到啟發，終於發現，第穀觀測到的火星位置與橢圓軌道符合的精度很高，而太陽恰好位於橢圓軌道的一個焦點之上。以後，他陸續找到其它行星的橢圓軌道，太陽則總在這些軌道的焦點之上。1609年，開普勒在《新天文學》一書中，公布了他對行星按橢圓軌道運行的研究成果，這就是現在的開普勒第一和第二定律。開普勒第三定律發表在另一部著作中。以後，開普勒根據第穀的觀測資料和他的橢圓軌道理論，終於製作成功了新的行星運行表。這一部運行表發表於1627年，在書的扉頁上，開普勒寫了獻辭，以紀念他的導師第穀。在行星表的計算中，開普勒首次采用了蘇格蘭數學家耐普爾（Napier，John1550～1617）所發明的對數。耐普爾的對數表發表於1614年，由於對數大大簡化了繁瑣的數字運算，像計算機給予現今科學技術以巨大衝擊一樣，對數的發明也給予當時的科技發展極大的推動。
盡管開普勒以驚人的洞察力和堅韌不拔的精神，在第穀大量的資料中找到了行星運行的三大定律，盡管開普勒的理論使延續兩千多年的圓運動的神聖不可侵犯受到了衝擊，但是開普勒卻沒能對這一運行規律做出解釋。顯然，是太陽在以某種方式支配著行星的運動，為此，開普勒曾沿用英國物理學家吉爾伯特（Gilbert，William1544～1603）的看法，認為使行星保持在一定軌道上的是一種來自太陽的“磁性引力”。直到半個世紀之後，才由牛頓提出了一個滿意的解釋。
從古代到中世紀，人們都信奉亞裏士多德的哲學，認為天地受不同體係自然規律支配，地上的一切是可變的、汙濁的，而天上的一切是永恒的、光輝的，天上與地下萬物各自遵循迥然不同的運動法則。牛頓卻大膽地提出，天地二者的規律是完全統一一致的。在他的《自然哲學與數學原理》一書中，牛頓首次提出，在沒有其它外力的作用下，天體受到“第一次推動”之後，將始終維持慣性運動。牛頓還根據他著名的運動三定律，導出了地球與月球的引力規律，由此提出了著名的引力定律，並認為這一規律適用於宇宙萬物任何兩物體之間。一個世紀之後，卡文迪許確定了引力常數G值，從而得出了地球的質量數值。以後，又據此值估算出來木星與土星的質量，這些估算值都相當準確。牛頓萬有引力定律的成就是空前的，它不僅對開普勒三定律做出了解釋，還能解釋當時人們所知道的一切天體運動。它解釋了二分點歲差的成因，甚至還說明了開普勒也沒解釋清楚的月球運動的複雜變化。牛頓甚至還預言了引力對人造衛星運動的控製方式。牛頓的成就使天文學脫離了單純的觀測與測算，從單純描述天體運行的經驗規律上升為認識天體相互作用的普遍規律。它使一個半世紀前，由哥白尼開創的科學革命邁向又一個更高的頂峰，這是人類幾千年來，對行星運動認識從現象到本質的巨大飛躍。在這一巨大飛躍中，人們認識到了天文學研究在天文觀測、資料積累、資料處理分析、模型建立、理論的得出等步驟的分工、銜接以及循環提高的意義。
2．恒星層次的研究——天體物理學的建立
本世紀初，繼第穀一開普勒一牛頓時期後，天文學再一次的重大突破反映在恒星演化理論的建立之上。
在19、20世紀之交，人們已記錄有6萬顆恒星的位置與亮度，精確測量了數以千計的恒星的物理參量，建立了有關恒星亮度、光譜、顏色、位置及由位置微小變化所導出的“視差”與自行的定量標準。在此基礎上，積累了近10萬顆恒星的光譜分類資料。
1905年，丹麥天文學家赫茲普龍（Hertzsprung，Ejnar1873～1967）從拍攝的照片上發現恒星的顏色與亮度間的內在關係。這一現象還由美國天文學家羅素（Russell，HenryNorris1877～1957）獨立發現。赫茲普龍把這一關係表述在“光譜型—絕對星等圖”中。他用橫坐標表示恒星表麵溫度的對數，將縱坐標與恒星表麵亮度的對數成正比，恒星的對應點居然大部分集中在一條斜線的附近，這就是後人所稱的赫茨普龍-羅素圖。該圖表明，恒星沿著一條生命線演化，這無疑是恒星內部物理結構以及各恒星間某種演化關係的反映。如果說在早期人們還沒有意識到恒星研究與物理學之間有任何聯係，赫茲普龍與羅素的發現卻使人們開始意識到，恒星的演化必然遵循某些規律，這些規律一定與恒星結構及演化中從外界獲得的關鍵物理信息有關，這無疑把恒星的研究導向了天體物理學方向。
3．玻爾的氫原子模型與天體物理學進展德國物理學家基爾霍夫（Kirchhoff，GustavRobert1824～1887）是較早注意到恒星顏色與亮度的人。
1854年，他在海德爾堡大學擔任物理學教授時，便與本生（Bunsen，RobertWilhelmE-berhard1811～1899）共同研製成功第一台分光儀，並把它用於光譜學研究。1859年，他們用這種方法發現了銫元素，這一發現於1860年發表。1861年又發現了元素銣。很快地，基爾霍夫又通過對太陽吸收光譜研究了太陽的化學組成，而且發現太陽某些元素的譜線具有一定的規律，特別是氫元素的譜線，隨著波長的減小，靠得越來越近。他還發現，鈉光譜的亮雙線位置上，恰好對應太陽光譜中夫琅和費標有D線的暗線位置上，他使用太陽光和鈉光同時照射狹縫，希望能在納線位置上得到補償，不想暗線變得更暗了。這些實驗使他得到了譜線吸收的基爾霍夫定律。對太陽光譜的研究成果，使基爾霍夫一舉成名。基爾霍夫的財產保管人，一位銀行家曾問基爾霍夫，“如果不能把太陽中的黃金取到地球上來，發現它又有何用呢？”當基爾霍夫因其研究成果被英國授予一枚獎章和一筆金鎊，他把它們交給這位銀行家保管時，曾風趣地說：“這不就是太陽的黃金嗎？”事實上，“太陽的黃金”的價值遠非如此，基爾霍夫研究的成果不僅使人們找到了獲得“外部世界”信息的方法，它們也成為人們研究原子“內部世界”的向導。
基爾霍夫對太陽譜線的研究引起了瑞士數學家和物理學家巴耳末（Balmer，JohannJakob1825～1898）的注意，巴耳末為氫元素譜線係的波長提出了一個簡明的公式表述，這個公式發表於1885年。由於他未給出這個經驗公式的任何解釋，在提出後的20年內，一直未引起人們的注意，直到玻爾把這個公式作為他提出的氫原子結構理論的證據時，人們才看到了巴耳末公式的重要性。
1913年，玻爾以《論原子與分子的構造》為題，發表了三篇論文。在這些論文中，玻爾強調了他的基本觀點，這就是當體係在不同定態間過渡時，不能應用普通的力學處理，這一過程伴隨著輻射，輻射的頻率與發射能量關係將由普朗克理論確定。根據這一準則，玻爾不僅建立了氫原子模型，而且進一步由此解釋了譜線的結構。盡管玻爾的氫原子模型還太簡單，尚不足以說明更複雜的原子結構，也不能說明譜線的精細結構，盡管這一理論還需做出進一步的修正，但仍不失為用原子結構解釋譜線，又反過來用譜線解釋原子結構的首次成功的嚐試。早在玻爾開始研究原子結構以前，原子光譜就不僅是實驗物理的熱門課題，而且也是天體物理學的重要課題。當人們通過普通光源實驗觀察到12條巴耳末線係時，就已經在星體光譜中見到33條了。對玻爾理論發展的促進也正是來自天文學。1896年，美國天文學家皮克林（Pikering，EdwardCharles1846～1919）與其弟亨利·皮克林在秘魯他們共同修建的天文台觀測到了一組特殊的星係譜線，它們不能應用玻爾理論解釋，這些譜線後被稱為皮克林譜線。為此，玻爾又大膽地斷言，巴克林譜線係不是屬於氫而是屬於氦的，玻爾用一個公式，