天文學的歷史:整個宇宙,最小的粒子都是它研究的對象

2021-01-09 每日科技網

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  天文學的歷程

  當人們仰望滿天的繁星,總會被那美麗、深邃而神秘的夜空深深地吸引。對於人類來說,宇宙充滿著無窮無盡的奧秘。宇宙是什麼?宇宙有多大?宇宙存在有多久了?宇宙從哪兒來又要往哪兒去?正是人們的好奇心和探索精神帶動了天文學的產生和發展。

  天文學的起源可以追溯到人類文化的萌芽時代。遠古時代,

  人們為了指示方向、確定時間和季節,而對太陽、月亮和星星進行觀察,確定它們的位置、找出它們變化的規律,並據此編制曆法。從這一點上來說,天文學是最古老的自然學科之一,它的歷史將近五千年。

  天文學研究的疆域是整個宇宙。從空間上看,從最小的粒子,到跨度達數十萬光年(超過60億億公裡)的星系,無不是天文學研究的對象;從時間上看,從宇宙的創生,到宇宙的結束(如果有結束的話),無不是天文學研究的時段。

  天文學的研究方法也與其他自然學科有著明顯的區別。我們既取不到太陽的物質來化驗分析,也不能模仿著建造一個星星,我們甚至連直接測量一顆普通恆星的質量、密度、化學成分都無法做到。一切幾乎僅依靠「觀測」這樣一種相對單一、被動的研究手段。由於天文學的特殊性,無法接近研究對象,通過觀測到的信息又缺少關鍵資料,所以天文學研究的方法與其他自然科學有著明顯的區別。可以說,天文學理論如同在沙裡淘金一樣,大量的探索只留下很少的科學結晶,但天文學從來沒有停止過發展。

  天文學包括很多分支,按照研究內容分為:天體測量學、天體力學和天體物理學。

  天體測量學是天文學中發展最早的一個分支,它的主要內容是研究和測定各類天體的位置和運動,建立天球參考系等。利用天體測量方法取得的觀測資料,不僅可以用於天體力學和天體物理研究,而且具有應用價值,比如用以確定地面點的位置。目前,天體測量的手段已從早期單一的可見光波段,發展到射電、紅外等其他電磁波段,精度也不斷提高,並且從地面擴展到空間,這就是空間天體測量。

  天體力學主要研究天體的相互作用、運動和形狀,其中運動應包括天體的自轉。早期的研究對象是太陽系天體,目前已擴展到恆星、星團和星系。牛頓萬有引力定律和運動三定律的建立奠定了天體力學的基礎,使研究工作從運動學發展到動力學。因此,實際上可以說牛頓是天體力學的創始人。今天,我們可以準確地預報日食、月食等天象,和天體力學的發展是分不開的。

  天體物理是天文學中最年輕的一門分支學科,它應用物理學的技術、方法和理論,來研究各類天體的形態、結構、分布、化學組成、物理狀態和性質以及它們的演化規律。18世紀赫歇爾開創恆星天文學可謂天體物理學的孕育時期。19世紀中葉,隨著天文觀測技術的發展,天體物理成為天文學一個獨立的分支學科,並促使天文觀測和研究不斷做出新發現和新成果。就其研究內容來說,有太陽物理、太陽系物理、恆星物理、銀河系天文、星系天文、宇宙化學、天體演化及宇宙學等;就其研究方法而言,又可分為實測天體物理和理論天體物理。

  天文學的發展經歷了三個主要的裡程碑:從地心說到日心說,從日心說到銀河系,從銀河繫到河外星系。

  早在公元前4世紀,古希臘哲學家亞里斯多德就已提出了「地心說」,

  即認為地球位於宇宙的中心。根據這一學說,地為球形,且居於宇宙中心,靜止不動,其他天體都繞著地球轉動。這一學說從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、周而復始的現象,又符合上帝創造人類、地球必然在宇宙中居有至高無上地位的宗教教義,因而流傳時間長達1300餘年。

  16世紀中期,波蘭天文學家哥白尼在他的不朽名著《天體運行論》中系統地提出了日心說。

  在他闡釋的日心體系中,太陽居於宇宙的中心,地球和其他行星沿著圓形軌道繞太陽運行。按照日心說理論,就地球上的人來看,天上恆星的位置應隨著地球繞太陽運動而發生變化。就這樣,地球的地位從居宇宙之中的特殊天體降為繞太陽運動的一顆普通行星。

  17世紀初,

  伽利略利用他的望遠鏡發現了月球表面的環形山、金星、木星的衛星、太陽黑子,發現了茫茫銀河由無數個恆星所組成。18世紀後期,英籍德國天文學家威廉·赫歇爾利用他自製的當時世界上的46釐米望遠鏡,通過長期地實際觀測,並經過精心地分析研究,建立了第一個銀河系模型。

  在這一模型中,太陽仍然位於當時人們所認識的宇宙範圍——銀河系的中心。20世紀初,美國天文學家沙普利通過對銀河系內天體分布的分析,確認太陽並不位於銀河系的中心,而是處於相對來說比較靠近銀河系邊緣的地方,從而糾正了赫歇爾銀河系模型的錯誤。這樣,太陽的地位也發生了變化,從居於銀河系中心的特殊恆星降為銀河系中一顆毫無特殊地位可言的普通恆星,地球在宇宙中的地位也就更無特殊性可言了。

  那麼,銀河系是否已經包括了宇宙的全部內容呢?18世紀中期,德國人康德明確提出在銀河系外的宇宙空間中存在著無數個類似的天體系統,

  稱為河外星系,或簡稱星系,甚至確指仙女大星雲即是一個很好的例子。但直到20世紀初,關於星雲的本質仍然沒有明確的定論。20世紀20年代,哈勃利用當時世界上的2.5米的望遠鏡觀測仙女星雲時,發現了裡面的造父變星,然後利用對造父變星的觀測,推算出這個仙女星雲離地球為225萬光年,顯然,這個距離遠在銀河系以外,改名為仙女星系。現在天文學家已經拍到各種各樣的河外星系,等待著我們去探索。

  在天文學的研究下,宇宙正一步一步展開它神秘的面紗。總有,諸如光線彎曲、黑洞、虛時間這些深不可測的詞彙,在人們的心裡會變得不再陌生,我們會更加了解與我們息息相關的宇宙。神秘的天空總是深深地吸引著人類探索的目光。對於人類來說,宇宙是遙遠而神秘的,它充滿著無窮無盡的奧秘。

  對於人類來說,宇宙是遙遠而神秘的,它充滿著無窮無盡的奧秘。宇宙是什麼?宇宙有多大?宇宙存在有多久了?為了解決這些問題,誕生了一門新的科學——天文學。

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