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2020年诺贝尔物理学奖:再次感受“灿烂星空”的震撼

已有 956 次阅读 2020-10-21 09:50 |系统分类:科普集锦

2020年的诺贝尔物理学奖再次花落天体物理学领域。今年的诺贝尔物理学奖一半颁给英国数学物理学和天文学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),以表彰其给出的黑洞形成理论的证明,并成为广义相对论的有力证据;另一半由德国天体物理学家莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和美国女天文学家安德里亚·格兹(Andrea Ghez)共同获得,以表彰他们在银河系中心发现超大质量高密度天体(即银河系中心的巨型黑洞)。


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图片来源:诺贝尔奖新闻媒体账号截图

在南开大学苏宜教授的《天文学新概论(第五版)》399~400页介绍了彭罗斯和他的工作;368~369页介绍了根泽尔和格兹的工作。这本书的第一版前言还引用了一段德文原文:

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这是德国著名哲学家伊曼努尔·康德在1788年他64岁时发表的名著《实践理性批判》结论中的一段名言,镌刻在位于俄罗斯加里宁格勒(即康德故里柯尼斯堡,二战以后划归苏联)的康德墓室纪念铭牌上,保存至今。译成中文的意思是:

世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵,一件是我们心中崇高的道德准则, 另一件是我们头顶上灿烂的星空。


岁月流逝已经200多年,当我们今天诵读、品味这段名言的时候,它所深含的人生哲理依旧会在每个人的心目中熠熠生辉。震撼我们心灵 的“灿烂星空”正逐渐被科学家们揭开神秘的面纱。

下表列出了从1964至2020年获诺贝尔奖的天文课题:诺贝尔物理学奖有14个年度19项天文课题,30位科学家获奖,另有一位加拿大赫兹堡天文台物理学家的天文课题获1971年诺贝尔化学奖。天体物理课题在2019、2020连续两年获诺贝尔物理学奖,这在历史上还是第一次!

1964~2020年获诺贝尔奖的天文课题
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和浩瀚的宇宙相比,地球是多么渺小,人的一生又何其短暂;但人类存在的价值之 一,在于人的智慧代代相传,人类集体的智慧能够探究浩瀚宇宙中的无穷奥秘。人生于世,时时都应意识到我们生活在社会群体中,我们生活在自然怀抱里。当我们与社会中的 别人打交道时,崇高的道德准则是必须遵守的;人在自然怀抱里更不能无视天地宇宙之间自然界庄严的规律。仰望星空,无论是几十年前还是几十年后,无论你身在地球上什么地方,灿烂的群星总以它那无比的深邃和静谧,向你展示着神秘而和谐的宇宙图景,使你心 驰神往,无限遐思,心灵得到净化。

1997年7月在第二届海峡两岸天文推广教育研讨会上,全国人大常委、中国科学 院院士叶叔华先生发表文章说:“天文学与其他科学一样不仅是知识的本体,更重要的是一种思维方法。”“让天文学从神秘高深的科学殿堂里走出来,成为人们生活中不可缺少的一部分,以达到净化精神、陶冶情操、提升素质的目的。这是历史和社会赋予天文学家、推广教育人士、科普工作者以及所有具有天文知识的人的崇高责任与义务。”

苏宜教授的《天文学新概论》是国家级教学团队·科学素质教育丛书之一,其雏稿是1993年应南开大学为文理科学生开设《天文学概论》公选课之需而编写的,其后课程又扩展至天津大学,至2017年底,连续49学期,两校选课学生共达26163人。教书—写书—再版修订—再教—再写……,一己之力,亲历亲为,冀望良性循环,历久弥新。该书连出五版,共21次印刷,从初版的34万字到第五版的78万字(不包括在中国台湾出版的繁体字版)。

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这本书写作以“既说明事理,又提高兴致”为宗旨,力求二者兼顾,使不同专业的学生都能够撷英汲粹,兴趣盎然。少许略微专深一些的内容,用小号字穿插于章节之中,供一部分理科基础较强的学生选读。跳过这些段落,也不影响对全书的连贯理解。希望本书除作为高等学校天文选修课教材之外,也能成为具有中等以上文化水平的读者获取天文知识的有益读物。

本书第五版467页写道:仰望苍穹,宇宙之浩渺寥廓和物质的稀少寡淡成为鲜明的对比。如果把所有天体物质都打成碎屑,再均匀散布到宇宙各处,那么,在以地球到月亮的距离为半径的球形空间里,只有不到100克重子物质(即以中子、质子为主体的普通物质——天文上称为亮物质)。

本书第五版485页写道:在这个由物质组成的宇宙中,人类几千年的文明辛辛苦苦积累起来的科学知识,只限于对普通物质——亮物质的了解。无论是地球、太阳、遥远的恒星、庞大的星系,还是形形色色的生物,微观世界的物质粒子,都只不过是由亮物质所组成。它们仅占宇宙物质总量的不足5%。人类熟知并自以为已经非常渊博的学问,原来只限于对孤悬在宇宙之中那些最特殊的材料的了解。余下95%以上更一般的材料属于我们全不知晓的“两暗”物质:不发任何辐射因而我们无从探测,它自身为“暗”的暗物质;以及我们只能茫然以对,犹如我们自身处在“暗中”而对其一无所知的“暗能量”。

本书第五版34页图1.2.43是2013年7月19日卡西尼探测器在土星附近拍摄的土星环照片。箭头所指一个暗淡的小白点是远在14亿千米之外的人类的家乡——地球。美国当代天文学家卡尔•萨根(Carl Sagan)在他的科普书中写道:“那个光点,就是我们的家园,我们的一切。你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过他的一生。……超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯,都住在这里,一粒悬浮在阳光中的微尘。”很多非天文专业的人士,读书至此都为之动容。身为如此渺小的地球上的一个生灵,竟要凭借自己的智慧去徜徉星海,探寻无比宏大的宇宙。


有志趣的读者请接受本书对您的奉献吧!

阅读本书可以使读者比较系统地获得关于天体和宇宙的各种知识,科学地认识神秘而和谐的宇宙,了解人类生存的宇宙环境及人类探索宇宙的科学方法、艰辛历程和未来前景,达到开阔视野、启迪人生、提高科学素养和综合知识水平的目的。

本书目录



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绪论

   0.1 探索宇宙是人类永恒的欲望

   0.2 天文学与人类社会发展的关系

   0.3 天文学的研究对象

   0.4 天文学的分支学科和研究方法

第1章 宇宙概观

   1.1 地月系

        1.1.1 地球和月球

        1.1.2 地球是太阳系中唯一适宜生命繁衍的星球

        1.1.3 地球的形体和地月系年龄

        1.1.4 地球的内部结构和三大冰期

        1.1.5 月相

        1.1.6 地球自转在地球上留下的蛛丝马迹

   1.2 太阳系

        1.2.1 尺度概念

        1.2.2 太阳

        1.2.3 八大行星

        1.2.4 太阳系的物质分布

   1.3 恒星世界

        1.3.1 数量和名称 

        1.3.2 运动和距离 

        1.3.3 体积和质量 

   1.4 银河系及河外星系

        1.4.1 银河与银河系 

        1.4.2 河外星系

        1.4.3 星系以上的四级天体系统

第2章 天球坐标系

    2.1 建立球面坐标的基本原则

        2.1.1 天球

        2.1.2 球面的几何性质

        2.1.3 建立球面坐标的三个条件

   2.2 三种常用的天球坐标系

        2.2.1 地平坐标系

        2.2.2 赤道坐标系

        2.2.3 黄道坐标系

  2.3 天体的周日视运动

        2.3.1 不同纬度处天球的旋转

        2.3.2 天体中天和永不升落的天体

        2.3.3 天体的赤道坐标与地平坐标的换算

        2.3.4 天体的赤道坐标与黄道坐标的换算

  2.4 太阳的周年视运动

        2.4.1 太阳周年视运动是地球公转的反映

        2.4.2 太阳周年视运动中黄经的变化

        2.4.3 不同纬度处太阳视运动的轨迹

        2.4.4 日地距离与四季冷暖变化的原因

   2.5 天球赤道坐标系本身的运动

        2.5.1 岁差与地球自转轴进动

        2.5.2 岁差产生的后果

        2.5.3 章 动

        2.5.4 黄赤交角的变化与地球极移

   2.6 太阳系行星和卫星上的天球坐标系

        2.6.1 月球上的星空

        2.6.2 行星上的恒星和太阳视运动

        2.6.3 行星上的四季和昼夜长短

        2.6.4 其他卫星和冥王星的情况

第3章 时间计量序列

   3.1 恒星时与平太阳时

        3.1.1 恒星时

        3.1.2 平太阳时

  3.2 区时与世界时

        3.2.1 地方时与区时

        3.2.2 世界时与国际日期变更线

        3.2.3 时间与地理经度的关系

  3.3 恒星时与平时的换算

        3.3.1 时间间隔的换算

        3.3.2 时刻的换算

        3.3.3 天体时角的换算

   3.4 历法

        3.4.1 现行公历

        3.4.2 中国农历

        3.4.3 纪年和儒略日

        3.4.4 干支纪法

   3.5 黄道13星座与星座算命

   3.6 现代时间服务工作

        3.6.1 时间计量的现代概念

        3.6.2 国际时间服务

        3.6.3 协调世界时

第4章 行星系统

  4.1 IAU决议:太阳系行星的定义

        4.1.1 IAU的新决议

        4.1.2 行星发现简史

        4.1.3 IAU大会上的讨论

        4.1.4 IAU新决议的历史价值

  4.2 万有引力定律和行星运动方程

        4.2.1 万有引力定律

        4.2.2 二体问题的微分方程

        4.2.3 开普勒行星运动定律

        4.2.4 多体问题与摄动方法简介

        4.2.5 拉格朗日平动点  

        4.2.6 摄动力、潮汐现象和洛希极限

   4.3 行星运动轨道和视运动规律

        4.3.1 轨道根数

        4.3.2 行星的视运动规律

        4.3.3 日食和月食

   4.4 行星际飞行器的轨道问题

        4.4.1 二体问题中速度与轨道的关系

        4.4.2 三种宇宙速度的计算

        4.4.3 行星际飞行器的轨道设计

        4.4.4 定点通信卫星的特殊轨道和发射过程

   4.5 太阳系小天体

        4.5.1 小行星

        4.5.2 彗星

        4.5.3 海外天体

        4.5.4 流星和陨石

第5章 恒星

   5.1 恒星物理方法

        5.1.1 电磁波谱和天文大气窗口

        5.1.2 恒星的亮度、星等、光度

        5.1.3 恒星光度测量

        5.1.4 恒星的光谱和分光测量

        5.1.5 恒星物理研究与量子力学

   5.2 恒星的位置及运动参数

        5.2.1 恒星的位置

        5.2.2 恒星的运动参数

   5.3 主星序

        5.3.1 光谱型

        5.3.2 赫罗图——光谱光度图

        5.3.3 主序星

   5.4 双星

        5.4.1 双星的发现

        5.4.2 食双星

        5.4.3 分光双星和密近双星

        5.4.4 由双星测定恒星的质量

    5.5 星团、星云、星际物质

        5.5.1 星团

        5.5.2 星云

        5.5.3 星际物质

    5.6 不稳定恒星

        5.6.1 脉动变星

        5.6.2 非径向脉动与特殊变星

        5.6.3 耀星、新星和超新星

第6章 星系

   6.1 宇宙岛之争

   6.2 星系的分类  

        6.2.1 椭圆星系

        6.2.2 旋涡星系  

        6.2.3 棒旋星系

        6.2.4 不规则星系

  6.3 星系红移和哈勃常数

   6.4 星系的质量和距离

   6.5 本星系群

   6.6 星系团和超星系团

   6.7 活动星系

        6.7.1 射电星系

        6.7.2 爆发星系

        6.7.3 塞佛特星系

        6.7.4 蝎虎座BL型天体

        6.7.5 互扰星系

第7章 当代天文学新视野

   7.1 从光学望远镜到全波段天文学

        7.1.1 望远镜的功能

        7.1.2 天文光学望远镜的类型

        7.1.3 天文光学望远镜的制造简史

        7.1.4 大型光学望远镜的技术限制

        7.1.5 全波段天文学

   7.2 20世纪90年代以后的大型天文光学望远镜

        7.2.1 美国的凯克(KeckⅠ和KeckⅡ)10米望远镜

        7.2.2 欧洲南方天文台甚大望远镜

        7.2.3 双子星座望远镜

        7.2.4 口径11米光谱巡天望远镜

        7.2.5 日本的昴星团望远镜

        7.2.6 美-意-德大双筒望远镜

        7.2.7 南非大望远镜

        7.2.8 西班牙大望远镜

   7.3 20世纪90年代以后的大型天文射电望远镜

        7.3.1 美国甚长基线阵

        7.3.2 美国绿堤射电望远镜

        7.3.3 英国微波联线干涉网

        7.3.4 欧洲甚长基线干涉网

        7.3.5 印度巨型米波射电望远镜阵

        7.3.6 欧洲的低频微波阵

        7.3.7 阿塔卡玛大毫米波/亚毫米波阵

        7.3.8 其他几个毫米波/亚毫米波阵

   7.4 空间天文探测设备

        7.4.1 苏联的载人飞行和月球探测

        7.4.2 美国的阿波罗登月行动

        7.4.3 水手号和海盗号探测器

        7.4.4 先驱者和旅行者的行星探测

        7.4.5 哈勃空间望远镜  

        7.4.6 伽利略号、朱诺号木星探测器和卡西尼号土星探测器

        7.4.7 信使号的水星探测

        7.4.8 新一轮的火星探测

        7.4.9 20世纪90年代以后轨道上的其他天文探测设备

   7.5 21世纪的天文望远镜计划

        7.5.1 新一代空间望远镜

        7.5.2 星座式X射线天文台

        7.5.3 大型综合巡天望远镜

        7.5.4 30米口径地面光学望远镜

        7.5.5 美-加-澳42米大望远镜

        7.5.6 先进空地射电干涉仪

        7.5.7 费米γ射线空间望远镜

        7.5.8 太阳动力学天文台和帕克太阳探测器

        7.5.9 空间激光干涉仪

        7.5.10 开普勒类地行星探测飞船

        7.5.11 类地行星搜寻者

        7.5.12 欧洲的新天体测量卫星

        7.5.13 欧洲的地面大光学望远镜计划

        7.5.14 欧洲的赫歇尔望远镜和普朗克望远镜

        7.5.15 口径16米空间望远镜

        7.5.16 平方千米阵列射电望远镜SKA

   7.6 中国的现代天文望远镜建设

        7.6.1 郭守敬望远镜LAMOST

        7.6.2 空间太阳望远镜SST

        7.6.3 500米口径球面射电望远镜FAST

        7.6.4 悟空号暗物质探测卫星DAMPE

        7.6.5 慧眼号硬X射线调制望远镜HXMT

        7.6.6 21厘米微波阵列望远镜21CMA

        7.6.7 明安图射电频谱日像仪MUSER

        7.6.8 天马65米射电望远镜TMRT和奇台110米射电望远镜QTT

        7.6.9 嫦娥号探月工程

        7.6.10 中国南极天文计划与建设

        7.6.11 中国其他正在推进的大望远镜计划

第8章 20世纪60年代天文学四大发现

   8.1 脉冲星

   8.2 类星体

        8.2.1 发现

        8.2.2 类星体的空间分布

        8.2.3 红移有没有极限

        8.2.4 红移量本质之争

        8.2.5 类星体到底是什么

  8.3 3开宇宙背景辐射

   8.4 星际有机分子

第9章 恒星的能源和演化机制

   9.1 恒星的能源

        9.1.1 爱丁顿的难题

        9.1.2 原子的内部结构

        9.1.3 夸克、中微子和反物质

        9.1.4 质子-质子反应和碳-氮-氧循环

        9.1.5 太阳中微子失踪悬案

        9.1.6 来自人造核反应堆和宇宙极高能“加速器”的中微子

   9.2 主序和主序前期

        9.2.1 主序星的理论模型

        9.2.2 不同质量的主序星

        9.2.3 主序前的情况

        9.2.4 恒星早期演化框图

   9.3 主序后的演化

        9.3.1 氨后元素的热核反应

        9.3.2 小质量恒星的晚期演化

        9.3.3 中等质量恒星的晚期演化

        9.3.4 大质量恒星的晚期演化

        9.3.5 密近双星的演化·

        9.3.6 两类超新星

   9.4 恒星演化的最后结局

        9.4.1 简并

        9.4.2 两个重要的极限

        9.4.3 恒星晚期演化框图

        9.4.4 球状星团的年龄

        9.4.5 泡利不相容原理与电子在原子中的运动状态

第10章 黑洞

   10.1 黑洞的数学模型

   10.2 黑洞的物理机制

   10.3 黑洞的奇妙性质

        10.3.1 视界

        10.3.2 引潮力

        10.3.3 时空特性

        10.3.4 时间冻结

        10.3.5 黑洞无毛和黑洞蒸发

        10.3.6 旋转黑洞造成的时空漩涡

        10.3.7 黑洞与黑洞之间的碰撞

   10.4 黑洞的天文探测

   10.5 巨型黑洞、微型黑洞和中等质量黑洞

   10.6 活动星系核和类星体的能源机制

   10.7 人类第一张巨型黑洞的真实照片

   10.8 宇宙深处的y射线暴

   10.9 引力透镜

   10.10 引力波

   10.11 黑洞奇点、白洞和虫洞

第11章 地外文明

   11.1 生命的含义与生命起源概述

   11.2 地外生命存在的科学依据

        11.2.1 前提

        11.2.2 生命存在的环境条件

        11.2.3 有关地外生命的观测和实验

   11.3 地外文明探索的艰巨性

   11.4 已做出的探测努力

        11.4.1 系外行星的探测·

        11.4.2 Kepler探测器对系外行星的探测

        11.4.3 信号的监听与发送

   11.5 太阳系内的地外生命问题

        11.5.1 月球水冰的发现

        11.5.2 对火星生命的探测

        11.5.3 对木星、土星及其卫星的考察

   11.6 关于UFO现象

第12章 宇宙模型理论

   12.1 宇宙学和宇宙学原理

   12.2 牛顿静态宇宙模型

   12.3 爱因斯坦有限无界宇宙模型

   12.4 伽莫夫的大爆炸宇宙模型

   12.5 稳恒态宇宙模型

   12.6 标准的大爆炸宇宙模型

        12.6.1化学元素的演化史

        12.6.2 物质粒子的产生机制

        12.6.3 标准宇宙模型的宇宙进程

        12.6.4 标准宇宙模型的观测验证

        12.6.5 重子声学振荡BAO

        12.6.6 我们实际看到的宇宙空间有多大?

        12.6.7 关于16亿:1和(10亿+1):10亿

   12.7 宇宙极早期的暴胀模型

        12.7.1 视界疑难

        12.7.2 平直性疑难

        12.7.3 磁单极疑难

        12.7.4 暴胀模型对疑难的化解

   12.8 21世纪的两朵乌云——暗物质和暗能量

        12.8.1 开宇宙和闭宇宙

        12.8.2 21世纪的第一朵乌云——暗物质

        12.8.3 21世纪的第二朵乌云——暗能量

        12.8.4 红移与距离的关系

        12.8.5 斯优尼亚耶夫-泽尔多维奇效应

   12.9 对称与破缺,奇点问题

附录

   附录1 星座表

   附录2 梅西耶(Messier) 天体表

   附录3 最亮的21颗恒星

   附录4 太阳附近的恒星(近于12光年)

   附录5 中国古代的星空划分

   附录6 古代中国的岁名、十二次等和西方古代的黄道十二宫

   附录7 部分亮星的中国星名

   附录8 天文常数系统(IAU 2009天文常数系数)

   附录9 天文学常用的物理常数

   附录10 角度·时间·距离

   附录11 太阳·月球·地球

   附录12 平时0时的恒星时S0表

   附录13 八大行星表

   附录14 银河系的基本参量



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