2020年諾貝爾物理學獎:再次感受“燦爛星空”的震撼
2020年的諾貝爾物理學獎再次花落天體物理學領域。今年的諾貝爾物理學獎一半頒給英國數(shù)學物理學和天文學家羅杰·彭羅斯(Roger Penrose),以表彰其給出的黑洞形成理論的證明,并成為廣義相對論的有力證據(jù);另一半由德國天體物理學家萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)和美國女天文學家安德里亞·格茲(Andrea Ghez)共同獲得,以表彰他們在銀河系中心發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量高密度天體(即銀河系中心的巨型黑洞)。
圖片來源:諾貝爾獎新聞媒體賬號截圖
在南開大學蘇宜教授的《天文學新概論(第五版)》399~400頁介紹了彭羅斯和他的工作;368~369頁介紹了根澤爾和格茲的工作。這本書的第一版前言還引用了一段德文原文:
這是德國著名哲學家伊曼努爾·康德在1788年他64歲時發(fā)表的名著《實踐理性批判》結(jié)論中的一段名言,鐫刻在位于俄羅斯加里寧格勒(即康德故里柯尼斯堡,二戰(zhàn)以后劃歸蘇聯(lián))的康德墓室紀念銘牌上,保存至今。譯成中文的意思是:
世界上有兩件東西能夠深深地震撼人們的心靈,一件是我們心中崇高的道德準則, 另一件是我們頭頂上燦爛的星空。
歲月流逝已經(jīng)200多年,當我們今天誦讀、品味這段名言的時候,它所深含的人生哲理依舊會在每個人的心目中熠熠生輝。震撼我們心靈 的“燦爛星空”正逐漸被科學家們揭開神秘的面紗。
下表列出了從1964至2020年獲諾貝爾獎的天文課題:諾貝爾物理學獎有14個年度19項天文課題,30位科學家獲獎,另有一位加拿大赫茲堡天文臺物理學家的天文課題獲1971年諾貝爾化學獎。天體物理課題在2019、2020連續(xù)兩年獲諾貝爾物理學獎,這在歷史上還是第一次!
1964~2020年獲諾貝爾獎的天文課題
和浩瀚的宇宙相比,地球是多么渺小,人的一生又何其短暫;但人類存在的價值之 一,在于人的智慧代代相傳,人類集體的智慧能夠探究浩瀚宇宙中的無窮奧秘。人生于世,時時都應意識到我們生活在社會群體中,我們生活在自然懷抱里。當我們與社會中的 別人打交道時,崇高的道德準則是必須遵守的;人在自然懷抱里更不能無視天地宇宙之間自然界莊嚴的規(guī)律。仰望星空,無論是幾十年前還是幾十年后,無論你身在地球上什么地方,燦爛的群星總以它那無比的深邃和靜謐,向你展示著神秘而和諧的宇宙圖景,使你心 馳神往,無限遐思,心靈得到凈化。
1997年7月在第二屆海峽兩岸天文推廣教育研討會上,全國人大常委、中國科學 院院士葉叔華先生發(fā)表文章說:“天文學與其他科學一樣不僅是知識的本體,更重要的是一種思維方法?!薄白屘煳膶W從神秘高深的科學殿堂里走出來,成為人們生活中不可缺少的一部分,以達到凈化精神、陶冶情操、提升素質(zhì)的目的。這是歷史和社會賦予天文學家、推廣教育人士、科普工作者以及所有具有天文知識的人的崇高責任與義務?!?/p>
蘇宜教授的《天文學新概論》是國家級教學團隊·科學素質(zhì)教育叢書之一,其雛稿是1993年應南開大學為文理科學生開設《天文學概論》公選課之需而編寫的,其后課程又擴展至天津大學,至2017年底,連續(xù)49學期,兩校選課學生共達26163人。教書—寫書—再版修訂—再教—再寫……,一己之力,親歷親為,冀望良性循環(huán),歷久彌新。該書連出五版,共21次印刷,從初版的34萬字到第五版的78萬字(不包括在中國臺灣出版的繁體字版)。
這本書寫作以“既說明事理,又提高興致”為宗旨,力求二者兼顧,使不同專業(yè)的學生都能夠擷英汲粹,興趣盎然。少許略微專深一些的內(nèi)容,用小號字穿插于章節(jié)之中,供一部分理科基礎較強的學生選讀。跳過這些段落,也不影響對全書的連貫理解。希望本書除作為高等學校天文選修課教材之外,也能成為具有中等以上文化水平的讀者獲取天文知識的有益讀物。
本書第五版467頁寫道:仰望蒼穹,宇宙之浩渺寥廓和物質(zhì)的稀少寡淡成為鮮明的對比。如果把所有天體物質(zhì)都打成碎屑,再均勻散布到宇宙各處,那么,在以地球到月亮的距離為半徑的球形空間里,只有不到100克重子物質(zhì)(即以中子、質(zhì)子為主體的普通物質(zhì)——天文上稱為亮物質(zhì))。
本書第五版485頁寫道:在這個由物質(zhì)組成的宇宙中,人類幾千年的文明辛辛苦苦積累起來的科學知識,只限于對普通物質(zhì)——亮物質(zhì)的了解。無論是地球、太陽、遙遠的恒星、龐大的星系,還是形形色色的生物,微觀世界的物質(zhì)粒子,都只不過是由亮物質(zhì)所組成。它們僅占宇宙物質(zhì)總量的不足5%。人類熟知并自以為已經(jīng)非常淵博的學問,原來只限于對孤懸在宇宙之中那些最特殊的材料的了解。余下95%以上更一般的材料屬于我們?nèi)恢獣缘摹皟砂怠蔽镔|(zhì):不發(fā)任何輻射因而我們無從探測,它自身為“暗”的暗物質(zhì);以及我們只能茫然以對,猶如我們自身處在“暗中”而對其一無所知的“暗能量”。
本書第五版34頁圖1.2.43是2013年7月19日卡西尼探測器在土星附近拍攝的土星環(huán)照片。箭頭所指一個暗淡的小白點是遠在14億千米之外的人類的家鄉(xiāng)——地球。美國當代天文學家卡爾?薩根(Carl Sagan)在他的科普書中寫道:“那個光點,就是我們的家園,我們的一切。你所愛的每一個人,你認識的每一個人,你聽說過的每一個人,曾經(jīng)有過的每一個人,都在它上面度過他的一生?!壝餍恰⒆罡哳I袖、人類歷史上的每一個圣人與罪犯,都住在這里,一粒懸浮在陽光中的微塵。”很多非天文專業(yè)的人士,讀書至此都為之動容。身為如此渺小的地球上的一個生靈,竟要憑借自己的智慧去徜徉星海,探尋無比宏大的宇宙。
14億千米之外的人類家鄉(xiāng)——地球
有志趣的讀者請接受本書對您的奉獻吧!
閱讀本書可以使讀者比較系統(tǒng)地獲得關于天體和宇宙的各種知識,科學地認識神秘而和諧的宇宙,了解人類生存的宇宙環(huán)境及人類探索宇宙的科學方法、艱辛歷程和未來前景,達到開闊視野、啟迪人生、提高科學素養(yǎng)和綜合知識水平的目的。
本書目錄
向上滑動閱覽本書目錄
緒論
0.1 探索宇宙是人類永恒的欲望
0.2 天文學與人類社會發(fā)展的關系
0.3 天文學的研究對象
0.4 天文學的分支學科和研究方法
第1章 宇宙概觀
1.1 地月系
1.1.1 地球和月球
1.1.2 地球是太陽系中唯一適宜生命繁衍的星球
1.1.3 地球的形體和地月系年齡
1.1.4 地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和三大冰期
1.1.5 月相
1.1.6 地球自轉(zhuǎn)在地球上留下的蛛絲馬跡
1.2 太陽系
1.2.1 尺度概念
1.2.2 太陽
1.2.3 八大行星
1.2.4 太陽系的物質(zhì)分布
1.3 恒星世界
1.3.1 數(shù)量和名稱
1.3.2 運動和距離
1.3.3 體積和質(zhì)量
1.4 銀河系及河外星系
1.4.1 銀河與銀河系
1.4.2 河外星系
1.4.3 星系以上的四級天體系統(tǒng)
第2章 天球坐標系
2.1 建立球面坐標的基本原則
2.1.1 天球
2.1.2 球面的幾何性質(zhì)
2.1.3 建立球面坐標的三個條件
2.2 三種常用的天球坐標系
2.2.1 地平坐標系
2.2.2 赤道坐標系
2.2.3 黃道坐標系
2.3 天體的周日視運動
2.3.1 不同緯度處天球的旋轉(zhuǎn)
2.3.2 天體中天和永不升落的天體
2.3.3 天體的赤道坐標與地平坐標的換算
2.3.4 天體的赤道坐標與黃道坐標的換算
2.4 太陽的周年視運動
2.4.1 太陽周年視運動是地球公轉(zhuǎn)的反映
2.4.2 太陽周年視運動中黃經(jīng)的變化
2.4.3 不同緯度處太陽視運動的軌跡
2.4.4 日地距離與四季冷暖變化的原因
2.5 天球赤道坐標系本身的運動
2.5.1 歲差與地球自轉(zhuǎn)軸進動
2.5.2 歲差產(chǎn)生的后果
2.5.3 章 動
2.5.4 黃赤交角的變化與地球極移
2.6 太陽系行星和衛(wèi)星上的天球坐標系
2.6.1 月球上的星空
2.6.2 行星上的恒星和太陽視運動
2.6.3 行星上的四季和晝夜長短
2.6.4 其他衛(wèi)星和冥王星的情況
第3章 時間計量序列
3.1 恒星時與平太陽時
3.1.1 恒星時
3.1.2 平太陽時
3.2 區(qū)時與世界時
3.2.1 地方時與區(qū)時
3.2.2 世界時與國際日期變更線
3.2.3 時間與地理經(jīng)度的關系
3.3 恒星時與平時的換算
3.3.1 時間間隔的換算
3.3.2 時刻的換算
3.3.3 天體時角的換算
3.4 歷法
3.4.1 現(xiàn)行公歷
3.4.2 中國農(nóng)歷
3.4.3 紀年和儒略日
3.4.4 干支紀法
3.5 黃道13星座與星座算命
3.6 現(xiàn)代時間服務工作
3.6.1 時間計量的現(xiàn)代概念
3.6.2 國際時間服務
3.6.3 協(xié)調(diào)世界時
第4章 行星系統(tǒng)
4.1 IAU決議:太陽系行星的定義
4.1.1 IAU的新決議
4.1.2 行星發(fā)現(xiàn)簡史
4.1.3 IAU大會上的討論
4.1.4 IAU新決議的歷史價值
4.2 萬有引力定律和行星運動方程
4.2.1 萬有引力定律
4.2.2 二體問題的微分方程
4.2.3 開普勒行星運動定律
4.2.4 多體問題與攝動方法簡介
4.2.5 拉格朗日平動點
4.2.6 攝動力、潮汐現(xiàn)象和洛希極限
4.3 行星運動軌道和視運動規(guī)律
4.3.1 軌道根數(shù)
4.3.2 行星的視運動規(guī)律
4.3.3 日食和月食
4.4 行星際飛行器的軌道問題
4.4.1 二體問題中速度與軌道的關系
4.4.2 三種宇宙速度的計算
4.4.3 行星際飛行器的軌道設計
4.4.4 定點通信衛(wèi)星的特殊軌道和發(fā)射過程
4.5 太陽系小天體
4.5.1 小行星
4.5.2 彗星
4.5.3 海外天體
4.5.4 流星和隕石
第5章 恒星
5.1 恒星物理方法
5.1.1 電磁波譜和天文大氣窗口
5.1.2 恒星的亮度、星等、光度
5.1.3 恒星光度測量
5.1.4 恒星的光譜和分光測量
5.1.5 恒星物理研究與量子力學
5.2 恒星的位置及運動參數(shù)
5.2.1 恒星的位置
5.2.2 恒星的運動參數(shù)
5.3 主星序
5.3.1 光譜型
5.3.2 赫羅圖——光譜光度圖
5.3.3 主序星
5.4 雙星
5.4.1 雙星的發(fā)現(xiàn)
5.4.2 食雙星
5.4.3 分光雙星和密近雙星
5.4.4 由雙星測定恒星的質(zhì)量
5.5 星團、星云、星際物質(zhì)
5.5.1 星團
5.5.2 星云
5.5.3 星際物質(zhì)
5.6 不穩(wěn)定恒星
5.6.1 脈動變星
5.6.2 非徑向脈動與特殊變星
5.6.3 耀星、新星和超新星
第6章 星系
6.1 宇宙島之爭
6.2 星系的分類
6.2.1 橢圓星系
6.2.2 旋渦星系
6.2.3 棒旋星系
6.2.4 不規(guī)則星系
6.3 星系紅移和哈勃常數(shù)
6.4 星系的質(zhì)量和距離
6.5 本星系群
6.6 星系團和超星系團
6.7 活動星系
6.7.1 射電星系
6.7.2 爆發(fā)星系
6.7.3 塞佛特星系
6.7.4 蝎虎座BL型天體
6.7.5 互擾星系
第7章 當代天文學新視野
7.1 從光學望遠鏡到全波段天文學
7.1.1 望遠鏡的功能
7.1.2 天文光學望遠鏡的類型
7.1.3 天文光學望遠鏡的制造簡史
7.1.4 大型光學望遠鏡的技術限制
7.1.5 全波段天文學
7.2 20世紀90年代以后的大型天文光學望遠鏡
7.2.1 美國的凱克(KeckⅠ和KeckⅡ)10米望遠鏡
7.2.2 歐洲南方天文臺甚大望遠鏡
7.2.3 雙子星座望遠鏡
7.2.4 口徑11米光譜巡天望遠鏡
7.2.5 日本的昴星團望遠鏡
7.2.6 美-意-德大雙筒望遠鏡
7.2.7 南非大望遠鏡
7.2.8 西班牙大望遠鏡
7.3 20世紀90年代以后的大型天文射電望遠鏡
7.3.1 美國甚長基線陣
7.3.2 美國綠堤射電望遠鏡
7.3.3 英國微波聯(lián)線干涉網(wǎng)
7.3.4 歐洲甚長基線干涉網(wǎng)
7.3.5 印度巨型米波射電望遠鏡陣
7.3.6 歐洲的低頻微波陣
7.3.7 阿塔卡瑪大毫米波/亞毫米波陣
7.3.8 其他幾個毫米波/亞毫米波陣
7.4 空間天文探測設備
7.4.1 蘇聯(lián)的載人飛行和月球探測
7.4.2 美國的阿波羅登月行動
7.4.3 水手號和海盜號探測器
7.4.4 先驅(qū)者和旅行者的行星探測
7.4.5 哈勃空間望遠鏡
7.4.6 伽利略號、朱諾號木星探測器和卡西尼號土星探測器
7.4.7 信使號的水星探測
7.4.8 新一輪的火星探測
7.4.9 20世紀90年代以后軌道上的其他天文探測設備
7.5 21世紀的天文望遠鏡計劃
7.5.1 新一代空間望遠鏡
7.5.2 星座式X射線天文臺
7.5.3 大型綜合巡天望遠鏡
7.5.4 30米口徑地面光學望遠鏡
7.5.5 美-加-澳42米大望遠鏡
7.5.6 先進空地射電干涉儀
7.5.7 費米γ射線空間望遠鏡
7.5.8 太陽動力學天文臺和帕克太陽探測器
7.5.9 空間激光干涉儀
7.5.10 開普勒類地行星探測飛船
7.5.11 類地行星搜尋者
7.5.12 歐洲的新天體測量衛(wèi)星
7.5.13 歐洲的地面大光學望遠鏡計劃
7.5.14 歐洲的赫歇爾望遠鏡和普朗克望遠鏡
7.5.15 口徑16米空間望遠鏡
7.5.16 平方千米陣列射電望遠鏡SKA
7.6 中國的現(xiàn)代天文望遠鏡建設
7.6.1 郭守敬望遠鏡LAMOST
7.6.2 空間太陽望遠鏡SST
7.6.3 500米口徑球面射電望遠鏡FAST
7.6.4 悟空號暗物質(zhì)探測衛(wèi)星DAMPE
7.6.5 慧眼號硬X射線調(diào)制望遠鏡HXMT
7.6.6 21厘米微波陣列望遠鏡21CMA
7.6.7 明安圖射電頻譜日像儀MUSER
7.6.8 天馬65米射電望遠鏡TMRT和奇臺110米射電望遠鏡QTT
7.6.9 嫦娥號探月工程
7.6.10 中國南極天文計劃與建設
7.6.11 中國其他正在推進的大望遠鏡計劃
第8章 20世紀60年代天文學四大發(fā)現(xiàn)
8.1 脈沖星
8.2 類星體
8.2.1 發(fā)現(xiàn)
8.2.2 類星體的空間分布
8.2.3 紅移有沒有極限
8.2.4 紅移量本質(zhì)之爭
8.2.5 類星體到底是什么
8.3 3開宇宙背景輻射
8.4 星際有機分子
第9章 恒星的能源和演化機制
9.1 恒星的能源
9.1.1 愛丁頓的難題
9.1.2 原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
9.1.3 夸克、中微子和反物質(zhì)
9.1.4 質(zhì)子-質(zhì)子反應和碳-氮-氧循環(huán)
9.1.5 太陽中微子失蹤懸案
9.1.6 來自人造核反應堆和宇宙極高能“加速器”的中微子
9.2 主序和主序前期
9.2.1 主序星的理論模型
9.2.2 不同質(zhì)量的主序星
9.2.3 主序前的情況
9.2.4 恒星早期演化框圖
9.3 主序后的演化
9.3.1 氨后元素的熱核反應
9.3.2 小質(zhì)量恒星的晚期演化
9.3.3 中等質(zhì)量恒星的晚期演化
9.3.4 大質(zhì)量恒星的晚期演化
9.3.5 密近雙星的演化·
9.3.6 兩類超新星
9.4 恒星演化的最后結(jié)局
9.4.1 簡并
9.4.2 兩個重要的極限
9.4.3 恒星晚期演化框圖
9.4.4 球狀星團的年齡
9.4.5 泡利不相容原理與電子在原子中的運動狀態(tài)
第10章 黑洞
10.1 黑洞的數(shù)學模型
10.2 黑洞的物理機制
10.3 黑洞的奇妙性質(zhì)
10.3.1 視界
10.3.2 引潮力
10.3.3 時空特性
10.3.4 時間凍結(jié)
10.3.5 黑洞無毛和黑洞蒸發(fā)
10.3.6 旋轉(zhuǎn)黑洞造成的時空漩渦
10.3.7 黑洞與黑洞之間的碰撞
10.4 黑洞的天文探測
10.5 巨型黑洞、微型黑洞和中等質(zhì)量黑洞
10.6 活動星系核和類星體的能源機制
10.7 人類第一張巨型黑洞的真實照片
10.8 宇宙深處的y射線暴
10.9 引力透鏡
10.10 引力波
10.11 黑洞奇點、白洞和蟲洞
第11章 地外文明
11.1 生命的含義與生命起源概述
11.2 地外生命存在的科學依據(jù)
11.2.1 前提
11.2.2 生命存在的環(huán)境條件
11.2.3 有關地外生命的觀測和實驗
11.3 地外文明探索的艱巨性
11.4 已做出的探測努力
11.4.1 系外行星的探測·
11.4.2 Kepler探測器對系外行星的探測
11.4.3 信號的監(jiān)聽與發(fā)送
11.5 太陽系內(nèi)的地外生命問題
11.5.1 月球水冰的發(fā)現(xiàn)
11.5.2 對火星生命的探測
11.5.3 對木星、土星及其衛(wèi)星的考察
11.6 關于UFO現(xiàn)象
第12章 宇宙模型理論
12.1 宇宙學和宇宙學原理
12.2 牛頓靜態(tài)宇宙模型
12.3 愛因斯坦有限無界宇宙模型
12.4 伽莫夫的大爆炸宇宙模型
12.5 穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型
12.6 標準的大爆炸宇宙模型
12.6.1化學元素的演化史
12.6.2 物質(zhì)粒子的產(chǎn)生機制
12.6.3 標準宇宙模型的宇宙進程
12.6.4 標準宇宙模型的觀測驗證
12.6.5 重子聲學振蕩BAO
12.6.6 我們實際看到的宇宙空間有多大?
12.6.7 關于16億:1和(10億+1):10億
12.7 宇宙極早期的暴脹模型
12.7.1 視界疑難
12.7.2 平直性疑難
12.7.3 磁單極疑難
12.7.4 暴脹模型對疑難的化解
12.8 21世紀的兩朵烏云——暗物質(zhì)和暗能量
12.8.1 開宇宙和閉宇宙
12.8.2 21世紀的第一朵烏云——暗物質(zhì)
12.8.3 21世紀的第二朵烏云——暗能量
12.8.4 紅移與距離的關系
12.8.5 斯優(yōu)尼亞耶夫-澤爾多維奇效應
12.9 對稱與破缺,奇點問題
附錄
附錄1 星座表
附錄2 梅西耶(Messier) 天體表
附錄3 最亮的21顆恒星
附錄4 太陽附近的恒星(近于12光年)
附錄5 中國古代的星空劃分
附錄6 古代中國的歲名、十二次等和西方古代的黃道十二宮
附錄7 部分亮星的中國星名
附錄8 天文常數(shù)系統(tǒng)(IAU 2009天文常數(shù)系數(shù))
附錄9 天文學常用的物理常數(shù)
附錄10 角度·時間·距離
附錄11 太陽·月球·地球
附錄12 平時0時的恒星時S0表
附錄13 八大行星表
附錄14 銀河系的基本參量
看看讀過本書的人的評價吧
本文 部分內(nèi)容摘自蘇宜教授的《天文學新概論(第五版)》,文章首發(fā)于“科學出版社物理教育”微信公眾號,更多專業(yè)物理好文敬請關注。
我國一流青年生物醫(yī)學科學家與諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者獲獎前SCI 論文比較的思考
本期編輯丨王芳
。
原創(chuàng)好讀 科學品味
Hash:11cd2856cf1548d81573c53f38fe39b09cb0de8a
聲明:此文由 科學出版社 分享發(fā)布,并不意味本站贊同其觀點,文章內(nèi)容僅供參考。此文如侵犯到您的合法權益,請聯(lián)系我們 kefu@qqx.com