第十五章C人类对宇宙结构的探索.docx

《第十五章C人类对宇宙结构的探索.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十五章C人类对宇宙结构的探索.docx（5页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、第十五章C人类对宇宙结构的探索自古人类就开始了探索宇宙奥秘之旅，我国古代的先哲就奉行一种直观的朴素宇宙观,即“天圆地方”之说，据说北京的天坛建成圆的，而地坛建成为方的，就是受到来自古人的天地结构思想影响。然而早在约公元前300年，战国时期楚国的大诗人屈原，在他的流芳千古长诗天问中，就对这种认识提出了质疑！时至今日，2000多年过去了，人们仍为爱国诗人的大胆探索精神感奋不已！不过，从神话王国迈向科学之邦的探索宇宙之路是漫长而曲折的，直到1543年，哥白尼(1473-1543,图15-8)经过多年的踌躇之后，在临终前出版了其不朽的传世之作天体运行论，全面阐述了“日心说”。哥白尼康德图15-8图69

2、近代宇宙学的曙光始于18世纪，德国的康德(1724-1804,图159)在1755年，试图用牛顿力学和星云物质解释太阳系乃至宇宙的起源，不过他的论述在当时并没有受到人们的关注。直到1796年，一位对此毫不知情的法国人拉普拉斯(1aP1aCe1749-1827)居然也用星云理论来描绘太阳系演化，直到此时“星云说”才引起人们的重视。现代宇宙学的奠基人就是科学巨人爱因斯坦，他在1917年建立了广义相对论后，即提出了人类历史上第一个宇宙学自治统一的动力学模型,率先阐述了由引力所支配的宇宙的演化。至此,坚冰已被打破，现代宇宙学的门扉打开了！在此后20世纪的年代中，由于科学和技术飞速发展和更为紧密整合，使

3、天文观测手段不断地得到更新，为科学研究提供了更为丰富的资料和数据，使人类对宇宙结构的认识取得了令人振奋的进展，诸如星系退行与宇宙膨胀的发现、宇宙大爆炸学说建立、黑洞和暗物质的提出，而高能天体一一类星体和脉冲星的发现又推动了对黑洞、白矮星和中子星等的研究。进入21世纪，宇宙学的科学研究又上了一个新台阶，变得更为真实和可信，可以这么说，人类已开始进入一个精确宇宙学时代！2004年2月18日，欧洲和美国天文学家宣布，他们借助“XMM牛顿”和“钱德拉”两台X射线太空望远镜,观测到一个距地球约7亿光年星系中央的强大的X射线爆发。科学家相信，这是一颗偏离了轨道的恒星，结果与黑洞距离过近，被位于星系中央的黑

4、洞所吞噬时发出的“临终呼叫”，这是科学家首次找到超大质量黑洞撕裂恒星的强有力证据。最后这颗恒星虽然侥幸逃过被完全吞噬的厄运，但仍落得被撕裂得“支离破碎”的下场(如图15-10所示)。如果距离再近些，这颗恒星完全会被黑洞所吞噬。恒星遭遇黑洞袭击”（上图中白色的B1表示黑洞的所在位置）图15太阳质量3倍以上），在完全引力坍缩后，所形成的一种时空强烈弯曲的暗星体。一、黑洞在基础型物理课程中，我们学习过恒星的演化，知道在恒星的晚期一一红巨星发生超新星爆炸后，如果星体剩余的质量是巨大的，星体的收缩将无法停止，其密度变得更大，最后有可能会演变成黑洞。这就是说一些质量巨大的恒星，因它内部强大的引力，在它的晚

5、期最终有可能形成黑洞（图15-11）o如离我们较近的天鹅座X-I很可能就是一个黑洞。图15-11黑洞究竟是怎样形成的？在两百多年前，世界上最早预言存在黑洞的人，就是那位前面提到过的法国科学家拉普拉斯和英国天文学家约翰米歇尔，他们当时就指出：最大的星是看不见，他们说，星体的质量越大，物质逃离这颗星的动能也要越多。当一颗星的质量大到一定程度，就会使光子也逃不出去。按照他们当时的理论，光子的动能是E动=Emc2,势能为r,GMm势=。其中M为星体质量，r为星体半径，加为光子质量，。为光速，不难看出，当光子动能小于或等于势能时，它不可能逃离星体，外界当然也就看不见这颗星了。由E动E势（若不考虑E处中负

6、号），可得出.2GM这就是拉普拉斯等人给出的“暗星”条件，当一颗星的质量和半径满足上式所示的关系时，这颗星就看不见了，成为一个“黑洞”。拉普拉斯和米歇尔的结论是从牛顿力学得出的。令人惊奇的是，到1916年德国人史瓦西（Schwarzschi1d）,用了爱因斯坦的广义相对论，竟然得出了与他们完全一致的结论！在今天来看，拉普拉斯他们当时的计算中犯了两个错误而又相互抵消，最终导出了正确的结论。犯的其中一个错误是描述引力时简单地应用牛顿万有引力定律，而没有应用爱因斯坦广义相对论。大家谈那么拉普拉斯他们犯的另外一个错误是什么呢？实际上史瓦西在解爱因斯坦方程时并不明白它的意义，直到1939年，美国人奥本海

7、默（J.Openheime,1904-1967,图15-12）,这位后来领导制造出世界上第一颗原子弹的科学家才指出半径和质量满足拉普拉斯“暗星”条件的星体的真正意义。那么，怎样的星体叫做黑洞呢？黑洞是一种坍缩星体，它的引力场非常强，连光线也不能从它内部逃逸出来，但可通过引力场效应探测到它的存在。不过科学家又猜测，黑洞也会产生辐射，强度很弱，但尚未被观测所证实。黑洞有几类？黑洞大致可分为四类，一种是静止的球形黑洞，它不带电叫做史瓦西黑洞，其大小依赖于它的质量。另一种是旋转的黑洞，叫做克尔（Kerr）黑洞，它绕一对称轴旋转，它的大小和形状，由它的质量和角动量所决定。还有一种是带电旋转黑洞，叫做克尔

8、-纽曼（Kerr-J奥本海默图15-12Newman）黑洞，它的性质取决于它的质量、角动量和电荷，第四种是静止不旋转而带电的黑洞，叫做莱斯纳（ReiSSner）黑洞。点击角动量是描述物体转动特征的矢量。S霍金图15-131970年霍金(S.Hawking1942-,图15-13)等人指出，黑洞形成后的特征与坍缩前的原先物质的性质无关，即有关原先物质的大量信息，在黑洞形成时隐没了。我们何以有可能探测它呢？按照黑洞的定义，它不能发光，霍金说，这有点像在煤里找黑猫，不过黑洞由于它与外界有引力作用，可通过引力场效应来探测它的存在。天文学家发现，由于引力作用两颗恒星会相互围绕着运动。如果是一颗可见的恒星

9、绕着另一颗看不见的伴星运动，若该系统发出强X射线，那么我们就可作出初步判断，那颗暗星就有可能为黑洞，前面提到的天鹅X-I就是这样的系统。另一方面，若有物质或辐射落到黑洞中去，黑洞的面积就增加，其质量也会增大，按照黑洞的性质，它的面积只会随时间增大而不会减少。联系到我们在拓展型课程I(第一册)中学习过的病增加原理，科学家认为黑洞的面积与它的嫡有关，按照烯的定义，黑洞也应该有相应的温度，黑洞的温度只依赖于它的质量，质量越大则温度越低。而描述一个黑洞的基本参数应是三个，即质量、角动量和电荷,综上所述，我们能否认为黑涮果真是吞噬一切的“无底洞”呢？1973年霍金提出了黑洞辐射理论，认为黑洞并没有那么“

10、黑”，他用量子理论导出了黑洞的表面会有热辐射，这给探测黑洞的存在提供了一条新的途径。二、暗物质什么是暗物质？在一个星系的内部，恒星的分布有明显的区域，域外恒星很少，以稀薄气体为主。原以为这些稀薄气体的质量，要比恒星区域，即发光区域的质量小得多。到20世纪30年代，人们发现发光区域外的物质总质量，要比全部恒星即发光区域的质量大若干倍。科学家通常把这些不可见的，即不参加电磁相互作用，非重子的物质叫做暗物质。点击这里的“不可见”物质是指不参与电磁相互作用的物质，如既不发射也不反射电磁波等，它既不包括我们肉眼能看得见的光，也不包括我们肉眼看不到的波段的电磁波，而相反的就是“可见”物质。为什么宇宙中会有

11、暗物质？宇宙中有很多类似于我们银河系的旋涡星系，它们是靠转动维持平衡的。若设可为距星系中心为厂处的旋转线速率，按牛顿万有引力定律V应与以半径为r的球内质量M有关。也就是说只要测量了也就可算出M通过大量的观测数据分析和推算，发现星系的总质量要比只计及发光的区域内的总质量大3至10倍！这说明星系的质量不是以发光物质为主，这等于是说，我们在宇宙中“见到”的物质，仅是其物质总体中的极小一部分,我们平时讲的星系总质量,若仅指发光区域内的质量显然是错误的，它的实际总质量要比以前估计的大得多，旋涡星系如此，椭球星系也如此。进一步研究表明，对由100多个星系构成的星系团而言，星系之间也存在有大量的暗物质，最新

12、测定发现，星系团的总质量往往是其成员星系总质量的10倍至30倍。那么暗物质究竟是由什么物质构成的呢？我们早已知道宇宙中有不发光的星体，如像我们地球一样的行星和月亮那样的卫星；甚至晚期演化的恒星，由于它内部失去能量，会逐渐变得越来越暗，但对于大尺度的暗物质，人们很容易联想到的是稀薄气体。由于暗物质是不“可见”的，因此它不参与电磁作用，它必须由不带电的中性粒子所组成。又考虑到它在宇宙总质量中所占的巨大份额，它很可能弥漫在宇宙空间中。20世80年代初，前苏联物理学家列比莫夫(V.1iubimov)提出一个大胆设想，原来认为静质量为零的中微子可能会有静质量,这引起了天体物理学家的极大兴趣,因为由早期宇宙遗留至今的中微子数密度很大,约每立方厘米有100个之多，由于中微子不带电，不参与电磁作用，不发光，如果由中微子来构成暗物质是很理想的，目前实验和观测都还无法证明这个猜想。拓展联想最新研究认为，现今的宇宙中主要的物质有三大类，约占总质量4%的是“可见”物质；暗物质约占22%；还有与一般能量不同的叫做暗能量的约占74%。2003年，暗能量在宇宙中的存在获得了第一个直接证据，该项研究成果被美国科学杂志列为当年度十大科技进展之首。