http://blog.yadao.com/page/pyang zh-cn Copyright 2008 Yadao Blog 我的新栏目 http://blog.yadao.com/page/pyang?entry=000e001f84166f58 Fri, 15 Dec 2006 15:19:11 <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 天文学是一门古老而又充满活力的、与人类文明史同步发展的科学，其研究对象是太阳系、恒星、星系和宇宙，具体内容包括天体的物理和化学构成、位置、形态、运动、分布，天体间的相互关系、起源与演化等。天文学和数学、物理学、化学、地学和生命科学等学科一样，是自然科学的基础学科之一，同时又与其它学科交叉渗透、互相促进。在科学史上，牛顿经典力学和爱因斯坦相对论的诞生，在很大程度上受到解决宇宙时空问题的启示，并首先在天文观测中得到验证；早期数学发展的推动力常常来自于天文学研究对计算的需求；化学中的氦元素首先在太阳上发现；地球科学研究需要的精确测量方法，很多是由天文学所提供；生命起源的假说曾经因星际分子的发现而被改写……宇宙中的极端物理条件，为人类发现和验证自然法则提供了在地球上无法实现的实验环境。现代天文学研究对观测设备的需求，极大地促进了光学、微电子、计算机与通讯、新材料等新技术和空间科学的发展，许多高新技术首先在天文研究中得到应用。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 天文学与中国传统文化密切相关。古书中曾有“文者象也，天，先垂文象，……故曰天文”、“天者群物之祖也”的说法，经典地概括了中国古代社会对天文学的理解。《卿云歌》唱出的“卿云烂兮，纠漫漫兮，日月光华，旦复旦兮”，生动地表现了古人对天文现象的仰慕和讴歌。“天人合一”是中国传统文化的重要组成部分，儒家认为“天人合一”，其核心在于强调人与人、人与社会、人与自然的和谐统一。纵观中国历史，无论是古代的神话传说、诗词歌赋、典籍与史书、建筑与墓葬，还是各民族的风土人情、文物与历史遗迹等，都或多或少地打有古代天文学的印记。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 天文学与人文科学的发展有着不可分割的内在关系。《易经》曰：“观乎天文，以察时变；观乎人文，以化成天下。”又云：“仰则观象於天，俯则观法於地。”由此可见，古人敏锐地洞察了天文与人文的密切关系，将天文与人文并言，两者相辅相成，互为表里，缺一不可。哲学中的许多命题，如物质、运动、变化、空间、时间、必然性、偶然性、有限、无限、连续、不连续等，都与天文学有关。因而，天文学和哲学相互启示，相得益彰。历史上许多著名科学家，如17世纪的哥白尼和伽利略，19世纪的拉普拉斯，20世纪的马赫、罗素、爱因斯坦等，都曾极大地影响了当时的哲学发展。科学的宇宙观是哲学最重要的基础之一，哥白尼的日心说替代地心说，就是人类对宇宙结构认识的一大革命。天文学的发展为科学的唯物主义世界观提供了重要依据和丰富内容，而辩证唯物主义则为天文学发展提供了指导理论和研究方法。天文学还将自然美的范围扩大到地球以外的宇宙空间，以强烈的直观性和生动性感染着人们对美的追求。开普勒醉心于行星运动的和谐，并称之为“宇宙的音乐和旋律”，即带有着浓厚的现代美学色彩。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在经济、社会、科技高速发展的当今世界，不同学科间的交叉融合、科学创新与技术创新的交互作用、国家与公众的理解和期望，有力地促进了天文学不断取得新的发展。对天文学的相关认识，不仅能够影响经济、社会以及人与自然的和谐发展，而且可以影响和决定一个人的世界观、人生观和价值观。在我国国民经济迅猛发展，全力建设和谐文化、构建社会主义和谐社会的今天，通过具有更高原创水平的科普刊物，着力倡导科学发展观，引导人们特别是青年树立科学的世界观、高尚的人生观和正确的价值观，具有十分重要的意义。<BR>根据建设创新型国家的发展目标，为更广泛地传播科学知识、弘扬科学精神，促进社会主义核心价值体系建设，国家天文台决定创办《中国国家天文》杂志。《中国国家天文》将以传播科学知识、弘扬科学精神为基本宗旨，以天文与人文结合为办刊理念，以加大原创、提高可读性和不断扩大社会影响为发展目标，通过学科延伸和与其它学科的交叉，集天文、人文于一体，以公众喜爱的方式全方位地展现天文学及其相关科学的发展和最新成就，努力办成一本富有时代精神、高品位、综合性、多角度、大视野、图文并茂、印刷精美，同时又具有一定的艺术欣赏性和珍藏、实用价值的天文人文科普杂志。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 经过一年多的筹备，《中国国家天文》终于呱呱坠地，蹒跚走来。她还很稚嫩，需要广大天文学家与天文爱好者的呵护，需要全社会读者的关爱和支持。《中国国家天文》将成为鸣奏和谐、壮丽的“天文人文交响曲”的舞台，希望她成为大家的朋友。</DIV> 我的新栏目 http://blog.yadao.com/page/pyang?entry=000d001f84166f58 Fri, 15 Dec 2006 15:13:56 <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 全世界最早关于新星的记录是在我国商朝；关于超新星，全世界最重要的古代记录也是在中国。实际上，我们的祖先不仅科技发达，科学跟艺术在当时也结合很深。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者李政道先生特别授权本刊发表此文，阐述了对中国古代物理与天文发现及相关艺术表达的思考。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 我们中国古代的科学技术相当发达，科学跟艺术在当时结合很深。“物理”两个字在唐朝杜甫的诗中，就有很确切的描写。公元758年，杜甫写道：<BR>细推物理须行乐，<BR>何用浮名绊此身。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; “细”是仔细观察;“推”是精密推理。“细”讲怎样做实验，“推”讲怎样做理论。要用两个字来说明怎样研究科学、实验和理论，很难找出比“细”、“推”两个字更恰当的词。“须行乐”是人要高兴。做物理，必须自己本身要有乐趣。“何用浮名绊此身”，不要以能不能得诺贝尔奖为目的。诺贝尔奖是瑞典皇家学会决定的，可能你能够得到奖，也可能得不到。<BR></DIV> <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 像太阳这一类恒星，一生会发生几次突然爆发。太阳是一个庞大的氢核反应堆，把氢烧成氦。在这一过程中，也会产生比较重的，比如像碳这种处于周期表中间、比较稳定的一些元素，从而引起恒星的外围发生爆炸，我们称为新星。它的亮度比太阳原来的亮度要大几万倍。<BR></DIV> <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如果到最后氢都烧完了，太阳会面临死亡。质量足够大的恒星到一定阶段会发生更大的爆炸，产生极大的亮度，叫超新星。超新星的亮度比太阳亮约100亿倍。新星的寿命一般是几天到一、两个星期，超新星的寿命差不多是两年。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 全世界最早关于新星的记录是在商朝，是我们的祖先在甲骨上用文字记录的，它记录了公元前1300年在并火星座内发现的一个新的大星。这片甲骨文叙述的是这个月的第7日傍晚月亮刚出来的时候，发现了新大星。另外一片说两天后这个星消失了。它记录了从新的大星在并火星座出现，寿命小于两天。在这两片甲骨上，把星的亮度变化等基本的事实跟寿命都记录了。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 关于超新星，全世界最重要的古代记录也是在中国，是在北宋的宋仁宗至和元年，即1054年8月27日。它的记录是这样：突然间，在白天出现一个很亮的星，大如鸡蛋。它每天有多大多亮，记录一直延续到1056年7月，最后看不见了。这是到目前为止，全世界最重要的对古代超新星确定的记载，也是最长时间的详细记录，差不多记录了两年内它的变化，记录了它的寿命。我们可以根据这个记录，列一个亮度表，对今日的天文学仍极有价值。现在我们知道，从这个超新星就产生了蟹状星云。新星和超新星的最早最完整的记录，都是我们老祖宗的贡献。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 古代西方人的一种观念是“天圆地方”，我们老祖宗却认为“天圆地圆”，有黄道、赤道。公元前5世纪，约2500年前，诗人屈原在其著作《天问》中引证天是圆的，地也是圆的。他说：<BR>九天之际，安放安属？<BR>隅隈多有，谁知其数？</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 九天是指坐标，就是昊天（东）、阳天（东南）、赤天（南）、朱天（西南）、成天（西）、幽天（西北）、玄天（北）、鸾天（东北）、钧天（中间向上），一共是九个坐标位置。屈原说，如果天是圆的、地是平的，就会相交，成“九天之际”。这相交的边沿是“安放安属”，谁愿意在哪个交界的地方？“隅隈多有，谁知其数？”，相交显然不合理。因此，天是圆的，地一定也是圆的。天如蛋壳，地如蛋黄，各自可转。所以中国古代天文就有赤道、黄道两个圆轨道。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 他下面再问：天是圆形的，还是椭圆形的？他说：<BR>东西南北，其修孰多？<BR>南北顺椭，其衍几何？<BR></DIV> <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 他说的东西是经度，南北是纬度。他问，是经度长一些，还是纬度长一些。我们地球的赤道直径是6378公里，地球的南北两极的距离是6356公里，相差22公里。屈原当然没有求出来。不过我们佩服他的这种充分的解析能力及有关天圆地圆的推测。这是在公元前5世纪，真是了不起。同时屈原的文章也写得极有风采。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 《周礼》说，“以苍璧礼天，以黄琮礼地”。从殷商开始，周、汉以来为什么一直这样？ <BR>璧的外围是圆的，中间有圆孔，代表天。可是，为什么天中有孔？琮的造形更奇怪了。外面是方的，中间也有一个圆孔穿过去。外边为什么是方的？为什么璧是代表天，琮是代表地？另外，商代还有一种玉器叫璇玑，造型很像璧。璧、璇玑、琮，它们的关系是什么？《虞书&#8226;舜典》上说：<BR>“璇，美玉也；玑为转远，径八尺，圆周二丈五尺强，王者正天文之器。”</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 璇玑是一个大的天文仪器。我们今天看到的璇玑玉器，直径仅约33厘米，可能是模型，是商代的文物。璇玑怎样做天文仪器呢？</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 每颗恒星和行星，都要转圈，都各自沿着一个圆在走。但天球面上有一点是不动的，就是天球面和地球的轴的相交点，叫做正极。我们可以设想，璧、琮和璇玑的前身是一个旋转式天文仪器，目的就是把这个旋转轴的指向定准于正极。怎样做到这个要求呢？</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 我的猜想是：假如要定准正极，一定要有一根长的管子。如果转盘的直径是8尺，那么管子的长度应约是转盘直径的2倍，也许是16尺左右，这个管子对着正极。再做一个大的盘子，形状像璇玑一样，边上有三个凹口，每一个凹口正好对着一个星。星在天空转，这个盘子随着星转，竹管是不动的。要定正极的位置，必须通过管子对着正极，然后让盘子随天转动，把三颗星的位置扣住。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 竹管一定要和地固定。在古代的条件下，很可能是用一些大石头把它绑起来。每块大石头成方形，约高一尺。竹管四周均有大石块。这样造型的古代天文仪器就有两大部分：一是大璇玑那样的盘子，凹口对着星，随天上的星而转，代表天；一是这些大石块绑住的长竹管，跟地永恒，代表地。假如用很细的针在竹管一端开一个直径为2毫米的孔，管子长在15尺左右，它测量正极的精确性能达到0.013度。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 我还有一个想法，就是在商朝那个时候，在正极没有任何明确的星。可是人们为了纪念炎黄古代天文学的成功，就制作了璇玑、琮这些小型的玉器。后来，把璇玑变得更简单，变成璧；其中的竹管和外包的大石块就变成琮。因而以苍璧礼天，以黄琮礼地。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 大汶口的石雕《日月山》，大约是公元前3500年前雕刻的。上面是很简单又生动的日、月，下面是山。大汶口石雕是5500年以前的，它的整个造型像一个人，把日、月、山，自然与人整体联系起来，代表了中国炎黄文化。<BR><FONT color=#000066>注：本文摘自《物理的挑战》（中国经济出版社，2002年5月），经作者授权发表。</FONT></DIV> <DIV></DIV> 我的新栏目 http://blog.yadao.com/page/pyang?entry=000c001f84166f58 Fri, 15 Dec 2006 15:10:27 <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 20世纪下叶，天体物理学开始被列入诺贝尔物理学奖的对象。60年代四大天文学发现中的“脉冲星”和“宇宙微波背景辐射”，先后获得这项世界性大奖。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 本文所说的“大题”，指的是导致这类重大成就的天文实测课题。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; “小做”，指的是针对这类“大题”的一种战略 ──“小设备战略”。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 下面我们就以这两大发现为线索，来说明这种战略。</DIV> <DIV><BR>旧话重提 ── 当代天文学的两次巧遇&nbsp;</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 脉冲星和微波背景辐射的发现分别是恒星演化研究和宇宙演化研究中的画龙点睛之笔，分别启动了天文学在这两大领域上的新的腾飞。而这两大发现的过程竟然均属于“巧遇”！<BR></DIV> <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 这是四十年前的旧话，曾经激动科坛，但至今仍有新意。这些故事已经有了许多普及著述（近期的如上海科技教育出版社2001年版的《诺贝尔奖百年鉴》中吴鑫基、温学诗所著《宇宙佳音》，逐一介绍了到上个世纪末为止的七项获得诺贝尔奖的天文工作）。这里为了阐明自己的观点，将引用其中的有关事实，但不再缕述科学内容。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1967年，乔瑟琳&#8226;贝尔，英国剑桥大学的一位研究生，用她导师安东尼&#8226;休伊什设计的一种测量“行星际闪烁”的射电望远镜，意外地发现了后来被称之“脉冲星”的奇异天体。乔瑟琳却以她的敏感和细致辨认出了这是一种既不同于闪烁也不是干扰的陌生事物，于是她把记录的速度加快、使时间坐标放大，明显地显露出了一组规则的脉冲，脉冲周期为1.337秒，极其稳定。这使人联想到了巧匠制成的极其精致的钟表，却很难和天上庞大的星体相联系。不过，在排除了一切其他可能之后，剑桥的天文学家们最终确定了这是一种奇特的天体，称之为“脉冲星”，并公之于世。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 脉冲星很快便被认定为三十年前根据恒星演化理论预言的“中子星”。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1932年，距中子的发现不及两年，苏联物理学家朗道以及在美国的天体物理学家兹维基和巴德，先后根据恒星演化理论，指出质量在一定范围的恒星，到了演化末期星体发生爆炸、内部猛烈坍塌，会使物质中的质子和电子紧密挤压在一起、形成“中子”。这种状态下的“中子星”密度高达每立方厘米（约一茶匙）一千万吨!一个质量比太阳大一倍的中子星，直径会缩到只有10千米，还不及地球的千分之一！这一论断当时被看作合理但是难以验证的奇想。因为预测的中子星直径如此之小，表面发光面积不及太阳的万亿分之一，实在是太不容易探测了！</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 当时射电天文学尚未真正进入天文学家的视野。但是即使在60年代、大型射电望远镜已经在南北两半球显示威力之际，谁也没有想到当时已经探测到的“射电源”中有一些就是中子星，直到CP1919以它奇特的“脉冲星”的形式暴露了自己的身份。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 这一时期，天文学家对天体射电的机制已经有了认识。这帮助了他们很快把脉冲星现象联系到了中子星。根据理论，庞大的恒星坍缩成中子星后，原来的磁场和自转会千万倍地增大，导致了中子星的高速旋转并发出强烈的射电辐射。以此为据，形成了今日被广泛接受的脉冲星的“灯塔模型”。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 中子星理论的提出超前于脉冲星的发现三十余年，脉冲星的发现为它提供了一个决定性的验证，并由此确立了恒星演化模型作为当代天文学一大理论支柱的地位。与此同时，它以石破天惊之势引发了极端致密物体── 中子星、黑洞的探讨，为当代天体物理学（和物理学）的研究开辟了一个富有挑战性的崭新领域。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 回顾这一段往事，中子星的“预言－发现－证认”的整个过程中，难度最大的无疑是“发现”。而这个发现则因为是“巧遇”而引起了许多议论。当然是仁者见仁，智者见智。我倾向于认为这种“巧遇”绝不是“歪打正着”。相反，对于“巧遇的追求”应当看成是天文实测的一项战略措施。今天大家都很熟悉，天文学上巨型设备（如哈勃空间望远镜、30米光学望远镜等），一代接着一代兴建、耗资巨亿，每一代的功能都远远超过了前代，而其科学目标，则都是双向的：一方面是针对已有研究的扩展，另一方面则是意在未知领域的开拓。这种做法可以称之为“大题大做”。而其对未知领域的开拓实质上正是“迎接巧遇或寻求巧遇”。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 这种不惜代价的“大做”的动力源自一个基本认识，即：天文世界中待发现的目标和待发掘的领域永远近在咫尺而浩无止境。而体现这种“大做”的“大设备”，在今日经济条件许可之下，步步紧联着当代高、新技术的发展，与时俱进，达到多种功能的超越，从而可以全面推动天文学各个领域多类课题的进展。这种“大题大做”，堪称现代天文学“进军”中的“堂堂之阵、正正之旗”。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 但是一门科学的进展，除了导致“全线推进”的“大题”之外，还必须有同属“大题”的“重点突破”，好比是出奇制胜的“奇兵”。中子星的发现（以及其他许多诺贝尔奖的工作）就属于此类。对这类“大题”的应对不同于调动千军万马的“大做”，应当是“对准要害、单刀直入”。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 回到脉冲星的故事，设想当年能有一位极其高明的天文学家，提前洞察到了中子星的射电特征（当年确实有人做到了，如帕契尼），并想到了“灯塔机制”（要凭空联系到这种机制确实很难。但也并非不可能），也就是说，他从理论上认定了中子星在射电波段将表现为连续发射快速“脉冲串”的星体（也就是“脉冲星”）。这样的话，将怎样来设计用以搜索这种星体的设备？</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 假设这时请了休伊什来设计，无疑他会发现这一设计的要求和他自己为了探测射电源“行星际闪烁”的要求完全一致，所以完全可以使用他原来的方案：1、首先，这是用于大范围的搜索，望远镜的结构采用了长于搜索的“子午仪”装置（子午仪是一种固定对着南北方向，即“子午方向”上操作的望远镜。由于地球自转，所有天体每天至少都会经过一次子午方向、得到“扫描”。这种装置适用于大范围的搜索，并极大地简化了望远镜的结构和制造难度。而为此付出的代价是放弃了普通望远镜可以随时在任何方向上进行观测的功能。这种功能当然非常重要，但是对于本题则无足轻重）；2、同时，估计到了脉冲星的射电辐射非常微弱，而其特征是波长愈短时辐射愈弱（“闪烁目标”同样非常微弱，波长愈短时“闪烁”也愈弱），于是在衡量了无线电干扰、背景噪音等制约因素后，使用了尽可能长的工作波长，具体定为3.7米；3、望远镜的接收面积、也就是天线面积，需要做得很大以应对辐射的微弱，当时具体采用了东西长470米、南北宽45米的矩形天线阵（这种形状有利于在子午方向上准确定位和大范围扫描）。这样一个庞然大物比当时为了“大题大做”而设计的100米射电望远镜还要大一倍多。当然它没有接收短波段的功能，也就不具备承担其它望远镜所能做的许多工作（重要的是它能做好自己的本题工作！）。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 这个天线虽然庞大，但制造起来并不难。因为天线面的的装配误差可以允许到工作波长的1/20左右，在这里具体为18.5厘米。这是无须熟练工人都能达到的要求。事实上，这个占地达两个半足球场的天线，一共使用了一千多根木头柱子和十万多米铜线，是由乔瑟琳和她的同伴们自己动手，抡大锤、扭铜线，花了两年工夫建成的。天线的花费仅一万多英镑（约合今日人民币二三百万元），在一位技工的主持下，一次性投产成功。<BR>拿这种规模和价值巨亿的“大设备”相比，称之为“小设备”是名副其实的。但是它的功效有事实为证，不容置疑。直到今天，如要在茫茫天空中凭空发现第一批脉冲星，恐怕还是不能想出比这个更合适的设备。因此，在这个工作上，休伊尔获得诺尔奖是合理的。因为他高明地运用了“小设备战略”。乔瑟琳&#8226;贝尔也应当分享这一光荣，因为她对资料处理的“科学敏感”和细致，体现了在运用设备（不论是“大”还是“小”）的“战术”上的高明。<BR>宇宙微波背景辐射的发现与此类似，并且同样是一次“巧遇”。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1965年彭齐亚斯和威尔逊利用贝尔实验室6.1米喇叭抛物面天线进行射电源辐射定标（术语为“绝对测量”）。这个天线工作在微波波段，配有波长7.3厘米的接收机，是贝尔公司原先用于人造卫星通讯，后来闲置下来的。定标是一项非常细致的基本性工作，要求从观测结果中把混在射电源辐射一起的“噪音”全部扣除掉（“噪音”，相对于所需要的信息，按通俗的理解，是杂乱无章的背景。如收音机里听到的噪音、电视屏幕上看到的“雪花”等等）。这些噪音来自：1、接收机放大器系统，2、波导及其他器件，3、喇叭天线构件，4、地面辐射，5、天空背景。其中以接收机噪音和地面辐射为最难应付。正是由于考虑到这两个难以应付的对象，彭齐亚斯和威尔逊作了非常聪明的选择，使他们在后面的工作中能够以技术上的先机赢得时间、迎来“巧遇”── 一次导致诺贝尔奖的“巧遇”！</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 喇叭抛物面是贝尔实验室的工程师们自己发明、独特配置的。它有着屏蔽地面辐射的特性。同时，它配备的工作波长7.3厘米的量子放大器是当时噪音最低的微波接收机。两位天文学家恰当而及时地利用了这些基本条件，加上自己大量的细致工作，把一具原本已经“退休的”通讯设备变成了精密的“绝对测量辐射计”。在这个过程中，他们通过各种实验定出了上述各项噪音的估值。然后，正如现在大家都知道的故事所说的，当他们进入实测、把天线对向天空时，却发现记录下来的噪音比这些噪音估值的总和多出了“几度”(具体约“绝对温度”3度，即“3K”。射电天文工作中把噪音功率用“绝对温度(K)”为单位来表达。地面的“噪音温度”约为300K；没有噪音时应为0K)，而且不管对着哪个方向这个小小的“多余值”都一样存在，而且都一般大小。他们反复检查了天线构件以及地面辐射的屏蔽等等，肯定了并无疏漏，不能解释这个“多余”。剩下的可能性只能是对天空背景的误估。而在微波天空背景的各种成份中，地球大气是主要的，但他们的测量做得很到位，难以产生这样的检测误差，而银河系外围的“银晕”在这个波段的作用微乎其微，银河系以外的宇宙空间物质又如此之稀，也难以想象会产生背景辐射。于是余下的唯一可能性，是存在着一种来历不明的、均匀布满宇宙空间的微波辐射。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 这个辐射的两位发现者没有想到，当时离开他们的实验地点不及50公里的普林斯顿大学中，一个研究团组根据“原始火球”的宇宙学理论（这种宇宙学模型虽然不同于当前的主流──“大爆炸”模型，但两者的“原始火球”则有着同样的性质），计算出了宇宙空间中应当充满一种“各向同性”的、微弱的微波辐射，并正在建造一台“绝对测量辐射计”来验证其存在（他们没有料到这种验证竟然在邻近的贝尔实验室中无意地先做了）。在这之后不久，经过相当曲折的信息传递，这两部分天文学家碰到一起，确定了这项重大天文发现的性质。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 这里我们不准备复述这个发现的学术意义，以及人们对于“论功行赏”的那些质疑。只是想以它为示例、借以说明在“大题小做”中还有着这样一种如何“做得巧”、“做得快”的问题。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 宇宙微波背景辐射是我们观测所能及的最早的宇宙景象，有望印有观测所不能及的宇宙诞生和早期演化的痕迹。对它进行更多、更细、更深的了解便成为今日观测宇宙学研究中首屈一指的“大题”。近四十年里为此发射的专用空间探测器（COBE－南极探空汽球－WMAP），均属这方面进一步的“大题小做”，迄今得到的结果正在直趋诺贝尔奖级的新成就。</DIV> 我的新栏目 http://blog.yadao.com/page/pyang?entry=000b001f84166f58 Fri, 15 Dec 2006 14:32:20 <DIV>地球历史中的生物灭绝事件 </DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 生命的起源，生物的进化、灭绝与复苏，是地球演化过程的产物，也是地球演化历史的组成部分。在地球46亿年演化历程中，特别是自距今约5.5亿年的古生代以来，地球的生物物种繁盛，生物多样性异彩纷呈，地层中的化石记录极其丰富。古生物学家经过近百年系统地精细研究，确认自古生代以来，地球的生物界至少经历过5次大灭绝。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 实际上，地球历史中生物灭绝事件远不止5次。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 根据生物化石记录，地球历史中的大约有22次生物灭绝，古生物学家将这些灭绝事件划分为：大型灭绝——生物科类和种类的灭绝数分别为&gt;50%和96%；中型灭绝——生物科类和种类的灭绝数分别为&gt;20%和50%；小型灭绝——生物科类和种类的灭绝数分别为&gt;10%和30%。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 生物灭绝事件不仅导致大量生物物种的消亡，而且造成生物的进化分异与复苏，生态重建和生物地理区系的重组。生物进化过程是生物界在地球系统内长期渐变与短期剧变相互交替的历史。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 地球历史中造成生物灭绝的原因仍然是众说纷纭，现在主要有小天体撞击地球，全球岩浆火山活动，全球气候系统变化和全球海洋系统变化说。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 自上世纪80年代以来，小天体撞击地球诱发气候环境灾变与生物灭绝事件引起了科学界的重大关注。当前比较公认的地球历史中最大规模的生物灭绝事件（距今2.5亿年前的二叠系/三叠系界面）和6500万年前以恐龙为代表的生物灭绝事件以及地球新生代以来多次小型生物灭绝事件，都是由小行星或彗星撞击地球而诱发的。</DIV> <DIV><BR>小天体撞击地球诱发气候环境灾变</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 长期以来，天文学家对小行星和彗星的轨道，运动特征、成份、类型、结构等进行过精细的观测和研究。在已登录的3611个小行星中，为预报小天体撞击地球的危险性，对其中807个小行星和57个彗星进行了跟踪监测。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 小行星和彗星撞击地球，诱发地球环境的灾变和生物灭绝，是一种正常的自然现象，这在地球的演化历史中屡见不鲜。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 直径大于l公里的小天体撞击地球，将诱发全球性的气候与环境灾变。小行星在行星际空间高速运行撞击地球（相对速度为15km/s—75km/s），小行星在近地空间爆炸、气化、熔融与破碎，强大的冲击波撞击地面，形成一个直径几十千米甚至二百多千米的撞击坑，相当于撞击体200倍的地壳岩石与土壤受到高温高压冲击波的撞击而气化、熔融、破碎、溅射。在这个过程中并产生巨大的海啸与地震，摧残地球的生命。若撞击靶区是海洋，将激起几百米的巨浪和最强烈的海啸与地震，沿岸数千公里的地区将沦为汪洋一片，大量的海水蒸发、溅射并挖掘出大量海底的沉积物与岩石粉尘抛射到平流层中滞留，海洋中大量生物死亡。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 超高温高压的冲击波使大气中的氮气形成氧化氮，形成强酸雨的沉降，加速了动植物的死亡和地面的侵蚀。而极高压力与极高温度的冲击波，将摧毁前进方向上的一切生命物质，使得一切可燃烧的物质燃烧，引起森林大火甚至全球大火。燃烧形成的灰烬与二氧化碳以及撞击靶岩而溅射出的尘埃及气溶胶，弥漫于高层大气中。平流层弥漫着高浓度的粉尘和烟尘，屏蔽太阳光和热辐射，地面接受的太阳辐射将减少90％，地表急剧降温，海平面下降，冰雪覆盖面扩大，植物的光合作用受到抑制，甚至大批植物死亡，以植物为食的动物因食物链中断而死亡；“黑暗的、寒冷的冬天”突然降临，新的冰期诞生，加剧了生物物种的灭绝。超强大的冲击波和巨型的地震与海啸，扰乱了地球内部物质的运动次序，甚至产生地磁极的倒转。极其恶劣的生态与环境使大量生物物种死亡与灭绝，曾主宰地球生物界的大型动物及大量海洋浮游生物都难逃劫难。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 地球在经历漫长时期的生态重建后，随着温室效应的加剧，气温的升高，海平面上升，使气候逐渐恢复正常。某些生物种属的复苏和大批新的物种滋生、繁衍，地球又恢复了她的蓬勃生机。</DIV> 我的新栏目 http://blog.yadao.com/page/pyang?entry=000a001f84166f58 Fri, 15 Dec 2006 14:27:20 <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 到2006年，中国科学院国家天文台BATC大视场多色巡天项目已经正式运作了12年。这一项目开辟了从小行星、星团、河外星系、星系团、类星体到宇宙大尺度结构等一系列有特色的前沿研究领域，并承担了中国科学院重大项目和国家自然科学基金委重点研究项目，其中部分研究工作在国际上已取得令人瞩目的成果。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如今BATC已经成为国家天文台最成功的项目之一：在2米以下口径望远镜中论文产出率属一流，为国内天文学界输送了大量人才；在中国现代实测天文学发展历史上首次向国际天文数据库提供数据。</DIV> <DIV><BR>唤醒沉睡的望远镜</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 20世纪90年代初，中国天文学界面临一个现实的问题：怎样才能让中国的现代天文学研究能有“世界级的成果”，让全世界的天文学家都能查询到在中国观测到的天文数据？陈建生院士也在思考，他同样意识到这其中的困难：如果仅仅依靠建造更大口径的望远镜，势必要花费大量资金和时间，这在一定意义上是拿自己的短处去和别人的长处比。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 因此，一种考虑是另辟蹊径。陈建生院士认为，一个很好的方向应当是做大样本巡天，即舍弃对某个星体的深度观测，而转为对多个天区内多个星体的同步观测。巡天观测并不一味追求望远镜的大口径，而是要求其有足够大的光学视场，施密特式望远镜正好符合这一要求。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 他的解决方案是：对一台当时基本闲置的60厘米/90厘米施密特望远镜进行全面的技术改造。配备了2048像元×2048像元的大面积CCD（如今已经升级到4096像元×4096像元），15色中等带宽滤光片，5色窄带滤光片和5色宽带滤光片，覆盖从3000埃到10000埃的波段，组成了在国际上极富创新特色的大视场、高精度、低分辨的大样本天体光谱巡天系统。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 另一重要的改造是望远镜的自动化控制。以前，人们必须通过望远镜上的导星镜去寻找目标。如今，观测者只需在控制台上操纵计算机键盘，望远镜的自动控制系统就能够自动调整、准确定位。进一步借助网络，这种自动化甚至可以扩展到全球范围，在世界各地的任何得到许可的研究人员都能通过网络来控制这架望远镜。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; BATC (Beijing-Arizona-Taiwan-Connecticut) 从一开始就是一项国际合作项目，由当时的北京天文台、美国亚利桑纳、康乃狄格大学和我国台湾地区中央大学共同合作。这是中国现代天文发展中一次重要的国际合作。它不仅使海内外的天文学家们得以在密切的工作关系中相互交流，更为国家天文台此后的多个国际合作项目积累了宝贵经验。</DIV> <DIV><BR>跨越上百亿光年的发现之旅</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 自BATC项目正式运作以来，每年研究人员带领学生和观测助手平均观测值班360天以上，有效观测大于200天，积累了大量的观测资料，并以此为基础对近邻星系和星系团的结构、化学组成和演化等问题进行了富有成果的研究。基于BATC观测数据已发表和接受的论文已经超过100篇。<BR></DIV> <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在近邻星系团的研究方面，项目组发展了利用BATC数据确定星系红移的方法，成功地运用于对星系团A566中成员星系的研究，进而结合SDSS多色测光以及X射线的观测资料，对A2255、A168、A399和A401等一批邻近星系团的结构、光度函数和演化进行了整体研究。<BR>在近邻星系研究方面，项目组利用BATC测光系统大视场多颜色的特点，结合星族合成模型对近邻星系中的恒星及星团成分进行了研究。暗至28星等的深度测光，使项目组可以对近邻星系的形态及光度轮廓进行高精度分析。对河外椭圆星系M87，还首次证实距这个cD星系中心30角分内包层的存在，并给出它的质量分布。结合简单星族合成模型，项目组曾首次对具有代表意义的河外旋涡星系M81中的星族成分进行了研究，给出了这个星系中老年成分的金属丰度、年龄和红化的整体分布。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在星团研究方面，项目组以赫罗图为基础，发展了一套利用BATC多色测光资料综合确定星团物理参数的方法，目前正用于研究银河系内多个星团。对河外星团，研究主要集中在对星系中已知星团和HII区的多色测光。结果表明，河外星系M33中星团的形成是连续的，从一百多亿年前开始一直延续到几百万年前。尤其首次得出M33中球状星团的形成也是连续的结果，说明M33和银河系中的球状星团的形成是完全不同的。相比之下，河外星系M31（仙女座大星系）中的年轻的球状星团则比较少，大部分球状星团都老于十亿年，年龄的峰值是在一百亿年，这说明星系所处的局部环境对星系中星族成分形成和演化起着重要的作用。</DIV> 我的新栏目 http://blog.yadao.com/page/pyang?entry=0007001f84166f58 Fri, 15 Dec 2006 13:42:28 <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 继1978年彭齐亚斯和威尔逊因发现宇宙微波背景辐射而荣获诺贝尔物理学奖之后，2006年又有两位天文学家同样因对宇宙微波背景辐射的研究再次折桂。他们是美国宇航局戈达德空间飞行中心的约翰&#8226;马瑟和加利福尼亚大学伯克利研究中心的乔治&#8226;斯穆特。他们获奖的成果是发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性，将宇宙学推向了更加精确的研究时代。与上次的意外发现的情况不同，马瑟和斯穆特是有计划、有目的地对微波背景辐射进行详尽、定量的观测研究。为了这个课题他们研制了三套先进设备，进行4年之久的空间探测，组织了近1500人的研究队伍。从1974年提议发射专用的“宇宙背景探测者”卫星（简称COBE），到1989年COBE卫星送入太空，到2006年获奖，历经32年，战斗不息。在他们获悉荣获诺贝尔物理学奖的消息时，并没有认为理所应当，而是感到“激动和吃惊”，也为他们的研究结果被承认而高兴。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 马瑟和斯穆特的研究成果之所以重要，在于它涉及宇宙起源和演化的重大问题。从远古时代到今天，人们一直在探讨“宇宙是什么？宇宙是如何形成和发展的？”这样的问题。建立在科学基础上的现代宇宙学是20世纪初才开始的。几经周折，大爆炸宇宙学模型在众多的宇宙学理论中一枝独秀，成为最流行的学说。不仅因为它具有坚实的物理学基础，更重要的是它得到了几项关键的观测事实的支持，其中宇宙背景微波辐射的发现是最重要的支持。</DIV> <DIV><BR><STRONG>重温伽莫夫的大爆炸宇宙学模型</STRONG></DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 大爆炸宇宙模型是著名核天体物理学家伽莫夫(G.Gamow)在1948年提出的。这个模型认为我们的宇宙曾有一段从密到稀、从热到冷、不断膨胀的过程。在约140亿年以前，处于极高温度和极大密度下的“原始火球”发生了一次规模巨大的爆炸。此后，宇宙空间不断膨胀，温度不断下降，逐渐形成了宇宙间的万物。</DIV> <DIV><BR>构造宇宙天体系统的物质从哪里来</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 我们知道，著名的爱因斯坦的质能关系（E=mc2）已被实验证实。这个公式说的是能量和质量是可以相互转换的。光子可以转换为粒子，粒子也可以转换为光子。只要“原始火球”的温度足够高，就可能转化出足够多的物质。这就是大爆炸宇宙模型把“原始火球”的温度定得特别高的原因，大爆炸开始时的温度达到1028K。<BR></DIV> <DIV>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 光子转化为粒子要遵从能量守恒定律。粒子具有最低的能量，即粒子在静止时具有的能量。光子转换为粒子和反粒子，要求光子的能量要大于正反粒子的静止能量。因此要求有相应的温度。光子转化为正反质子和正反中子要求高达1012K的温度。只能发生在大爆炸最初的0.01秒以内。<BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在大爆炸的最初3分钟，随着温度的逐步下降，相继产生了物质世界各种各样的粒子，光子、电子、中微子、质子、中子等，产生元素氢和氦。大爆炸宇宙学的第一个预言就是宇宙中氢和氦占99％，氢和氦的比例则为3∶1。这已被天文观测所证实。</DIV> <DIV><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 仅用3分钟就备齐构造宇宙天体系统的原材料，实在是太快了。在极其高温和高密的情况下，粒子碰撞极其频繁，完成各种反应的效率是异常地高，因此只需要3分钟就能完成。<BR></DIV>