物理学与现代技术.pptx

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1、第一章第一章 物理学对人类的影响物理学对人类的影响第二章第二章 物理学对当代科技的影响物理学对当代科技的影响第三章第三章 物理学与其他学科的关系物理学与其他学科的关系第四章第四章 物理学在各领域中的技术应用物理学在各领域中的技术应用目目 录录第1页/共47页3-2 3-2 物理学与天文学的关系物理学与天文学的关系3-2-1 3-2-1 天文学的发展天文学的发展第2页/共47页一、古代天文学一、古代天文学 天文学与人类文明社会的兴起天文学与人类文明社会的兴起可可以以确确信信，人人类类在在有有文文字字记记载载，由由于于农农牧牧业业和和实实际际生生活活的的需需要要，人人们们就就注注意意观观察察某某些

2、些天天象象了了，而而文文字字产产生生之之后后，天天文文学学这这门门古古老老的的科科学学就就萌萌芽芽并并进进而而诞生了。诞生了。1、古埃及的天文学、古埃及的天文学大大体体从从公公元元前前27前前22世世纪纪，埃埃及及人人不不仅仅认认识识了了北北极极星星和和围围绕绕北北极极星星旋旋转转而而永永不不落落入入地地平平线线的的拱拱极极星星，还还熟熟悉悉了了白白羊羊、猎猎户户、天天蝎蝎等等星星座座，并并根根据据星星座座的的出出没没来来确确定定历历法法，最最著著名名的的例例子子是是关关于于全全天天最最亮亮星、大犬座天狼星的出没。星、大犬座天狼星的出没。第3页/共47页2 2、古印度人的时空观、古印度人的时空

3、观 古古印印度度人人不不停停顿顿地地观观察察太太阳阳的的运运动动，以以太太阳阳的的视视运运动动（太太阳阳视视运运动动，是是由由于于地地球球的的自自转转，使使位位于于地地球球上上的的人人觉觉得得太太阳阳每每天天都都是是从从东东方方升升起起，又又在在西西方方落落下下，从从而而认认为为是是太太阳阳绕绕地地球球的的运运动动）为为依依据据，把把一一年年定定为为360360天天，又又以以月月亮亮的的圆圆缺缺变变化化为为依依据据，把把一一个个月月定定为为3030天天，以以此此编编制制历历法法。实实际际上上，月月亮亮运运行行一一周周不不足足3030天天，所所以以有有的的月月份份不不足足3030天天，印印度度人

4、人称称为为消消失失一一个个星星期期，大大约约一一年年要要消消失失5 5个个日日期期，但但习习惯惯上上仍仍然然称称一一年年为为360360天天。将将一一年年中中分分为为春春、热热、雨雨、秋秋、寒寒、冬冬六六个个季季节节，还还有有一一种种分分法法是是将将一一年年分分为为冬冬、夏夏、雨雨三三季季。对对于于空空间间，古古印印度度人人有有奇奇异异的的看看法法，他他们们认认为为在在人人类类居居住住的的世世界界之之上上，还还有有其其它它空空间间，这这种种时时空空观观是是壮壮大大的的，但却不现实。但却不现实。第4页/共47页 3 3、发明星座的迦勒底人、发明星座的迦勒底人 世世界界古古代代文文明明的的另另一一

5、个个摇摇篮篮就就是是幼幼发发拉拉底底河河和和底底格格拉拉斯斯河河流流域域。远远在在公公元元前前30003000年年前前，迦迦勒勒底底人人就就从从东东部山岳地带来到两河流域，并在那里建立了国家。部山岳地带来到两河流域，并在那里建立了国家。长长期期的的星星象象观观察察，使使迦迦勒勒底底人人对对天天体体运运动动有有丰丰富富多多彩彩的的发发现现，知知道道“日日食食每每1818年年重重复复出出现现一一次次”，对对于于月月亮亮和和行行星星，迦迦勒勒底底人人也也有有很很多多正正确确的的发发现现，但但是是对对人人类最重要的贡献还是创造了星座的划分。类最重要的贡献还是创造了星座的划分。第5页/共47页 4 4、

6、古希腊的天文学、古希腊的天文学 欧欧洲洲人人称称古古代代希希腊腊文文化化为为“古古典典文文化化”。泰泰勒勒斯斯（前前640640年年前前560560年年）是是第第一一个个希希腊腊著著名名自自然然哲哲学学家家，到美索不达米亚学到了天文学。到美索不达米亚学到了天文学。地心天动说地心天动说_ _标清标清.flv.flv 数数学学家家毕毕达达哥哥拉拉斯斯（前前560560年年前前490490年年）是是人人类类科科技技史史上上第第一一个个主主张张“太太阳阳、月月亮亮、行行星星遵遵循循着着和和恒恒星星不同的路径运行不同的路径运行”的人。的人。另一位伟大的学者德谟克利特（公元前另一位伟大的学者德谟克利特（公

7、元前460460前前370370前）提出了原子学说，认为万物都是由原子组成的，前）提出了原子学说，认为万物都是由原子组成的，原子是不可分割的最小微粒，太阳、月亮、地球以及一原子是不可分割的最小微粒，太阳、月亮、地球以及一切天体，都是由于原子涡动而产生的。切天体，都是由于原子涡动而产生的。第6页/共47页 这这是是朴朴素素的的天天体体演演化化的的思思想想。他他还还推推测测出出太太阳阳远远比比地地球球庞庞大大，月月亮亮本本身身并并不不发发光光，靠靠反反射射的的太太阳阳才才显显得得明亮，银河是众多恒星集合而成的。明亮，银河是众多恒星集合而成的。德谟克利特和毕达哥拉斯德谟克利特和毕达哥拉斯 第7页/共

8、47页中国古代天文学的辉煌成就中国古代天文学的辉煌成就 公元前公元前2424世纪的帝尧时代世纪的帝尧时代 “观象授时观象授时”。公公元元1616世世纪纪前前 天天象象观观察察、仪仪器器制制作作和和编编订订历历法法 。在在我我国国河河南南安安阳阳出出土土的的殷殷墟墟甲甲骨骨文文中中，已已有有丰丰富富的的天天文文象象现现的的记记载载。这这表表明明远远在在公公元元前前1414世世纪纪时时，我我们们祖祖先的天文学已很发达了。先的天文学已很发达了。我我国国古古代代在在创创制制天天文文仪仪器器方方面面，也也作作出出了了杰杰出出的的贡贡献献。世世界界天天文文史史学学界界公公认认，我我国国对对哈哈雷雷彗彗星星

9、观观测测记记录录久久远、详尽，无哪个国家可比远、详尽，无哪个国家可比 。我我国国古古代代观观测测天天象象的的台台址址名名称称很很多多，如如灵灵台台、瞻瞻星星台台、司司天天台台、观观星星台台和和观观象象台台等等。现现今今保保存存最最完完好好的的就就是河南登封观星台和北京古观象台。是河南登封观星台和北京古观象台。第8页/共47页甲骨文图片、长沙彗星图甲骨文图片、长沙彗星图第9页/共47页 圭圭(gui)(gui)表、浑仪、天仪（天体仪）、日晷、表、浑仪、天仪（天体仪）、日晷、第10页/共47页 中国古代的天文人物中国古代的天文人物 落落下下闳闳（公公元元前前140140前前8787年年）中中国国西

10、西汉汉时时期期天天文文学学家家，以以历历算算和和天天文文学学的的杰杰出出成成就就著著称称于于世世，为为我我国国最最早的历算学家。早的历算学家。张张衡衡(公公元元7878139139年年)，我我国国东东汉汉时时期期伟伟大大的的科科学学家家、文文学学家家、发发明明家家和和政政治治家家，在在世世界界科科学学文文化化史史上上树树起了一座巍巍丰碑。起了一座巍巍丰碑。（浑天仪的发明人，公元（浑天仪的发明人，公元117117年）年）郭郭守守敬敬（1231123113161316），中中国国古古代代杰杰出出的的八八大大科科学学家一。家一。（授时历授时历。公元。公元12801280年年3 3月月 ）祖冲之祖冲之

11、,商朝天文学家商朝天文学家 。3333岁时创制了岁时创制了大明历大明历 沈沈括括是是北北宋宋时时期期一一位位多多才才多多艺艺的的科科学学家家。解解释释月月亮亮是是因因为受太阳光照射发光而产生圆缺变化为受太阳光照射发光而产生圆缺变化 。第11页/共47页 徐徐光光启启（1562156216331633）是是我我国国明明末末著著名名的的科学家科学家 ，编译成了，编译成了崇祯历书崇祯历书 。李李善善兰兰（1811181118821882年年），清清代代天天文文学学家家、数学家数学家 ，著作汇编成，著作汇编成则古昔斋算学则古昔斋算学一书一书 。第12页/共47页二、中世纪的天文学二、中世纪的天文学哥白

12、尼的日心学说哥白尼的日心学说 日心学说的发展到日心学说的发展到1717世纪达到了高峰世纪达到了高峰 。近代天文学奠基人近代天文学奠基人哥白尼与哥白尼与天体运行论天体运行论。近代力学宇宙体系的确立近代力学宇宙体系的确立 哥白尼哥白尼天体运行论天体运行论发表近发表近150150年之后，于年之后，于16871687年出版了牛顿具有历史性的、阐述万有引力理论的巨著年出版了牛顿具有历史性的、阐述万有引力理论的巨著自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理。150150年年中奇迹的相继发生中奇迹的相继发生 首先是丹麦天文学家第谷首先是丹麦天文学家第谷布拉赫所做的非常精密布拉赫所做的非常精密的天文观测。的天文观测

13、。第13页/共47页 第第二二个个奇奇迹迹是是德德国国天天文文学学家家开开普普勒勒，于于16091609年年提提出出了了行行星星运运动动的的第第一一、第第二二定定律律，1010年年后后又又提提出出了了行行星星运动的第三定律。运动的第三定律。第第三三个个奇奇迹迹是是意意大大利利物物理理学学家家伽伽利利略略于于16091609年年发发明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。“哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙”。开开普普勒勒指指出出，行行星星与与太太阳阳之之间间存存在在着着相相互互的的作作用用力，其作用力的大

14、小与二者之间的距离长短成反比。力，其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。伽伽利利略略在在力力学学上上的的一一项项发发现现叫叫做做惯惯性性定定律律 。行行星星系系一一旦旦能能够够运运动动，就就无无需需外外力力来来维维持持，就就可可以以持持续续地地永永恒运动不息了。恒运动不息了。第14页/共47页 伽伽利利略略又又从从另另外外两两方方面面大大大大推推进进了了哥哥白白尼尼学学说说的的发发展，其中之一就是创立了望远镜天文学。展，其中之一就是创立了望远镜天文学。苹苹果果落落地地现现象象使使牛牛顿顿考考虑虑到到地地心心引引力力是是否否可可以以达达到月球，使月球在轨道上运行到月球，使月球在轨道上运行 。

15、牛顿宇宙观牛顿宇宙观宇宙是永恒的、稳定的宇宙是永恒的、稳定的问题：物质问题：物质引力引力宇宙坍缩宇宙坍缩第15页/共47页可能的解决途径：(1)宇宙在空间和质量上是无限大的；(2)宇宙在膨胀；(3)宇宙有起点和终点。(2)、(3)点违反宇宙永恒与稳定的性质，于是牛顿认为宇宙应该是无限的。绝对空间，就其本性而论与任何外界情况无关，始终保持相似和不变。第16页/共47页 18 18、1919世纪的天文学世纪的天文学 1 1、1818世纪经典天文学的蓬勃发展世纪经典天文学的蓬勃发展 所所谓谓经经典典天天文文学学是是指指天天体体测测量量学学和和天天体体力力学学 。国国立立天天文文台台的的设设立立 。法

16、法国国于于16711671年年设设立立了了巴巴黎黎天天文文台台，英英国国于于16751675年年设设立立了了格格林林威威治治皇皇家家天天文文台台。后后来来俄俄国国的的普普尔尔科科沃沃天天文文台台、美美国国的的华华盛盛顿顿海海军天文台也相继建成。军天文台也相继建成。在在航航海海天天文文学学上上发发挥挥最最大大作作用用的的是是英英国国格格林林威威治天文台。治天文台。2 2、天体力学的发展与代表人物的贡献、天体力学的发展与代表人物的贡献 第17页/共47页 欧欧拉拉（1707-17831707-1783）他他第第一一个个完完整整地地创创立立了了月月球运动的理论。球运动的理论。克克勒勒罗罗（1713-

17、17651713-1765）经经典典著著作作地地球球外外形形的的理论理论。达达郎郎贝贝尔尔（1717-17831717-1783）法法国国数数学学家家。发发表表关关于月球运行理论和行星运行理论的论文于月球运行理论和行星运行理论的论文 。拉拉格格郎郎日日（1736-18131736-1813）意意大大利利数数学学家家，创创立立了大行星运动的理论。了大行星运动的理论。拉拉普普拉拉斯斯（1749-18271749-1827）是是法法国国著著名名数数学学家家和和天天文文学学家家。其其著著名名杰杰作作天天体体力力学学集集各各家家之之大大成成 。还独立提出了太阳系的星云起源理论。还独立提出了太阳系的星云起

18、源理论 。第18页/共47页 3 3、1919世纪对太阳系的认识世纪对太阳系的认识 19 19世纪中叶世纪中叶 ，形成了一个完整的科学体系，人们，形成了一个完整的科学体系，人们称之为称之为“新天文学新天文学”的天体物理学正式诞生。的天体物理学正式诞生。太阳物理学太阳物理学 天体物理学的最初成就就表现在太阳物理上。此时天体物理学的最初成就就表现在太阳物理上。此时人们第一次可以分析天体的光，并由此获得很多信息，人们第一次可以分析天体的光，并由此获得很多信息，首先是它的化学成分。首先是它的化学成分。恒星物理学恒星物理学 1919世纪恒星测量学已经发展得相当完善，可以很精世纪恒星测量学已经发展得相当完

19、善，可以很精确地测定出恒星的方位确地测定出恒星的方位 。星云物理学星云物理学 星空当中各式各样的云雾状天体，统称为星云。星星空当中各式各样的云雾状天体，统称为星云。星云可分为河内星云和河外星云两大类。云可分为河内星云和河外星云两大类。第19页/共47页三、现代天文学和宇宙论三、现代天文学和宇宙论1.1.广义相对论广义相对论2.Friedman2.Friedman膨胀宇宙模型膨胀宇宙模型3.3.大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学4.4.宇宙的年龄宇宙的年龄第20页/共47页3-2-2 3-2-2 物理学与天文学的关系物理学与天文学的关系 在在科科学学发发展展的的历历史史中中，也也许许物物理理学学和和天天文

20、文学学是是两两门门关关系系特特别别紧紧密密的的学学科科。这这可可能能也也是是至至今今在在许许多多国国家家的的大大学学里里物物理理与与天天文文仍仍然然同同属属一一个个系系(物物理理天天文文或或天天文文物物理理系系)的的原原因因。这这种种紧紧密密的的关关系系不不仅仅存存在在于于它它们们发发展展的的历历史史中中，在在今今天天，它它们们在在一一些些重重大大的的科科学学前前沿沿问问题题的的研研究究上上仍仍然然是是相相互互密密切切联联系系的的。虽虽然然其其他他学学科科也也许许并并不不像像天天文文学学那那样样与与物物理理学学有有如如此此密密切切的的联联系系，但但是是，科科学学的的目目的的是是对对自自然然界界

21、和和自自然然规规律律的的认认识识,科科学学可可以以按按照照其其研研究究现现象象的的范范围围被被划划分分为为不不同同的的领领域域，可可是是，无无论论人人类类怎怎么么将将其其划划分分，自自然然界界却却是是一一个个整整体体。因因此此，学学科科之之间间的的交交叉叉和和相相互互推推动动是是必必然然的的，而而对对此此给给予予应应有有的的重重视视就就十十分必要。分必要。第21页/共47页一、历史的简短回顾一、历史的简短回顾 众众所所周周知知,现现代代科科学学的的起起源源与与物物理理学学和和天天文文学学的的发发展展是是分分不不开开的的。行行星星运运动动的的观观测测、牛牛顿顿万万有有引引力力定定律律的的发发现现

22、和和牛牛顿顿运运动动定定律律的的确确立立导导致致了了经经典典力力学学的的发发展展和和完完善善,也也第第一一次次对对行行星星运运动动给给予予了了科科学学的的解解释释。当当然然,我我们们也也不不能能不不看看到到,正正是是行行星星的的运运动动在在当当时时提提供供了了检检验验经经典典力力学学理理论论的的最最好好的的实实验验室室,而而天天文文学学家家长长期期的的观观测测和和积积累累的的资资料料是是证证实实理理论论正正确确的的基基本本实实验验数数据据。在在这这期期间间,科科学学的的发发展展造造就就了了一一批批科科学学巨巨匠匠,如如伽伽利利略略和和牛牛顿顿等等。他他们们究究竟竟是是物物理理学学家家还还是是天

23、天文文学学家家呢呢?也也许许最最好好的的回回答答是他们既是物理学家又是天文学家。是他们既是物理学家又是天文学家。第22页/共47页 他他们们的的研研究究在在当当时时看看来来是是并并无无直直接接“经经济济效效益益”的的,可可是是如如果果长长远远地地去去看看,从从这这些些并并无无经经济济效效益益的的研研究究中中开开创创和和形形成成的的经经典典力力学学,不不正正是是人人类类开开始始大大规规模模用用机机器器代代替手工劳动的工业革命的先声吗替手工劳动的工业革命的先声吗?这这些些研研究究的的“经经济济效效益益”从从今今天天看看来来应应是是怎怎么么估估计计都都不不过过分分的的。我我们们也也知知道道,这这些些

24、基基础础研研究究的的结结果果在在改改变变人人们们对对世世界界的的认认识识上上也也起起到到极极大大的的作作用用。人人们们第第一一次次看看到到了了事事物物的的运运动动在在我我们们周周围围和和“天天上上”服服从从着着同同样样的的规律。是完全不同的世界了。规律。是完全不同的世界了。第23页/共47页 也也许许,常常常常被被忽忽略略的的是是这这些些科科学学成成果果是是出出现现在在文文艺艺复复兴兴之之后后,那那时时,神神的的至至高高无无上上的的权权威威已已经经大大大大衰衰落落。而而这这种种环环境境却却是是如如哥哥白白尼尼、布布鲁鲁诺诺那那样样的的天天文文学学家家经经过过长长期期的的努努力力甚甚至至付付出出

25、生生命命才才换换来来的的。没没有有他他们们的的努努力力和和牺牺牲牲所所换换来来的的这这种种环环境境,后后来来者者怎怎么么有有可可能能去去研研究究星星球球的的运动呢。运动呢。也也是是牛牛顿顿最最早早发发现现棱棱镜镜可可以以将将白白光光分分解解为为光光谱谱。夫夫琅琅和和费费首首先先对对太太阳阳和和恒恒星星的的光光谱谱进进行行了了仔仔细细的的研研究究，他他发发现现太太阳阳和和恒恒星星的的光光谱谱中中存存在在着着分分离离的的谱谱线线,并并发发现现这这些些谱谱线线对对应应着着我我们们周周围围的的各各种种化化学学元元素素。这这使使得得大大多多数数人人都都相相信信了了太太阳阳和和恒恒星星等等天天体体都都是是

26、由由地地球球实实验验室室中中同同样的化学元素构成。样的化学元素构成。第24页/共47页 从从那那以以后后,天天体体的的光光谱谱观观测测就就成成为为天天文文研研究究的的重重要要手手段段之之一一。这这是是物物理理学学给给天天文文学学提提供供观观测测手手段段和和基基本本观观念念的的很很好好的的例例子子。物物理理学学和和天天文文学学的的结结合合在在这这里里改改变变着着人类的宇宙观。人类的宇宙观。第25页/共47页二、二、20世纪中的物理学与天文学世纪中的物理学与天文学 2020世世纪纪上上半半叶叶,物物理理学学发发生生了了以以量量子子论论和和相相对对论论的的确确立立为为标标志志的的前前所所未未有有的的

27、革革命命。这这些些重重要要发发展展同同样样导导致致了了天天文文学学的的巨巨大大进进步步。在在量量子子论论基基础础上上发发展展起起来来的的核核物物理理和和粒粒子子物物理理基基础础上上,天天文文学学家家和和天天体体物物理理学学家家正正确确地地解解释释了了长长时时间间未未能能解解释释的的恒恒星星的的能能源源问问题题,在在此此基基础础上上建建立立起起了了恒恒星星结结构构和和演演化化的的标标准准模模型型并并取取得得了了极极大大的的成成功功。恒恒星星标标准准模模型型的的建建立立和和成成功功是是天天文文学学在在2020世世纪纪所所取取得得的的重重大大成成就就之之一一。不不止止于于此此,20,20世世纪纪30

28、30年年代代,在在将将量量子子论论和和相相对对论论应应用用于于恒恒星星演演化化时时发发现现,在在恒恒星星核核反反应应结结束束后后会会形形成所谓简并星。成所谓简并星。第26页/共47页 它它们们不不是是由由核核反反应应提提供供的的能能量量产产生生的的热热压压与与引引力力平平衡衡达达到到稳稳定定,而而是是由由量量子子效效应应所所产产生生的的简简并并压压维维持持平平衡衡。按按恒恒星星最最后后残残存存的的核核的的质质量量,简简并并星星可可能能是是白白矮矮星星或或中中子子星星.它们分别是由电子简并压和中子简并压支撑的。它们分别是由电子简并压和中子简并压支撑的。钱钱德德拉拉塞塞卡卡从从相相对对论论的的考考

29、虑虑得得出出这这种种由由简简并并压压支支撑撑的的星星具具有有质质量量上上限限,他他得得出出白白矮矮星星的的质质量量上上限限是是1.41.4倍倍太太阳阳质质量量。任任何何恒恒星星在在用用完完可可用用的的核核燃燃料料后后如如果果残残存存核核的的质质量量超超过这一质量过这一质量,将会继续坍缩。将会继续坍缩。朗朗道道、巴巴德德和和兹兹威威基基分分别别提提出出了了中中子子星星存存在在的的可可能能性性。中中子子星星的的质质量量也也有有上上限限,当当恒恒星星残残存存的的核核的的质质量量超超过过这这一一质质量量时时,将将没没有有任任何何力力量量能能够够支支撑撑其其平平衡衡。它它们们将将在在引引力力作作用用下一

30、直坍缩最终形成黑洞。下一直坍缩最终形成黑洞。第27页/共47页 这这些些在在当当时时无无论论天天文文学学家家还还是是物物理理学学家家看看来来都都是是十分奇异的结论十分奇异的结论,是不可能在实验室里被检验的。是不可能在实验室里被检验的。它它们们只只可可能能存存在在于于宇宇宙宙中中.然然而而,这这些些乍乍看看十十分分怪怪异异的的天天体体后后来来的的确确相相继继被被天天文文学学家家发发现现,进进一一步步证证实实了了量量子子论论和和相相对对论论在在宇宇宙宙中中的的普普适适性性,也也说说明明了了物物理理规规律律在与其他学科结合时的作用。在与其他学科结合时的作用。2020世纪物理学的另一项重要成就是相对论

31、的建立。世纪物理学的另一项重要成就是相对论的建立。爱因斯坦建立了狭义相对论后爱因斯坦建立了狭义相对论后,接着又建立了引力的相接着又建立了引力的相对论性理论对论性理论,即广义相对论即广义相对论,并在此基础上讨论了宇宙学并在此基础上讨论了宇宙学解。出乎意料的是广义相对论的宇宙学解所给出的不是解。出乎意料的是广义相对论的宇宙学解所给出的不是定态的宇宙而是膨胀宇宙。这在当时造成了很大的困惑。定态的宇宙而是膨胀宇宙。这在当时造成了很大的困惑。爱因斯坦相对论理论爱因斯坦相对论理论_ _标清标清.flv.flv第28页/共47页2020世世纪纪2020年年代代,天天文文学学家家哈哈勃勃通通过过对对星星云云光

32、光谱谱的的观观测测作作出出了了两两个个重重要要的的发发现现,他他发发现现,原原来来这这些些星星云云并并非非都都是是银银河河系系中中的的天天体体,许许多多是是远远在在银银河河系系以以外外和和银银河河系系类类似似的的由由无无数数恒恒星星组组成成的的星星系系.我我们们所所在在的的银银河河系系仅仅仅仅是是众众多多星系中的一员。星系中的一员。同同时时他他还还发发现现,这这些些星星系系的的谱谱线线都都较较之之实实验验室室中中测测定定的的相相同同元元素素的的对对应应谱谱线线有有不不同同程程度度的的红红移移。这这表表明明这这些些星星系系都都在在离离开开我我们们退退行行,并并且且距距离离愈愈远远的的星星系系红红

33、移移愈愈大大,或说退行速度愈快。或说退行速度愈快。这这正正是是膨膨胀胀宇宇宙宙的的图图像像。哈哈勃勃的的观观测测提提供供的的证证据据表表明明,宇宙整体在膨胀。宇宙整体在膨胀。第29页/共47页 在在此此之之后后,尽尽管管经经历历了了各各种种曲曲折折,在在2020世世纪纪后后半半叶叶,建建立立在在膨膨胀胀宇宇宙宙基基础础上上的的热热大大爆爆炸炸宇宇宙宙学学模模型型逐逐渐渐形形成成并完善起来。并完善起来。它它关关于于宇宇宙宙微微波波背背景景和和轻轻元元素素丰丰度度的的预预言言也也被被天天文文观观测测所所证证实实。标标准准热热大大爆爆炸炸宇宇宙宙模模型型的的建建立立,是是天天体体物物理理学学在在20

34、20世世纪纪所所取取得得的的又又一一重重大大成成就就。上上述述的的事事实实充充分分说说明明了了物物理理学学的的发发展展为为天天文文学学提提供供了了用用于于理理解解天天文文现现象象和和规规律律的的基基础础。物物理理学学上上的的突突破破也也势势必必导导致致天天文文学学的的重要进展。重要进展。第30页/共47页 同同时时,我我们们也也看看到到,天天文文学学为为物物理理学学的的重重要要发发现现提提供供了了独独特特的的实实验验室室,在在许许多多情情况况下下是是惟惟一一的的实实验验室室。伴伴随随物物理理基基础础理理论论在在天天文文学学研研究究中中取取得得的的成成就就,人人们们已已经经坚坚信信宇宇宙宙是是由

35、由统统一一的的自自然然规规律律所所支支配配的的,而而物物理理学学所所提提供供的的正正是是其其中中最最基基本本的的规规律律。天天体体物物理理学学正正是是在在这这种种认认识识的的基基础础上上蓬蓬勃勃发发展展起起来来的的。当当人人们们用用物物理理学学的的规规律律去去理理解解天天文文现现象象和和天天体体的的本本质质时时,就就为为物物理理学学的的应应用用和和发发展提供了又一个广阔的天地。展提供了又一个广阔的天地。第31页/共47页三、新世纪的物理学与天文学三、新世纪的物理学与天文学 2020世世纪纪物物理理学学与与天天文文学学均均取取得得了了重重大大进进展展,在在新新的的世世纪纪开开始始之之际际,它它们

36、们也也面面临临着着一一些些重重大大的的共共同同的的前前沿沿问问题题。这这些些问问题题的的解解决决将将标标志志着着物物理理学学与与天天文文学学的的新新的的突突破破。下下面面我我们们将将简简单单地地介介绍绍一一些些今今天天物物理理学学与与天天文文学面临的共同的前沿。学面临的共同的前沿。暗物质问题暗物质问题 大宇宙黑洞与暗物质大宇宙黑洞与暗物质_ _标清标清.flv.flv 宇宇宙宙学学的的研研究究中中一一个个基基本本问问题题是是宇宇宙宙中中物物质质的的组组分分和和密密度度,以以及及它它们们的的演演化化。天天文文学学家家从从旋旋涡涡星星系系旋旋转转曲曲线线的的观观测测发发现现,仅仅从从星星系系中中的

37、的恒恒星星质质量量和和气气体体质质量量不不可能解释其旋转曲线。可能解释其旋转曲线。第32页/共47页 而而且且,许许多多星星系系的的旋旋转转曲曲线线在在距距中中心心较较远远处处趋趋向向平平坦坦。这这是是出出乎乎意意料料的的结结果果。它它表表明明,星星系系中中可可能能存存在在着着大大量的不发光的暗物质。量的不发光的暗物质。经经过过近近2020年年的的研研究究发发现现,无无论论是是小小质质量量恒恒星星、气气体体、简简并并星星和和小小黑黑洞洞等等均均不不可可能能是是这这种种占占星星系系质质量量大大部部分分的的不不发发光光的的物物质质.而而且且,从从宇宇宙宙原原初初元元素素丰丰度度的的研研究究对对宇宇

38、宙宙中中重重子子物物质质含含量量给给出出的的限限制制表表明明,这这种种暗暗物物质质只只可可能能是是非非重子物质。重子物质。第33页/共47页 太阳中微子问题太阳中微子问题这这可可以以说说是是一一个个由由天天体体物物理理研研究究引引出出的的具具有有重重要要意意义义的的物物理理学学基基本本问问题题的的典典型型例例子子。自自2020世世纪纪6060年年代代后后期期,科科学学家家开开始始建建造造大大型型设设备备探探测测宇宇宙宙中中的的中中微微子子。距距离离我我们们最最近近的的中中微微子子源源是是太太阳阳。它它在在进进行行核核反反应应时时会会释释放放出出大大量量中中微微子子。在在对对太太阳阳中中微微子子

39、进进行行观观测测后后发发现现,接接收收到到的的太太阳阳中中微微子子数数明明显显地地少少于于由由恒恒星星模模型型计计算算出出的的太太阳阳中中微微子子流流量量。尽尽管管中中微微子子的的接接收收设设备备有有了了很很大大的的改改进进,太太阳阳中中微微子子流流量量缺缺少少这这一一情情况况并并未未改改变变。为为什什么么探探测测到到的的太太阳阳中中微微子子流流量量会会低低于于理理论论模模型计算的结果呢型计算的结果呢?这就是所谓太阳中微子问题。这就是所谓太阳中微子问题。第34页/共47页 当当然然有有两两种种可可能能,一一是是太太阳阳,或或说说恒恒星星的的模模型型有有问问题题；另另一一种种可可能能是是关关于于

40、中中微微子子的的粒粒子子物物理理理理论论有有欠欠缺缺。为为解解决决太太阳阳中中微微子子问问题题，一一时时间间各各种种不不同同的的理理论论模模型型被被提提出出,包包括括非非标标准准的的太太阳阳模模型型，中中微微子子振振荡荡理理论论,等等等等。最最近近的的实实验验表表明明,很很可可能能是是由由中中微微子子振振荡荡造造成成的的。也也就就是是说说，由由于于三三种种中中微微子子间间会会发发生生相相互互的的转转变变，观观测测到到的的某某一一种种中中微微子子的的流流量量就就可可能能随随距距离离变变化化。存存在在中中微微子子振振荡荡无无疑疑是是我我们们在在了了解解基基本本物物理理中中的的一一个个重重要要进进步

41、步。除除上上述述之之外外，在在进进入入新新世世纪纪之之际际物物理理学学与与天天文文学学的的共共同同前前沿沿问问题题还还有有很很多多。它它们们大大都都涉涉及及基基本本的的物物理理和和天天体体物物理理问问题题，如如黑黑洞洞的的形形成成和和与与黑黑洞洞有有关关的的强强引引力力场场中中的的物物理理，引引力力波波的的产产生生和和探探测测也也是是对对广广义义相相对对论论的的一一个个重重要要检检验验，等等。等等。第35页/共47页 所所有有这这些些前前沿沿问问题题既既是是量量子子物物理理与与相相对对论论这这2020世世纪纪基基础础科科学学的的两两大大发发现现的的继继续续，又又是是对对它它们们的的某某种种挑挑

42、战战。这些前沿问题的解决势必推动基础科学的进展。这些前沿问题的解决势必推动基础科学的进展。由由上上述述的的物物理理学学与与天天文文学学的的相相互互影影响响和和推推动动的的关关系系,我我们们看看到到，物物理理学学提提供供了了了了解解天天文文现现象象的的基基本本规规律律,物物理理学学的的每每次次重重大大进进展展都都推推动动着着天天文文学学的的重重大大发发展展；天天文文学学的的研研究究又又为为物物理理学学提提供供了了一一个个惟惟一一的的又又是是丰丰富富多彩的实验室。二者就是这样相互依存又相互促进。多彩的实验室。二者就是这样相互依存又相互促进。第36页/共47页四、物理学和天文学研究与高技术四、物理学

43、和天文学研究与高技术 和和物物理理学学研研究究中中的的其其他他实实验验室室一一样样,物物理理学学和和天天文文学学在在基基于于宇宇宙宙这这一一巨巨大大实实验验室室中中的的研研究究对对技技术术有有着着特特别别高高的的需需求求.正正是是这这种种需需求求有有力力地地推推动动着着高高技技术术的的发发展展。在在所所有有上上述述的的物物理理学学与与天天文文学学的的共共同同前前沿沿问问题题的的研研究究上上，需需要要有有大大型型地地面面和和空空间间望望远远镜镜以以观观测测尽尽可可能能遥遥远远的的宇宇宙宙天天体体；要要有有最最高高灵灵敏敏度度的的探探测测器器以以探探测测到到最最微微弱弱的的从从远远处处传传递递来来

44、的的信信号号；需需要要有有尽尽量量高高的的分分辨辨率率，以以区区分分相相邻邻的的天天体体和和观观测测尽尽可可能能遥遥远远的的天天体体的的形形态态和和结结构构；需需要要有有光光学学以以外外的的其其他他波波段段的的探探测测器器和和探探测测技技术术，以以使使得得从从全全波波段段对对天天体体和和天天文文现现象象的的了了解解成成为为可可能能；它它还还需需要要高高速速度度大大容容量量的的计计算算机机，以以采采集集、处处理理大大量量的的观观测测数数据据和和进进行理论上的模拟计算。行理论上的模拟计算。第37页/共47页 所所有有这这一一切切需需求求，无无一一不不是是对对现现今今的的高高技技术术提提出出的的更更

45、高高的的要要求求。为为此此,在在2020世世纪纪中中,特特别别是是2020世世纪纪后后期期发发展展出出了了一一系系列列新新设设备备和和新新技技术术。例例如如,CCD,CCD接接收收器器,它它把把探探测测的的灵灵敏敏度度提提高高到到了了单单光光子子的的探探测测;光光干干涉涉技技术术将将探探测测器器的的分分辨辨率率提提高高到到毫毫角角秒秒,并并进进一一步步将将提提高高到到微微角角秒秒量量级级;一一个个接接一一个个的的工工作作在在各各波波段段上上的的空空间间天天文文卫卫星星的的发发射射,将将空空间间技技术术一一步步步步地地提提到到更更高高的的高高度度。物物理理学学和和天天文文学学研研究究除除了了对对

46、高高技技术术提提出出愈愈来来愈愈高高的的要要求求外外,它它们们在在高高技技术术发发展展中中还还提提供供高高技技术术设设备备可可用用性性的的检检验验。而而且且,这这种种检检验验是是最最严严格格的的检检验验。也也许许,这这就就是是发发达达国国家家不不惜投入巨额资金发展基础研究的原因吧。惜投入巨额资金发展基础研究的原因吧。第38页/共47页趣味视频趣味视频 黑洞通往未来黑洞通往未来_ _标清标清.flv.flv第39页/共47页3-3 3-3 物理学与化学的关系物理学与化学的关系 物物理理，从从最最广广泛泛的的意意义义上上来来说说即即是是研研究究大大自自然然现现象象及及规规律律的的学学问问，在在物物

47、理理学学的的领领域域中中，研研究究的的是是宇宇宙宙的的基基本本组组成成要要素素：物物质质、能能量量、空空间间、时时间间及及它它们们的的相相互互作作用用；借借由由被被分分析析的的基基本本定定律律与与法法则则来来完完整整了了解解这这个个系系统统。化化学学是是研研究究物物质质的的组组成成、结结构构、性性质质、以以及及变变化化规规律律的的科科学学。世世界界是是由由物物质质组组成成的的，化化学学则则是是人人类类用用以以认认识识和和改改造造物物质质世世界界的的主主要要方方法法和和手手段段之之一一。物物理理是是一一个个物物质质的的在在外外特特性性，是是一一个个比比较较直直观观的的概概念念，而而化化学学则则是

48、是一一个个物物质质内内在在的的性性质质。从从有有没没有有新新物物质质生生成成讲讲，没没有有新物质生成的是物理变化，有新物质生成的是化学变化。新物质生成的是物理变化，有新物质生成的是化学变化。第40页/共47页研研究究一一种种物物质质必必须须要要从从物物理理和和化化学学两两个个方方面面相相结结合合去去研研究究，缺缺少少一一个个都都不不是是严严谨谨的的，因因此此，无无论论是是在在日日常常生生活活中中还还是是学学科科研研究究领领域域，物物理理和和化化学学是是联联系系相相当紧密的两个物质代名词。当紧密的两个物质代名词。物物理理学学与与化化学学，作作为为自自然然科科学学的的两两个个分分支支，关关系系十十

49、分分密密切切，任任何何一一种种化化学学变变化化总总是是伴伴随随着着物物理理变变化化，物物理理因因素素的的作作用用也也都都会会引引起起化化学学变变化化，自自然然科科学学中中化化学学和和物物理理历历来来是是亲亲如如兄兄弟弟、相相辅辅相相成成的的两两个个基基本本学学科科，它它们们虽虽曾曾有有过过约约定定俗俗成成的的分分工工，各各司司其其职职，但但非非各各自自为为战战,“化化学学和和物物理理合合在在一一起起，在在自自然然科科学学中中形形成成了了一一个个轴轴心心”。第41页/共47页 历历史史上上化化学学家家和和物物理理学学家家的的研研究究是是在在相相互互合合作作、相相互互促促进进中中进进行行的的，许许

50、多多科科学学家家的的研研究究兼兼及及物物理理学学和和化化学学，每每当当化化学学家家们们对对取取得得的的实实验验经经验验试试图图作作出出解解释释，并并提提高高为为理理论论时时，每每当当他他们们在在研研究究中中遇遇到到难难以以逾逾越越的的障障碍碍时，总是求助于当时的物理学成就，而且受益良多。时，总是求助于当时的物理学成就，而且受益良多。物理包含着所有物质系统的化学行为的原理、规物理包含着所有物质系统的化学行为的原理、规律和方法，化学也同样涵盖从宏观到微观与性质的关系、律和方法，化学也同样涵盖从宏观到微观与性质的关系、规律、化学过程机理及其控制的研究。由此便产生了物规律、化学过程机理及其控制的研究。