中女天文許你一顆星

中國國家天文：天文學如何推動科技的進步

北京新浪網 (2009-03-03 17:15)

文/黃潤乾

　　導語：天文學對自然科學和現代科學技術的發展，對人類社會的進步，與物理學一樣，起到了巨大的推動作用，並且未來可能會起到更大的作用。

　　在六大自然科學(數學、物理、化學、天文、地理和生物)中，天文學的研究物件是自然界中距離地球很遙遠的天體(行星、恆星、星系和宇宙)，研究在天體上發生的現象和規律，研究天體和宇宙的起源和演化。進入21世紀，聯合國首先將2005年定名為國際物理年，以喚起世界人民對物理學的重視。因為物理學對自然科學和現代科學技術的發展，對人類社會的進步起了巨大的推動作用，並且在21世紀中可能起更大的作用。繼2005國際物理年之後，聯合國又將2009年定名為國際天文年。這說明，天文學對自然科學和現代科學技術的發展，對人類社會的進步同樣起了巨大的推動作用，並且未來可能起更大的作用。

　　早在300多年前，天文學的發展曾經對牛頓力學的發展起了重要作用。天文學家開普勒在研究行星運動時得到著名的開普勒三定律。1687年，牛頓深入研究了開普勒三定律，提出了第一個完整的引力理論──萬有引力定律，並建立了牛頓力學。牛頓力學的建立，導致了各種機悈和機器的產生和發展，推動了工業革命和人類社會的巨大進步。

　　當時，天文學的發展不僅推動了牛頓力學的發展，還推動了航海業的發展，因為輪船在茫茫大海中，要依靠天體測量學的方法，測量恆星或太陽的位置，以計算出輪船所在的位置和航行的方向。航海業的發展又推動了歐亞大陸的商業往來和發現新大陸。天文學依據地球繞太陽運動的規律，定出了歷法，不僅統一了人類社會的活動，同時對農業的發展起了重要的推動作用。

　　牛頓力學在物理學中，以及在推動技術發展和人類社會的進步中有極其重要的作用。但是，因為牛頓力學是建立在時空相分離的框架基礎上，它僅僅適用於低速運動的宏觀物質系統(大於原子、分子的物質系統)，對於接近光速的高速運動系統，微觀物質系統(原子、分子或更小的基本粒子物質系統)，和巨大宇宙尺度的物理問題，牛頓力學則表現出局限性和不適用。

　　20世紀，兩個新的物理理論──量子理論和愛因斯坦的廣義相對論對自然科學和社會產生了重要影響。量子物理成功地描寫了微觀世界的物理現象，愛因斯坦的廣義相對論描寫了接近光速的高速運動系統和宇宙大尺度的事件，使人們對於微觀物質系統，接近光速的高速運動系統和宇宙尺度的自然規律有了深刻正確的認識，促進了物理學整體的提高；同時奠定了現代科學技術的飛躍發展，促進了半導體技術、計算技術、通信技術、鐳射技術、新材料和新能源的快速發展。但是，愛因斯坦的廣義相對論，由於它的概念深奧，數學很難，在很長時間內都沒有被廣大物理學界所接受。尤其是廣義相對論認為萬有引力不是一般的力，而是時空彎曲的表現，這一點很難被人接受。例如來自遙遠恆星的一束光，經過太陽附近時會發生偏轉。按照牛頓力學，這是因為光子受到太陽引力的作用，其動量發生變化，使其運動路線發生偏轉。按照廣義相對論，這是因為太陽的質量扭曲了附近的空間，光子在彎曲空間中運動的路徑是一條曲線，因而來自恆星的光線經過太陽附近時發生偏轉。雖然牛頓力學和廣義相對論都能解釋來自遙遠恆星的光線經過太陽附近時發生偏轉的現象，但是二者得出的偏轉值卻不相同，由牛頓力學給出的偏轉值僅是廣義相對論給出的偏轉值的一半。天文學家將日全食時拍攝下的恆星的視方位(恆星光線在太陽附近發生偏轉後的方位)與半年前夜間拍攝的同一恆星的方位(恆星光線不經過太陽附近，因而不發生偏轉時的方位)進行比較，得到光線的偏轉值。結果証明了廣義相對論給出的偏轉值與觀測結果完全符合。天文學還用其他一些天文現象的觀測結果証明了廣義相對論的正確性。從而使愛因斯坦提出的引力和時空結構的新理論──廣義相對論得到了充分證實。

　　天文學家在研究恆星為什麼會發光，為什麼能維持數十億年向外輻射大量能量而不變的原因時，發現恆星的能源來自恆星內部高溫、高壓和高密狀態下發生的熱核聚變，即將四個氫原子核聚合為一個氦核，同時釋放出大量能量。天文學發現的核聚變不僅豐富了核物理的內容，同時對於人類尋找新能源有重要的意義。因為地球上的海水如此豐富，海水電解後可以提供大量氫作為核聚變的原料，可以用之不盡。相信人類在21世紀，一定可以利用核聚變原理在地球上建立起『人造小太陽』，解決能源的困難。                            

　　在宇宙和天體中到處都是等離子體，即『電磁流體』。如90%以上的星際物質是以等離子體形式vs在；恆星內部高溫狀態下離子和電子的運動是電磁流體。正是研究電磁流體，導致磁流體力學和等離子體物理的出現。等離子體物理不僅在研究天體物理的問題中，而且在研究地球科學的一些基本問題中，已成為必不可少的重要科學理論。等離子體物理又奠定了現代科學技術中的等離子體照明技術，以及等離子體顯示屏、等離子體鐳射器、等離子體加熱器等的技術，並且成為研究可控熱核聚變的重要手段之一。

　　粒子物理是物理學中一個重要分支學科，它研究組成物質的最小單元──基本粒子，以及它們之間的相互作用。20 世紀，粒子物理取得了重大進展，發現了比中子、質子更小的誇克、輕子、膠子和希克斯粒子等基本粒子，並統一了引力、電磁作用力、弱相互作用和強相互作用的理論框架。但是，要進一步發展粒子物理，必須加大幅度提高加速器的能量，而更高能量的加速器需要大量資金，其經濟投入已經達到使現代經濟發達國家都難以承受的地步。於是，粒子物理和天體物理相結合，利用大型天文觀測設備和天體物理學方法去尋找宇宙中的基本粒子、暗物質、暗能量，以及它們的相互作用和規律，可能成為21世紀科學發展中的重點之一。

　　天文學為了解決太陽系的穩定問題，和行星系統的動力學穩定性問題，啟發了現代非線性動力學和混沌理論的發展。而非線性動力學和混沌理論在研究許多複雜系統，如演化生物學、金融中的股市理論等等，都有重要意義。

　　航天技術的發展對於人類的通信、尋找礦產資源、預報氣象和自然災害，以及國防建設起著重要作用。而天文學的知識和規律在航天事業的發展中具有重要意義，例如為了使衛星能夠進入預定的軌道，必須用天體測量的方法和儀器，精確測定運載火箭的運行軌道，必須精確預報是否有太陽爆發的高能粒子碰撞衛星的可能。

　　空間定位系統對於航空、航海和國防有重要意義，而空間定位系統的基本原理是來自天體測量和天體力學。

　　地震是因為地球板塊運動擠壓的能量釋放而產生。發生地震的地方，其局地重力加速度會變化。而天文測量可以最精確地測量地球板塊運動，和測量局地重力加速度變化。因此，天文學對地球動力學和地震預報可以起重要作用。

　　天文學正在研究太陽系中的其他行星上是否有生命存在的條件，同時正在尋找，並且已經發現其他恆星系統中也有行星存在，研究在這些行星上是否有生命存在的條件。這對於研究生命的起源，生命可以適應的環境和條件有重要意義。

　　天文學對自然科學和現代科學技術的作用還有許許多多，以上僅僅列舉了一部分。因此，聯合國將2009年定為國際天文年，以喚起世界人民對天文學的重視是完全應該和正確的。

　　本文作者系中國科學院院士、國家天文台雲南天文台研究員