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天文學研究課題范文第1篇

聞名于世的“諾貝爾獎”，每年一次授予在物理學、化學、生理學或醫(yī)學，以及一些人文領域做出卓越貢獻的人，至今已有100多年的歷史。然而，諾貝爾并沒有設立專門的天文學獎項，這導致了20世紀前70年天文學的成就與諾貝爾獎無緣。由于天體物理學的發(fā)展，特別是天文觀測所發(fā)現(xiàn)的許多物理特性和物理過程是地面上的物理學實驗所無法實現(xiàn)的，宇宙及各種天體已成為物理學的超級實驗室。天體物理學的一些突出成果有力地推進了物理學的發(fā)展，這樣，天文學成就獲得“諾貝爾物理學獎”就成為很自然的事了。

諾貝爾獎與天文學的尷尬

諾貝爾獎是以瑞典著名化學家阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾（Alfred Bemhard Nobel，1833年10月21日～1896年12月10日）的部分遺產作為基金創(chuàng)立的。諾貝爾獎包括金質獎章、證書和獎金支票。諾貝爾在他的遺囑中提出，將部分遺產（920萬美元）作為基金，以其利息分設物理、化學、生理或醫(yī)學、文學及和平5種獎金，授予世界各國在這些領域內對人類做出重大貢獻的學者。1968年，瑞典中央銀行于建行300周年之際，提供資金增設諾貝爾經濟學獎，并于1969年開始與其它5種獎同時頒發(fā)。諾貝爾獎還有一個規(guī)定，即只有先前的諾貝爾獎獲得者、諾貝爾獎評委會委員、特別指定的大學教授、諾貝爾獎評委會特邀教授才有資格推薦獲獎的候選人。

由于沒有設立諾貝爾天文學獎，在很多年里，天文學家既沒有推薦權，也不會被人推薦。在這個世界公認的科學界最高獎面前，天文學和天文學家的處境不免有些尷尬。

天文學與物理學相互促進

天文學是研究地球之外天體和宇宙整體的性質、結構、運動和演化的科學，物理學是研究物質世界基本規(guī)律的科學。研究各種物質形態(tài)都會形成相應的物理學分支，其中包括研究天體形態(tài)和特性的天體物理學。很顯然，天文學與物理學的關系十分密切，相互關聯(lián)，密不可分。天文學成就可以歸入諾貝爾物理學獎的范圍是在情理之中的，但是要使這個道理得到公認很不容易，花費了好幾十年的時間。

20世紀初，物理學家根據物理學規(guī)律提出了許多天文學預言：如廣義相對論預言星光在太陽引力場中的彎曲、水星近日點的運動規(guī)律和引力場中的光譜紅移現(xiàn)象；預言中子星、微波背景輻射、星際分子和黑洞的存在等。這些預言在證實的過程中曾走過艱難的歷程甚至彎路，這些偉大的預言推動著天文學家和物理學家們?yōu)橹畩^斗，并且發(fā)展了一個個新的分支學科。

天文觀測為物理學基本理論提供了認識地球上實驗室無法得到的物理現(xiàn)象和物理過程的條件。開普勒發(fā)現(xiàn)了行星運動三定律以后，牛頓為解釋這些經驗規(guī)律才導出萬有引力定律，而在地球上的物理實驗室中是總結不出萬有引力定律的。此后，從對太陽及恒星內部結構和能量來源的研究中獲得了熱核聚變反應的概念；對星云譜線的分析提供了原子禁線理論的線索；從恒星演化理論發(fā)展出了元素形成理論。天文學觀測的新發(fā)現(xiàn)也給物理學以巨大的刺激和桃戰(zhàn)：中子星的發(fā)現(xiàn)推動了致密態(tài)物理學的發(fā)展，而類星體、星系核、Y射線暴等現(xiàn)象的能量來源迄今還很難從現(xiàn)有的物理學規(guī)律中找到答案。

隨著物理學的發(fā)展，物理學家必然要把宇宙及各種天體作為物理學的實驗室。物理學家涉足天文學領域的研究成為一種必然。而天文學家也會密切地注視著物理學的發(fā)展，以期用物理學原理來解釋宇宙的過去、現(xiàn)在和將來。

一批歷史性天文學成就無緣諾貝爾獎

在1901年開始頒發(fā)諾貝爾獎以后，天文學上有很多重大的發(fā)現(xiàn)，其科學價值可與獲得諾貝爾物理學獎的一些項目媲美。1912年，美國女天文學家勒維特（Henrietta Swan Leavitt）發(fā)現(xiàn)造父變星的周光關系，從而得出一種估計天體距離的方法，這直接導致了河外星系的發(fā)現(xiàn)；1911年～1913年，丹麥天文學家赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung）和美國天文學家羅素（Henry Norris Russell）各自獨立地得到了恒星光度和光譜型的關系圖，即赫羅圖，赫羅圖在恒星起源和演化的研究中起到了舉足輕重的作用；1918年，美國天文學家沙普利（Harlow Shapley）發(fā)現(xiàn)銀河系中心在人馬座方向，糾正了太陽是銀河系中心的錯誤看法；1924年，美國天文學家哈勃（Edwin P.Hubble）確認“仙女座大星云”是銀河系之外的恒星系統(tǒng)，繼而在1929年發(fā)現(xiàn)了著名的哈勃定律，證明宇宙在膨脹；1926年，英國天文學家愛丁頓（ArthurStanley Eddington）出版專著《恒星內部結構》，這本書成為恒星結構理論的經典著作。然而，這些成果無一例外地被諾貝爾物理學獎拒之門外。

就像1927年諾貝爾物理學獎得主威爾遜發(fā)明的云霧室成為研究微觀粒子的重要儀器一樣，望遠鏡的發(fā)展使我們能夠觀測到更遙遠、更暗弱的天體及天體現(xiàn)象。但是沒有一項光學望遠鏡的成就獲獎。其中如美國天文學家海爾（Alan Hale）研制的口徑1.53米、2.54米和5.08米三架大型反射望遠鏡，1930年施密特研制的折反射望遠鏡，以及20世紀90年代研制完成的10米口徑凱克Ⅰ號和Ⅱ號望遠鏡等，它們都代表了天文學觀測手段的歷史性成就。獲諾貝爾物理學獎的與天文相關的課題

隨著物理學的發(fā)展，物理學家必然要把宇宙及各種天體作為物理學的實驗室。在宇宙中所發(fā)生的物理過程比地球上所能發(fā)生的多得多，條件往往更為典型或極端。在地球上做不到的物理實驗，在宇宙中可以觀測到。物理學家涉足天文學領域的研究成為必然。

赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙線191 1年～1912年，奧地利物理學家赫斯（Victor Francis Hess）用氣球把“電離室”送到距離地面5000多米的高空進行大氣導電和電離的實驗，發(fā)現(xiàn)了來自地球之外的宇宙線。1936年，赫斯因此獲得諾貝爾物理學獎。實際上，宇宙線的發(fā)現(xiàn)既是一項物理學實驗，更是天文學觀測成果。

貝特提出太陽的能源機制1938年美國物理學家貝特（Hans Bethe）研究核反應理論的過程中，提出太陽和恒星的能量來源于核心的氫核聚變所釋放出的巨大能量。1967年，他因此項研究成果獲得諾貝爾物理學獎。

湯斯開創(chuàng)分子譜線天文學美國物理學家湯斯（Charles Townes）利用氨分子受激發(fā)射的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子線路放大，研制出了波長為1，25厘米的氨分子振蕩器，簡稱為脈澤。他由地球上的“脈澤”聯(lián)想到太空中的分子，預言星際分子的存在。并計算出羥基（-OH）、一氧化碳（CO）等17種星際分子譜線頻率。1963年，年輕的博士后巴瑞特觀測到了預言中的羥基分子譜線，成為轟動全球的20世紀60年代四大發(fā)現(xiàn)之一。湯斯由此成為分子譜線天文學的拓荒人和首創(chuàng)者。1964年，他因氨分子振蕩器成功研制而獲該年度的諾貝爾物理學獎，而這項研究的副產品開創(chuàng)了一門新興的天文學科，其科學意義不遜于氨分子振蕩器的研制成功。

物理學家涉足天文學的研究所取得的成果能夠登上諾貝爾獎的大雅之堂，那么天文學家的研究成果，自然也應該被諾貝爾物理學獎容納。

天文學理論首先與諾貝爾獎結緣

天文學家們密切注視著物理學的發(fā)展，并在天文學的研究過程中發(fā)展了物理學。瑞典天文學家阿爾文首先于1970年用他的“太陽磁流體力學”的出色成果叩開了諾貝爾物理學獎的大門，接著又有錢德拉塞卡的“恒星結構和演化”和福勒等幾人合作的“恒星演化元素形成理論”的獲獎。這三項諾貝爾物理學獎的理論性很強，但都是建立在深入細致的天文觀測基礎上的。光學望遠鏡的長期觀測提供了極其寶貴的資料，所獲得的統(tǒng)計規(guī)律給理論研究指明了方向，提供了解決問題的線索。這三個項目也體現(xiàn)了物理學理論和天文學最完美的結合。

首次獲諾貝爾獎的天文學家在太陽上發(fā)生的一切物理過程都與磁場和等離子體有關。磁流體力學成為太陽物理最重要的理論基礎。瑞典的阿爾文（Hannes Alfv6n）是磁流體力學的奠基人，他首先應用這個理論研究太陽，因此也稱為太陽磁流體力學。由于這一理論也適用于宇宙中其它天體和星際介質，因而也就成為宇宙磁流體力學。阿爾文因為對宇宙磁流體動力學的建立和發(fā)展所做出的卓越貢獻而榮獲1970年度諾貝爾物理學獎，這是歷史上第一次以天文學研究成果獲諾貝爾物理學獎。

印度裔美國天文學家錢德拉塞卡奮斗終生的成就在錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）還是劍橋大學研究生的時候，就獲得了“白矮星質量上限”這一研究成果。這一成果意味著超過白矮星質量極限的老年恒星的演化歸宿可能是密度比白矮星更大的中子星或者黑洞，其意義不同尋常。但由于受到權威學者錯誤的壓制，這一成果未能得到進一步深入研究。在這之后，他仍幾十年如一日地研究恒星結構和演化理論。1983年，他在73歲高齡時以特別豐碩的成就獲得該年度的諾貝爾物理學獎。

B2FH元素形成理論宇宙中存在的各種元素是怎樣來的？這是個天文學家應該回答、卻很難回答的問題。但是由天文學家霍伊爾（Fred Hoyle）、伯比奇（G.Geoffrey Burbidge）夫婦和核物理學家福勒（William Fowler）合作完成的研究課題卻揭示了這個自然之謎。人們按論文作者姓氏字母順序稱之為B2FH元素形成理論。這篇論文解決了在恒星中產生各種天然元素的難題，被視為經典科學論文。這是天文學家和核物理學家合作研究天文學重大課題的典型例子。

1983年，上述論文的第三作者福勒獲得了諾貝爾物理學獎，這個結果顯得很不公平，備受質疑。福勒的貢獻的確很大，但是另外三位天文學家的貢獻也不是可有可無的，特別是霍伊爾作為這個研究課題的提出者和組織者，其前期的研究已經提出“恒星內部聚變產生元素”的創(chuàng)新思想，把他排除在諾獎之外很有些匪夷所思。

射電天文學成為諾貝爾獎的搖籃

射電天文學是20世紀30年展起來的天文學新分支，其特點是利用射電天文望遠鏡觀測天體的無線電波段的輻射。和光學望遠鏡400多年的歷史相比，它僅有幾十年歷史，但卻很快就步入了鼎盛時期。20世紀60年代射電天文學的“四大發(fā)現(xiàn)”，即脈沖星、星際分子、微波背景輻射、類星體，成為20世紀中最耀眼的天文學成就。射電天文已成為重大天文發(fā)現(xiàn)的發(fā)祥地和諾貝爾物理學獎的搖籃。

賴爾的突破物理學中因發(fā)明新器件而獲諾貝爾物理學獎的事例屢見不鮮。然而在20世紀前幾十年當中，光學天文望遠鏡的發(fā)展很快，導致了不少重要的天文發(fā)現(xiàn)，但卻沒有一項得獎。1974年，英國劍橋大學的賴爾（Martin Ryle）教授因發(fā)明綜合孔徑射電望遠鏡而獲得了諾貝爾物理學獎，這是天文學家終于實現(xiàn)因研制天文觀測設備而獲諾獎的突破。射電望遠鏡開辟了觀測的新波段，但是剛剛發(fā)展起來的射電天文十分幼稚，最大的問題是空間分辨率很低，且不能給出射電源的圖像。1952年，賴爾提出綜合孔徑望遠鏡理論，這是一種化整為零的射電望遠鏡，用兩面或多面小天線進行多次觀測就可以達到大天線所具有的分辨率和靈敏度。而且，還能得到所觀測的天區(qū)的射電圖像。1971年，劍橋大學建成的等效直徑為5千米的綜合孔徑望遠鏡，其分辨率已和大型光學望遠鏡相當，獲得了一大批射電源的圖像資料。

休伊什和貝爾發(fā)現(xiàn)脈沖星脈沖星的發(fā)現(xiàn)證實了中子星的存在。中子星具有和太陽相當的質量，但半徑只有約10千米。因此具有非常高的密度，是一種典型的致密星。中子星還具有超高壓、超高溫、超強磁場和超強輻射的物理特性，成為地球上不可能有的極端物理條件下的空間實驗室。它不僅為天文學開辟了一個新的領域，而且對現(xiàn)代物理學發(fā)展也產生了重大影響，導致了致密物質物理學的誕生。英國劍橋大學的天文學教授休伊什（AntonyHewish）和他的研究生喬絲琳·貝爾（Jocelyn BellBurnell）女士一起發(fā)現(xiàn)了脈沖星。休伊什因發(fā)現(xiàn)脈沖星并證認其為中子星而榮獲1974年的諾貝爾物理獎是當之無愧的，但貝爾博士未能和休伊什一起獲得諾貝爾獎卻是一件憾事，目前天文學家公認她是發(fā)現(xiàn)脈沖星的第一人。

彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射1963年初，彭齊亞斯（Arno Allan Penzias）和威爾遜（Robert Woodrow Wilson）把一臺衛(wèi)星通訊接收設備改造為射電望遠鏡進行射電天文學研究。在觀測過程中意外發(fā)現(xiàn)了多余的3.5開溫度的輻射。這種輻射被確認是宇宙大爆炸時的輻射殘余，成為宇宙大爆炸理論的重要觀測證據。由此，他們獲得了1978年度的諾貝爾物理學獎。彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射，所獲得的黑體譜并不精確，而且他們得到的微波背景輻射的空間分布是各向同性的，這與大爆炸宇宙學的理論有著明顯的差別。

赫爾斯和泰勒發(fā)現(xiàn)射電脈沖雙星繼1974年休伊什教授因發(fā)現(xiàn)脈沖星而獲得諾貝爾物理學獎之后，1993年美國普林斯頓大學的赫爾斯（RussellA.Hulse）和泰勒（Joseph H.Taylor）兩位教授又因發(fā)現(xiàn)射電脈沖雙星而共同獲得該年度諾貝爾物理學獎，引起了全世界的轟動。他們發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星系統(tǒng)之所以重要，不僅因為是第一個，還因為它是軌道橢率很大的雙中子星系統(tǒng)，成為驗證引力輻射存在的空間實驗室。他們經過近20年堅持不懈的努力，上千次的觀測，終于以無可爭辯的觀測事實，間接證實了引力波的存在，開辟了引力波天文學的新領域。

新世紀天文觀測再續(xù)輝煌

觀測是天文學研究的主要方法。觀測手段越多、越好，所能得到的信息就越豐富。進入21世紀僅僅10余年，已有4個天文項目獲得了諾貝爾物理學獎，分別屬于X射線、中微子、射電和光學觀測研究領域。

賈科尼創(chuàng)立x射線天文學

1901年，倫琴（Wilhelm Conrad R6ntgen）因為發(fā)現(xiàn)X射線榮獲諾貝爾物理學獎。時隔102年，X射線天文學的創(chuàng)始人里卡爾多·賈科尼（Rieeardo Giaeeoni）又獲諾獎殊榮。由于地球大氣對X射線和Y射線的強烈吸收，只能把探測器送到大氣層外才能接收天體的X射線和Y射線輻射。20世紀30年代以后，特別是到了90年代，空間探測的發(fā)展使得X射線天文學得到了發(fā)展，實現(xiàn)了天文學觀測研究的又一次飛躍。美國天文學家賈科尼由于對X射線天文學的突出貢獻榮獲2002年度諾貝爾物理學獎。

賈科尼對X射線天文學的貢獻是全面的，瑞典皇家科學院發(fā)表的新聞公報把他的貢獻歸納為“發(fā)明了一種可以放置在太空中的探測器，從而第一次探測到了太陽系以外的X射線源，第一次證實宇宙中存在著隱蔽的X射線背景輻射，發(fā)現(xiàn)了可能來自黑洞的X射線，他還主持建造了第一臺X射線天文望遠鏡，為觀察宇宙提供了新的手段，為x射線天文學奠定了基礎”。賈科尼被稱為“X射線天文學之父”當之無愧。

戴維斯和小柴昌俊發(fā)現(xiàn)太陽中微子中微子是組成自然界的最基本的粒子之一，中微子不帶電，質量只有電子的百萬分之一，幾乎不與任何物質發(fā)生作用，因此極難探測。理論推測，在太陽核心發(fā)生的氫核聚變?yōu)楹さ姆磻?，每形成一個氦原子核就會釋放出2個中微子。太陽每秒鐘消耗5，6億噸氫，要釋放1.4×1038個中微子。太陽究竟會不會發(fā)射如此多的中微子？只能由觀測來回答。

美國物理學家戴維斯（Raymond Davis）是20世紀50年代唯一敢于探測太陽中微子的科學家。他領導研制的中微子氯探測器，放置在地下深1500米的一個廢棄金礦里。在30年漫長的探測中，他們共發(fā)現(xiàn)了來自太陽的約2000個中微子，平均每個月才探測到幾個中微子。而日本東京大學的小柴昌?。∕asatoshi Koshiba）教授創(chuàng)造了另一種中微子探測器。探測器放在很深的礦井中，并于1983年開始探測，1996年擴建，探測到了來自太陽的中微子。1987年，在鄰近星系大麥哲倫云中出現(xiàn)了一次超新星爆發(fā)（SNl987A），理論預測在超新星爆發(fā)過程中會產生數量驚人的中微子。令人興奮不已的是，他們成功地探測到了12個中微子。戴維斯和小柴昌俊因為成功地探測到中微子而榮獲2002年度的諾貝爾物理學獎。