世纪的光学测量(光学测量与科学发展)

1、第三章 光学测量与科学发展目录目录 3-1 3-1 光学测量与科学发现光学测量与科学发现 3-2 3-2 光科学的美妙之处光科学的美妙之处 3-3 3-3 光学测量的分类光学测量的分类 ( (光与物质的相互作用光与物质的相互作用, ,内部内部 外部外部) )3-1 3-1 光学测量与科学发现光学测量与科学发现 （1. 1. 原子光谱、光电效应）原子光谱、光电效应）电波的测量与宇宙论的发展3-1 3-1 光学测量与科学发现光学测量与科学发现 （2. 2.光学仪器及观测的作用）光学仪器及观测的作用）观测使我们认识观测使我们认识不可思议的宇宙不可思议的宇宙未能回答的科学问题未能回答的科学问题:-19

2、世纪为止世纪为止,宇宙的时间有限宇宙的时间有限?空间有界空间有界?寿命寿命? -宇宙的起源宇宙的起源?-宇宙的元素如何来的宇宙的元素如何来的? (-我们看到的宇宙全面吗我们看到的宇宙全面吗? (宙宙,黑体黑体,)-宇宙信息的载体宇宙信息的载体? (-宇宙认知的测量手段宇宙认知的测量手段 (未能回答的科学问题未能回答的科学问题:-19世纪为止世纪为止,宇宙的时间有限宇宙的时间有限?空间有界空间有界?寿命寿命? (膨胀的膨胀的,有限的有限的,150亿年的年龄亿年的年龄)-宇宙的起源宇宙的起源 ? -宇宙的元素如何来的宇宙的元素如何来的? -我们看到的宇宙全面吗我们看到的宇宙全面吗? -宇宙信息的载

3、体宇宙信息的载体?-宇宙认知的测量手段宇宙认知的测量手段 未能回答的科学问题未能回答的科学问题:-19世纪为止世纪为止,宇宙的时间有限宇宙的时间有限?空间有界空间有界?寿命寿命? (膨胀的膨胀的,有限的有限的,150亿年的年龄亿年的年龄)-宇宙的起源宇宙的起源 ? (大爆炸理论及佐证大爆炸理论及佐证)-宇宙的元素如何来的宇宙的元素如何来的?-我们看到的宇宙全面吗我们看到的宇宙全面吗? -宇宙信息的载体宇宙信息的载体?-宇宙认知的测量手段宇宙认知的测量手段未能回答的科学问题未能回答的科学问题:-19世纪为止世纪为止,宇宙的时间有限宇宙的时间有限?空间有界空间有界?寿命寿命? (膨胀的膨胀的,有限

4、的有限的,150亿年的年龄亿年的年龄)-宇宙的起源宇宙的起源 ? (大爆炸理论及佐证大爆炸理论及佐证)-宇宙的元素如何来的宇宙的元素如何来的? (大爆炸大爆炸,星星中的核聚变反应星星中的核聚变反应,超新星爆发等产生的超新星爆发等产生的)-我们看到的宇宙全面吗我们看到的宇宙全面吗? -宇宙信息的载体宇宙信息的载体? -宇宙认知的测量手段宇宙认知的测量手段未能回答的科学问题未能回答的科学问题:-19世纪为止世纪为止,宇宙的时间有限宇宙的时间有限?空间有界空间有界?寿命寿命? (膨胀的膨胀的,有限的有限的,150亿年的年龄亿年的年龄)-宇宙的起源宇宙的起源 ? (大爆炸理论及佐证大爆炸理论及佐证)-

5、宇宙的元素如何来的宇宙的元素如何来的? (大爆炸大爆炸,星星中的核聚变反应星星中的核聚变反应,超新星爆发等产生的超新星爆发等产生的)-我们看到的宇宙全面吗我们看到的宇宙全面吗? (光学宇宙光学宇宙,电波宇宙电波宇宙,黑体黑体,)-宇宙信息的载体宇宙信息的载体? -宇宙认知的测量手段宇宙认知的测量手段未能回答的科学问题未能回答的科学问题:-19世纪为止世纪为止,宇宙的时间有限宇宙的时间有限?空间有界空间有界?寿命寿命? (膨胀的膨胀的,有限的有限的,150亿年的年龄亿年的年龄)-宇宙的起源宇宙的起源 ? (大爆炸理论及佐证大爆炸理论及佐证)-宇宙的元素如何来的宇宙的元素如何来的? (大爆炸大爆炸

6、,星星中的核聚变反应星星中的核聚变反应,超新星爆发等产生的超新星爆发等产生的)-我们看到的宇宙全面吗我们看到的宇宙全面吗? (光学宇宙光学宇宙,电波宇宙电波宇宙,黑体黑体,)-宇宙信息的载体宇宙信息的载体? (可见光可见光,红外光红外光,X光光,电波电波,重力波重力波,中微子中微子,)-宇宙认知的测量手段宇宙认知的测量手段未能回答的科学问题未能回答的科学问题:-19世纪为止世纪为止,宇宙的时间有限宇宙的时间有限?空间有界空间有界?寿命寿命? (膨胀的膨胀的,有限的有限的,150亿年的年龄亿年的年龄)-宇宙的起源宇宙的起源 ? (大爆炸理论及佐证大爆炸理论及佐证)-宇宙的元素如何来的宇宙的元素如

7、何来的? (大爆炸大爆炸,星星中的核聚变反应星星中的核聚变反应,超新星爆发等产生的超新星爆发等产生的)-我们看到的宇宙全面吗我们看到的宇宙全面吗? (光学宇宙光学宇宙,电波宇宙电波宇宙,黑体黑体,)-宇宙信息的载体宇宙信息的载体? (可见光可见光,红外光红外光,X光光,电波电波,重力波重力波,中微子中微子,)-宇宙认知的测量手段宇宙认知的测量手段 (成像成像,光谱光谱,多普勒效应多普勒效应,黑体辐射定律等黑体辐射定律等)1929年年,哈勃哈勃,21个银河的距离及其个银河的距离及其速度的测量结果速度的测量结果,发现相互远离发现相互远离的事实的事实. -宇宙膨胀说宇宙膨胀说. -宇宙的年龄的计算宇

8、宙的年龄的计算哈勃宇宙望远镜哈勃宇宙望远镜 19901990年乘宇宙飞船定位于地球轨道年乘宇宙飞船定位于地球轨道(569km) (569km) 的的名副其实的宇宙望远镜。与地上的相比，无名副其实的宇宙望远镜。与地上的相比，无大气和天气的干扰。预计大气和天气的干扰。预计20102010年退役、回收。年退役、回收。具有调查星星的诞生、死亡，及银河的进化具有调查星星的诞生、死亡，及银河的进化的秘密，证明黑洞的存在与否等数不清的功的秘密，证明黑洞的存在与否等数不清的功绩。绩。 哈勃望远镜：公共汽车大小，主镜直径哈勃望远镜：公共汽车大小，主镜直径2.4m2.4m。19901990年上天后因主镜上的研磨问

9、题，图像有模年上天后因主镜上的研磨问题，图像有模糊。糊。19931993年靠飞船的定期修理解决，年靠飞船的定期修理解决，1 1小时半小时半绕地球一周，靠绕地球一周，靠2 2枚太阳电池驱动，消耗电力枚太阳电池驱动，消耗电力约约100W100W灯泡的灯泡的2828个。长个。长;13.1m;13.1m，重：，重：1111吨，时吨，时速：速：2800km/h2800km/h，感光范围：，感光范围：115nm115nm500nm500nm，记忆：记忆：1.5G.1.5G.1933年年,美国科学家观测到星星之间的美国科学家观测到星星之间的空间发来的电波空间发来的电波(9,33,62,187cm) -电波天

10、文学的起点电波天文学的起点. -电波的宇宙电波的宇宙 （高速螺旋运动的电子在银河的磁场作（高速螺旋运动的电子在银河的磁场作 用下的同步辐射光用下的同步辐射光,放射光放射光) -与光的宇宙与光的宇宙(星星发光星星发光)不同不同,存在电波的宇宙存在电波的宇宙 (银河外的称为电波银河银河外的称为电波银河,星星的爆炸的冲击星星的爆炸的冲击 波的扩展物波的扩展物,即超新星的残骸即超新星的残骸.均为同步辐射均为同步辐射) 1951年年,美国科学家观测到来自天河美国科学家观测到来自天河的氢原子的的氢原子的21cm的线状光谱的电波的线状光谱的电波. -1944年荷兰年荷兰的的van de Hulstvan d

11、e Hulst对对21cm21cm波预言波预言,质子和电子的自旋状态的差别相当的能级差质子和电子的自旋状态的差别相当的能级差的电波的电波. -对于研究宇宙中回转对于研究宇宙中回转,氢气分布意义重大氢气分布意义重大.19511951年年 美国的美国的H.EwenH.Ewen和和E.PercellE.Percell二人与荷二人与荷兰人兰人J.OortJ.Oort通过独立的观测确认通过独立的观测确认. . -氢元素在宇宙中大量存在氢元素在宇宙中大量存在, ,获得其分布和运获得其分布和运动状态可得到宇宙的大体构造的知识动状态可得到宇宙的大体构造的知识. .氢原子的能级差氢原子的能级差氢的21cm波观测

12、到的我们的银河系内的氢元素的分布(显示了旋涡构造) F.J.Kerr and C.Westerhout,1965:Galactic Structure距离我们230万光年的旋涡银河的图(东京大学理学部木曾观测所)恒星状天体恒星状天体(quasi-stellar-object)(quasi-stellar-object)的发现的发现 19601960至至19631963年，发现了新的未知电波源，由于技术年，发现了新的未知电波源，由于技术的限制，只能发现非普通状态的天体。的限制，只能发现非普通状态的天体。 应用可见光观测的结果：应用可见光观测的结果： 1 1，电波源的位置与天体的恒星相同，为点状。

13、，电波源的位置与天体的恒星相同，为点状。 2 2，光谱中有辉线，与地上任何元素的都不同。，光谱中有辉线，与地上任何元素的都不同。 这样的发出强电波的电波银河（恒星状天体）又发这样的发出强电波的电波银河（恒星状天体）又发现了现了40004000个以上。个以上。研究推测的结果研究推测的结果 远大于当时知道的谱线偏移，后退的速度可达到光速的百分之几的量级。 依据E.Hubble法则（后退速度与距离成比例），天体在非常的远方 充分的能量到达地球说明天体每秒放射的能量巨大（大于整个银河放射的能量）。 大小数光周到一光年，远远小于我们的银河（10万光年）。 还没有最终的结论，根据最近的观测在银河的中心区域

14、存在非常重的黑洞的可能性极高，恒星状天体可能是以黑洞为中心，存在着与周围的气体激烈的相互作用的状况？quasi-stellar-object 3C273quasi-stellar-object 3C273的谱线的谱线I.Robinson,A.Schild and E.L.Schucking,19651965年年,美国科学家发现了美国科学家发现了波长波长7cm的微波辐射的微波辐射 -大爆炸的证据大爆炸的证据,伽莫夫预言的伽莫夫预言的.宇宙宇宙初期晴朗后发出的光经过初期晴朗后发出的光经过150亿年后亿年后接受到了接受到了. 相当于相当于3000-4000度的宇宙膨胀后度的宇宙膨胀后1/10的视在温

15、度的视在温度,或者宇宙现在或者宇宙现在3度度.3K3K黑体辐射的发现黑体辐射的发现 1965年美国的A. Penzias与R. Wilson在研究21cm波的测量装置的改良中,试用了7cm波的检测,发现各个方向均有相当于3K黑体的辐射. 1940年G.Gamow尝试提出了解释宇宙中各种元素存在的理论,即宇宙初期高温高密度、只存在单纯的元素，首先质子、然后氦。 1989年底发射的观测卫星不仅在7cm波、在所有的波长下证明了与2.7K的黑体辐射相吻合.有可能成为宇宙初期的高温状态的证据，具有重要的意义。宇宙背景辐射图宇宙背景辐射图 2.7K的黑体辐射的理论曲线和实测值在宽广的波长范围内一致.Phy

16、sics Today,March 1990)发现3K黑体辐射的学者，后边为但是使用的天线1967年年,英国发现英国发现pulsar,中子星中子星 1966-19671966-1967年，以英国剑桥的年，以英国剑桥的A. Hewish A. Hewish 与与J. J. BellBell为中心的小组，发现天线指向空间特定为中心的小组，发现天线指向空间特定方向时接受到周期为方向时接受到周期为1 1秒左右的周期性电波。秒左右的周期性电波。命名为命名为”脉冲星脉冲星”（pulser)pulser) 至今已发现至今已发现550550个个, ,脉冲周期从毫秒至秒的量脉冲周期从毫秒至秒的量级。级。 认为只能

17、是半径认为只能是半径1010公里、质量太阳程度的中公里、质量太阳程度的中子星。尺寸小靠可见光无法观测到。子星。尺寸小靠可见光无法观测到。 如何达到如何达到1010亿吨亿吨/ /立方厘米？超新星爆发形成立方厘米？超新星爆发形成的气体可保持高密度。的气体可保持高密度。PulsarPulsar和中子星和中子星 19681968年在蟹星云中发现年在蟹星云中发现3333毫秒的脉冲星毫秒的脉冲星，现在该星云以，现在该星云以1000km/s1000km/s的速度（光速的速度（光速度的度的1/3001/300）膨胀中，已经达到）膨胀中，已经达到3 3光年的光年的距离，应该有距离，应该有900900年的历史。年

18、的历史。 900900年程度的突变应该有历史记载，年程度的突变应该有历史记载，19201920年代中国的宋史和年代中国的宋史和19301930年代的日本的明年代的日本的明月记中确实有所记载。月记中确实有所记载。 蟹星云处蟹星云处10541054年发生了超新星的爆发的年发生了超新星的爆发的可能性非常大，脉冲星如前所述是回转可能性非常大，脉冲星如前所述是回转的中子星的话，超新星爆发之际形成了的中子星的话，超新星爆发之际形成了中子星。中子星。宋史和明月记的记录宋史和明月记的记录宋史和明月记的记录1970年，发现了从宇宙空间（星间）发出的年，发现了从宇宙空间（星间）发出的OH,NH3,CO的电波光谱，毫米波带，迎来了的电波光谱，毫米波带，迎来了星间分子光谱发现的春天星间分子光谱发现的春天-可见光的星星观测与电波的星间观测可见光的星星观测与电波的星间观测 星星的观测，像太阳那样活跃的星星，其星星的观测，像太阳那样活跃的星星，其成分的信息；成分的信息； 星间的观测，形成星星之前的成分，密度星间的观测，形成星星之前的成