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天文学的理论范文1
关键词：《崇祯历书》；数学基础；天文学基础
《崇祯历书》中采用了几何算法和天体系统，清晰地引入了地球与地理经纬度的概念，同时采用了西方的计量单位，对欧洲天文学的基本理论、天文学仪器和必要的数学知识进行了详细的阐述，是我国较为全面的介绍欧洲天文学的著作，对天文学在我国的传播具有重要的意义。其中《测量全义》作为《崇祯历书》的基础文献，记载了西方球面天文学和三角学的相关知识，是《崇祯历书》数学和天文学研究的基础。
一、《崇祯历书》的天文学基础
（一）崇祯改历与天文学知识
在十七世纪的中国天文学逐渐出现改革。在封建社会里，历法的作用不仅在于告知民众时间，更是王权得以确立的条件。在明朝末期，由于钦天监采用的元朝郭守敬等人编制的《大统历》进行的日食推测，屡次不能够得到验证，使明朝官员对《大统历》中的天文学知识产生质疑，因而上书请博访知历人员对天文学知识进行改革。徐光启通过崇祯二年发生的日食现象，将传教士预推的时间和食分与《大统历》预推的时间与食分进行比较，得到传教士预推的时间和食分比较精准，而钦天监使用的《大统历》预推结果则出现偏差。长期参与历法编纂工作的钦天监五官正戈如实将情况汇报给了崇祯帝，崇祯帝这才同意了改历的申请，并命令徐光启、李天经和李之藻等人以及入华的耶稣会天文学家进行西法改历的工作。在徐光启、李天经等人的支持下，从崇祯二年到崇祯七年，中西学者共同努力编译了长达137 卷的长篇巨著《崇祯历书》，促使了明清之际的西学东渐渐趋。
《崇祯历书》中“五目”指的是：法原，即天文学基本理论，包括球面天文学原理；法数，即天文数表，附有使用说明；法算，即天文计算必备的数学知识，包括平面和球面三角学几何学；法器，天文仪器知识；会通，指中国传统方法和西历度量单位的换算。“六次”指的是：日躔历、恒星历、月离历、日月交会历、五纬星历、五星交会历六种。包括日月五星运动，恒星方位，日月交食，节气，朔望等的中西换算。徐光启为了介绍一些基本的天文学理论，还特意在基本五目中设立了法原一目，在法原中着重介绍了哥白尼和第谷的天文学体系，还涉及到更早一些的托勒密体系的内容。这些传教士在中国采取了科学传教的策略，在传播天主教的同时，也将西方天文、历算等科学知识输入中国。在《崇祯历书》的天文学知识部分有大量与开普勒天文学相关的内容。在改历的过程中，欧洲传教士金妮阁曾奉命返回欧洲搜集与天文学相关的研究著作和寻找西方优秀的天文学家，最终其带回了七千多部著作回到中国，对《崇祯历书》的编撰工作产生了重大的影响。此外，开普勒在《崇祯历书》的编纂工作中与中国的传教士进行过大量的书信往来，详细回答了邓玉函在编纂工作中所出现的问题。
（二）《崇祯历书》中的天文学思想
《崇祯历书》中开普勒对天文学的主要贡献在于他对天体机械运动现象进行描述，并通过机械运动的知识来对天体运动现象进行解释，之后分析天体运动的原因，通过数学假设解释天体物理运动的本质。在《崇祯历书》中的观点认为天文学与物理知识是有一定的界限的。例如，书中认为天体实际的薄厚实际上是天体之间的距离，而脱离的距离及无法表述其与速度之间的关系，因此，其在开普勒天文学中是一个很重要的概念，同时也反映了当时的西方主流天文学的思想，即认为数学天文学与物理天文学之间没有必然的联系。
《崇祯历书》系列历法采用的是第谷体系，这一点很多文献已经证明。《崇祯历书》系列历法中的日躔也是参考了第谷的理论。《崇祯历书》中强调了太阳在天体中的中心位置，认为太阳是万光之源，其他所有的天体都在或多或少地接受太阳的光源，太阳的地位就像君主在群臣中的地位一样。这样的观点与托勒密在《至大论》、哥白尼在《天体运行论》以及开普勒在《天文光学》中所阐述的观点是相一致的。然而，在具体的论述中托勒密、哥白尼与开普勒对太阳中心位置的具体论述是不尽相同的。托勒密在论述中采用midpart一词，强调太阳是在天体的中间部分，而哥白尼则是采用near center一词，强调太阳是在中心位置附近，这两位天文学家都是在数学意义上强调太阳的中心位置，而开普勒不仅认识到了太阳在天体中数学上的中心位置，而且认识到太阳在天体中物理上的中心位置。他阐述，太阳是天体光与热的直接来源。从物理力源的角度强调了太阳是天体运动的中心，认为太阳为天体的运动提供了动力来源，并提出天体的运动是由于太阳的旋转，太阳是一个巨大的磁体，吸引天体围绕其运动。《崇祯历书》融入了欧洲天文学的基本思想，尤其是开普勒的天文学物理思想，对《崇祯历书》的编撰工作产生了重要的影响。
（三）《崇祯历书》与天文仪器
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他是一位美国物理学家，天文学家和数学家。在天文学方面，1672年牛顿创制了反射望远镜，他还解释了潮汐的现象，指出潮汐的大小不但痛塑望月有关，而且与太阳的引力也有关系，另外，牛顿从理论上推测地求不是球体，而且两极稍扁，赤道略鼓，并有词说明了岁者现象等。
在物理学上，牛顿基于伽利略开普勒等人的工作，建立了三条运动基本定律和万有引力定律，并建立了经典力学的理论体系。在数学上，牛顿创立了“牛顿二项定理”，分学。在光学方面，牛顿发现白色日光有不同颜色德光构成，并制成“牛顿色盘”关于光的本性，牛顿创立了光的“微粒说”。
在牛顿的着作《自然科学原理》中，他用数学解释了哥白尼的日心说和天体运动的现象。牛顿对人类的贡献是巨大的，正如恩格斯所说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解，而创立了科学的光学；由于创立了二项定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了的本质，而创立了科学的力学。”
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关键词：开普勒，科学发现，哥白尼革命，影响
约翰尼斯・开普勒（1571-1630）是德国近代时期杰出的天文学家和物理学家，也是近代自然科学的开创者之一。继承哥白尼的日心体系，创立了行星运动三定律，使之成为指导天体力学的基本定律。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说，并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为"天上的立法者"。
一、"天上的立法者"
开普勒是一个狂热的数学爱好者，对自然界数的和谐的神秘感受，始终支配着他对天空奥秘的探索活动，这正是哥白尼体系令人赞叹的数学和谐和美，是他直觉到它就是真实的宇宙图景。哥白尼体系执着的坚持希腊古典的正圆运动观念，因此不得不继续沿用本轮--均轮组合法，以获得与观测现象的相符。惟有开普勒彻底抛弃了正圆运动的概念，才确立了太阳系的概念。
（一）开普勒的科学发现
开普勒以一个科学家应有的严谨的态度，毫不犹豫的抛弃了原有方案中偏心圆运动轨迹和圆周匀速运动的设想，重新寻找行星运行轨道图形和速度分布的规律性。经过多年的努力，他找到了行星运行的轨道图形：椭圆型，并发现行星在轨道上并不是做一成不变的匀速运动，而是在做有规律的变速运动。
1543年，哥白尼的日心说拉开了近代科学的研究序幕。他建立了"太阳中心说"，虽然他的日心说在观点上新奇，但是却在方法上十分的保守。要使哥白尼日心说得到重视，这一切还是由德国天文学家开普勒来发现，他提出了哥白尼革命能站得住脚的证据，回答了"行星运动的轨道到底是什么样子"的问题，并且探求了行星运动的规律，还从数学方法的角度上严格证明了观察与数学一致。
（二）开普勒的天文学研究
人们常常以为用科学发现的内在逻辑就足以说明科学的变化，开普勒的例子却并非如此。在那个时代，不论是地心说还是日心说，都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒发现，对火星的轨道来说，按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三种不同方法，都不能推算出同第谷的观测相吻合的结果，于是他放弃了火星作匀速圆周运动的观念，并试图用别的几何图形来解释，在第谷观测材料的基础上，开普勒继续寻找他的宇宙秩序。
1609年，开普勒发表《以对火星运动的评论表达的新天文学或天空物理学》，阐述了他对火星运动规律的发现，即开普勒第一定律：火星划出一个以太阳为焦点的椭圆，认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转，而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。即：行星的轨道是椭圆的。行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近则运行就越快，行星的速度以这样的方式变化：行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。1618年，开普勒又出版了《哥白尼天文学概论》，将他已经发现的火星运动两大规律推广到了太阳系的所有行星，而且同时公布了他所发现的第三定律：行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。这就是所谓的"周期定律"或"和谐定律"。开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述，解决了天文学的一个基本问题。
二、开普勒在哥白尼学说的基础上前行
哥白尼的新天文学的发展得到普遍认可，并成为现在天文学的样式，归功于另外一位伟大的近代天文学家，那就是开普勒。许多科学家们喜欢把哥白尼和开普勒放到一起来讨论，事实上，开普勒的科学成就比哥白尼的科学成就更能给人留下深刻的印象。
（一）哥白尼革命对天文学的发展
哥白尼的"日心说"发表之前，"地心说"在中世纪的欧洲一直居于统治地位。在天文学方面，哥白尼的主要贡献在于他试图革新旧有托勒密体系诸多繁杂与牵强的解释，而从本质上追求地球三重运动的和谐性，以及几何上的完满一致性。哥白尼的书对伽利略和开普勒的工作是一个不可缺少的序幕。哥白尼的日心宇宙体系既然是时代的产物，它就不能不受到时代的限制。哥白尼所指的宇宙是局限在一个小的范围内的，具体来说，他的宇宙结构就是今天我们所熟知的太阳系，即以太阳为中心的天体系统。
（二）开普勒对天文学的发展
开普勒三大定律的成功在于条件：就是哥白尼的日心说体系，因为开普勒是一个坚定的哥白尼主义者，这样才能一开始就跟着哥白尼日心说体系的方向走，并且比哥白尼走的更远。开普勒把哥白尼式的革命运用到哥白尼的数学体系中，改进了日心说体系。开普勒开始很欣赏哥白尼的日心说，后来他发现这不符合实际情况，开普勒在明确了哥白尼失败的方面后得到结论：各行星围绕太阳运行的轨道并不是正圆，而是椭圆。太阳真正成了导引六大行星昼夜不舍运动的力量源泉，而在哥白尼体系中，太阳并未处在任何一个行星的轨道中心。以椭圆代替正圆是宇宙学史上划时代的事件。于是创立了开普勒三定律。
（三）开普勒的研究方法和方法论特点
开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家。他坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的，他用数学的和谐性来探索宇宙体系。开普勒研究天文学并不具备优越的条件，他不仅缺乏相应的观察设备，而且眼睛的视力也不好，但他却具有丰富的想象和概括能力。开普勒尊重科学事实，敢于创新和探索，他认为科学进步需要创新，创新是科学的生命，而创新必须建立在科学事实的基础上，这种尊重科学事实，敢于创新的精神在开普勒身上得到了充分体现，也是他成功的关键。他提出自己的理论，用三定律来完善和发展哥白尼的日心说，推动了天文学向前发展的步伐。
三、开普勒定律在天文学中的意义
开普勒的行星三定律对于推动整个科学领域起到了非常重要的作用。他的天文学成就和方法论特点给了我们很重要的意义。
（一）要以科学事实为依据，敢于放弃旧科学的束缚
开普勒对哥白尼体系给予了充分的肯定。许多天文学家对天体运动的观念提过不同的见解，而对天体遵循完美的均匀圆周运动这个观念还没有人怀疑。但是开普勒却否定了它。他结合哥白尼的日心说再加上他的数学知识，得出三大定律。科学发展的过程并不是一帆风顺一成不变的，它作为一种知识和社会现象发展过程肯定会受很多因素的影响。科学的旧观念也是束缚科学发展的一大因素，科学工作者首先要有创新意识和创新精神，敢于摒弃旧观念。
（二）要有为科学奉献的精神，敢于正确面对科学失败
科学研究是一项非常艰苦的创造性劳动，开普勒向人们证明了日心说的正确性，证明行星世界是一个匀称的系统。这个体系的中心天体的太阳，太阳位于每个行星轨道的焦点之一，行星公转周期决定于各个行星与太阳的距离，与质量无关。而在哥白尼体系中，太阳虽然居于宇宙"中心"，却并不扮演这个角色，因为没有一个行星的轨道中心是同太阳相重合的。
四、结论
开普勒行星运动三大定律的发现，直接把哥白尼的日心说推向了定量化与精确化的阶段，证明了行星运行的轨道到底是什么样子的。使整个太阳系成为一个严格按照确定规律运行的力学体系。开普勒坚持了哥白尼的日心说，在哥白尼的理论基础上结合自己的观测结果，利用第谷对火星精确的观测和周期的确定，加上自己的数学知识，最后提出了日心说体系，在当时逐渐被人们接受，代替了错误的地心说体系。这为后来宇宙天体的发现和观测奠定了有利的基础。
参考文献：
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核酸的秘密是怎么揭开的？是谁首先发现了DNA双螺旋结构？这一发现，被视为达尔文学说诞生以来生物学上的第二个伟大里程碑。可是取得这一成果的，不是生物学家，而是物理学家。1944年，量子力学的创始人之一、物理学家薛定锷，首先提出了生物遗传密码的理论。不久，青年物理学家克里克与两位生物化学家合作，把物理学原理运用于生物学，发现了DNA双螺旋结构的秘密。“它山之石，可以攻玉。”这又是一个有说服力的例证。
控制论创始人维纳说：“在科学发展上可以得到最大收获的领域，是各种已经建立起来的部门之间的被人忽视的无人区。”维纳说的“部门之间”，就是我们现在经常听说的“科学的边缘”。
有科学的边缘，就有边缘科学。那么，这个边缘科学是怎样产生的呢？一是“移植”，即把一种学科的研究方法移植到另一种学科中去。比如，把物理学中的电子技术、微波技术、光谱技术等用于天文学的研究，便出现了新学科——射电天文学及光谱天文学。把激光技术用于生物学、化学和医学的研究中，便产生了激光生物学、激光化学及激光医学等。二是“杂交”，将原来不相同的两种学科融合成一种新学科。比如物理化学，生物化学，量子化学等。这种杂交产生的新学科，特别在基础科学研究方面有重大意义。
在具体的表现形式上，边缘学科又分为几种。例如“多边缘复合式”，它突破了邻近两门学科结合的局限性，变成了多学科的边缘科学。物理生物化学就是边缘学科生物化学和生物物理学相互结合的产物。还有“大边缘学科”，它横跨学科上的幅度更大，是自然科学、技术科学和社会科学的互相渗透所成。如技术经济学，社会医学，环境科学，宇航心理学等等。
现在，著名的哲学家卡尔·鲍波尔与著名的神经生理学家、诺贝尔奖金获得者艾克尔斯合作，写出了《自我及其大脑》一书，这件事在全世界引为美谈。它标志着在科学的边缘将会有更多的新成果诞生。不是吗？电子计算机被用来研究莎士比亚的名著，美国也有人用电子计算机对我国古典名著《红楼梦》的前八十回和后四十回进行分析。自然科学的一些新概念也被引进了社会科学：不仅热力学中“熵”的概念进入了经济学，控制论中的“信息”、“反馈”等，也已经变成自然科学和社会科学共同的名词术语。这表明科学不断走向综合化，已是大势所趋。
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收稿日期：2013-02-05
作者简介：李竞（1928—），男，浙江余姚人，国家天文台研究员，博士生导师，现为中国科学院老科学家科普演讲团教授，全国科技名词委天文名词审定委员会委员。通信方式：。
“物质”和“能量”是两个普通而常见的科技名词，也是最上位的科技名词。如果它们各自加上一个普通定语“暗”，组成新的复合词——“暗物质”和“暗能量”，前者令物理学家几乎一无所知，后者荣获了2012年诺贝尔物理奖。
这两个物理名词涉及的对象，都是天文学家发现、确认并命名，现在算是天文学名词。
一先说“暗物质”
这个名词出现于1932—1933年，如今已有80载，已不是个新名词。早在20世纪30年代初，天文学已确知，星系、星系群和星系团均是银河系之外的“河外天体”和“河外天体系统”。为了判明，由为数不多星系组成的星系群，以及拥有众多成员星系构成的星系团究竟是成员固定和整体结构稳定的天体系统，还是既不稳定、也不固定、成员最终四散、各自东西、“群”和“团”解体的短暂组成，可根据“群”和“团”的成员星系和观测者之间的近似相同的距离，以及它们彼此一致的退行速度（即谱线红移），不太繁难地就能确认，星系群和星系团既不是投影的视觉效应，也不是短暂的组成，而都是稳定的天体系统。
瑞士旅美天文学家兹威基（F.Zwicky）还更进一步深入探讨“群”和“团”的稳定性。他从一个拥有5个成员星系的星系群入手，估算各个成员的质量，以及测定它们在“群”内各自的空间运动速度。兹威基首先一一测定5个星系的亮度，并根据已知的星系群距离求出它们各自的光度。再运用在恒星物理方法中已熟知的“质光关系”，即恒星光度和恒星质量之间的对应关系，测定出各个星系的质量，然后总和5个天体的质量，这就求出这个星系群的整体质量。按此方法求出的星系群质量称为“光度质量”。兹威基发现，如此求出的星系质量所产生的引力不足以控制星系各自的空间运动，各星系必将各自东西，四散解体。这与星系群是稳定结构的结论不符。兹威基又在认为星系群为一稳定组织的前提下，根据5个成员星系的空间运动数据，估算该“群”的质量，称之为“力学质量”。结果出乎意料地发现“力学质量”是“光度质量”的百倍。随后又陆续考察了后发星系团和其他几个星系群，结论同样：“光度质量”仅及“力学质量”的1/100～1/400 。天文学界将这一出乎意料的发现称为“短缺质量问题”。随后更发现，不仅在光学波段，在其他波段，例如射电、紫外，也都观测不到任何足够份额的“短缺质量”，遂将理应存在，却又观测不到的天体称为“暗物质”。
20世纪50年代，射电天文兴起，通过观测银河系中的氢分布和运动，估算银河系的质量。结果发现，根据银河系自转求出的“力学质量”比依据恒星天文测定的银河系“光度质量”多出几十倍、上百倍。在银河系中也出现了“短缺质量问题”。
80年代，美国女天文学家鲁宾（V.Rubin）运用分光方法，系统地研究旋涡星系的自转，并从而求出星系质量。她的令人信服的结论是：所有的旋涡星系都存在“短缺质量”，其依据发光天体（所有的恒星和星际物质的总和）测定的“光度质量”不仅只及“力学质量”的 1 /100，甚至更少 。“暗物质”再度引人关注，但真象依然不明。被推上候选名录的有：中微子、黑洞、濒死的和已亡的恒星（黑矮星、白矮星）、星际物质、行星。但所有这些已知“暗天体”的预期还是填补不上“短缺物质”的大缺口。
90年代，通过遥远类星体在前景大质量集团（主要是星系团）的“引力透镜效应”作用下，形成的“爱因斯坦弧”或“爱因斯坦环”的深空观测资料。得“见”充斥和笼罩星系团、呈形态不规则的“晕状”或“云态”的“暗物质”身影。
天文学家遂宣称已拥有铁证，表明宇宙中存在“暗物质”。并估算出，在宇宙物质中，由原子构成的各种已知天体和“暗物质”，约分别各占 15 % 和 85 %。专门研究天体的天文学家竟不知占大头的天体究竟为何物，遂诚心诚意向物理学家求教，期望能查明，构成这些在宇宙物质中约占 4 / 5 的看不见天体组成中，究竟都是哪些基本粒子？
根据“暗物质”存在的天文铁证，尤其是近年获得的新观测资料，构成“暗物质”的基本粒子，至少要同时具备下列3个属性：
1.质量较重。否则它们构成的物质无法填补上“短缺质量”的巨大缺口。应该指出，之前曾一度被推举为热门候选体的“中微子”就不再合格。
2.中性，并几乎不与任何其他物质（天体）发生作用和反应，亦即对任何天体，对它似乎都是透明的。因此，另外一些前任的候选天体，诸如黑洞、白矮星、行星，都将被排除在外。
3.初始运动速度即使不为 0 ，也必须很小。不然，不可能集聚成“晕状”或“云态”。例如，接近光速的中微子就不可能形成“中微子云”。
迄今，物理学家声称，在已知的基本粒子族群中，还没有哪一种能够构成观测到的“暗物质”。可以说，现代物理学对天文学家确信存在的“暗物质”几乎一无所知。如今科学界一致认为，揭示“暗物质”的真象是对现代科学的一大挑战。
顺便指出，“暗物质”不是一个天文学新名词，在全国科学技术名词审定委员会1978年公布的《天文学名词》中，已经入载。在1998年问世的第二版《天文学名词》中，还加了注释。在筹划中的第三版《天文学名词》中，“暗物质”词条也正在修订。
二再谈“暗能量”
直到20世纪20年代末，科学界和公众对宇宙一致认可的是“无边无际、无限辽阔、无论在时间上还是空间上全都是无始无终、永恒的和宁静的”。1929年，美国天文学家哈勃（E.Hubble）借助当时威力最大的光学望远镜所取得的遥远星系的观测资料，发现银河系之外的所有的、和银河系相似或同类的星系，全都各自相互高速地飞散和飞离而去。更发现另一个现象，即星系彼此之间的距离越远，四向离散的运动速度越大。哈勃的这一发现在经过核实、确认和认可后，天文学家们认为，哈勃发现的规律的最佳解释是宇宙的时空整体在膨胀，遂称之为“哈勃定律”。根据测定出的膨胀速率，可以推算出什么时光、何时岁月是膨胀的起点，这就是宇宙自膨胀开始以来的年龄。膨胀以来所达到的距离，所覆盖的领域，正是宇宙今日的大小。有了年龄，又有了大小，宇宙当然在时间上和空间上都是有限的。这样就出现了全新的“有起源、有演化、有年龄、有大小、时空正在膨胀的动态宇宙”。由于“膨胀的宇宙”在理论上和依据的观测资料均获得支持和验证，完全改变了人们对宇宙观感，哈勃宇宙膨胀的发现遂被尊为20世纪最伟大的天文学成就。
哈勃发现的星系四向退行的规律，即所谓的“哈勃定律”，被建立、证实、确认和公认之后，哈勃本人、他的科研小组、团队以及后来人，在随后的七八十年间，持续地开展后续探索，其中有两项课题，一直不曾间断。其一是精测、修订和改善宇宙膨胀的速率数值，因为它直接关乎据此推算出的宇宙年龄和宇宙大小的精准。2012年借助哈勃空间望远镜的探测取得的膨胀率是 74.3 ± 2.1 千米 /秒 /300百万光年。由此求出：宇宙诞生以来的年龄为137.5 ± 1.1 亿年 ；可观测宇宙的大小约为 137 亿光年。
另一则是探究和查明宇宙膨胀速率是否恒定不变，持续膨胀，还是这一源于大爆炸的膨胀斥力有朝一日将不敌宇宙物质的引力，最终终止膨胀，让位于引力，变为宇宙收缩。这可是关乎宇宙未来走向何方，决定宇宙命运的大课题。天文学家的探索办法是观测尽可能遥远的星系，测定距离，将之和根据星系光谱的谱线红移资料、按哈勃定律所显示的距离相互对比，如果二者一致，表示哈勃定律所反映的距离真实正确；反之，则指出，膨胀速率发生了变化，已不再有效地显示星系的真实距离。为了距离测定的精准，必须掌握精确可靠的“量天尺”。天文学通常是将某种光度恒定或已了解其光度变化规律的天体作为“标准光源”，例如，造父变星。然而，深空星系的距离太大，超过60～70亿光年，既便运用现有的威力最大的光学望远镜，星系中的造父变星也暗弱得无法观测。因此，要有光度不仅恒定、已知，而且强大的“标准光源”。20世纪90年代，一个由美国天文学家珀尔马特（S.Perlmutter）和里斯（A.Riess）领导的团队，另一个以澳大利亚天文学家施密特（B.Schmidt）为首的科研小组，不约而同地开展了此项探索。全都采用Ⅰa型超新星作为“标准光源”①。课题称为“深空超新星巡天”，科学目标是考察膨胀速率在深空是否恒定不变。在当时，主流的观点是：斥力性质的宇宙膨胀力因受宇宙物质引力的影响，最终会减弱而减速。当取得最初几个深空Ⅰa型超新星的测光资料后，发现其亮度比在哈勃定律预期距离上，应显现的亮度暗弱，也就是说这个光度已知的“标准光源”实际处在更远的距离上。如果观测资料无误，数据处理得当，就意味着膨胀速率不是放慢，而是提速。这个结果与预期的正好相反。这两个科研团队都没有急于公布这个初步但是意料之外的发现，而是反复检查和核对科研的各个环节，并继续巡天，获取更多的超新星测光资料。几年后，更多更新的数据不仅表明，在距离70～80亿光年以及更远的深空，不仅膨胀提速，而且距离越远，提速的程度越大。这乃是宇宙膨胀正在加速。1998年，这两个课题团队公布了他们的惊人发现。科学界一致认为发现了前所不知也未曾预期、叠加在宇宙大爆炸诞生的膨胀运动之上的、斥力性质的能量，取名“暗能量”。它成为世纪之交的最重大的天文学发现和科学成就。深空超新星巡天的资料指出，“暗能量”的威力在70亿光年以远的深空开始显现。按照现有的共识，宇宙大爆炸源于137亿年之前。也就是说，宇宙诞生之后约70亿年，宇宙的行为开始从“膨胀”转变为“加速膨胀”。如果照此模式加速膨胀，那么不出1000亿年，宇宙物质密度将小到接近“无”，宇宙必将暗淡无光。这真是宇宙命运的未来吗！
根据已测定的“暗能量”，推算出包括已知天体和“暗物质”在内的宇宙物质和“暗能量”三者分别在宇宙总物质密度中，各占的份额：
普通物质（由原子组成的所有已知的发光和不发光的天体）4.6 %±0.15%
暗物质23.3%±1.0%
暗能量72.1%±1.5%
这是一幅令人惊异、出乎想象的宇宙图像，它表明，迄今天文学已知的和探索所及的天体仅占宇宙全部的不足5 % 。超过 95 % 的份额均有待科学探究②。
鉴于“暗能量”事关重大，2011年诺贝尔物理学奖授予“深空超新星巡天”课题的3位首席天文学家。如今人们对“暗能量”还知之很少，对其本原和内涵了解不多。“暗能量”正在成为物理、天文以及宇宙学的热门话题和攻关研究对象。
注 释
①“标准光源”——超新星
超新星是罕见的天象，它的出现是恒星世界最大、最亮、最激烈的爆发事件。当超新星爆发时，亮度能够超过整个星系。所以，超新星是天文学在光学波段所能观测到的距离最远的单个天体。超新星爆发之前的天体有两类。一类是质量超过10～20个太阳质量的大质量恒星；另一类是密近双星中的白矮星。现在涉及的是后者。
密近双星指的是不仅彼此引力联系，还有相互物质交流的双星系统。如果系统中的一个成员是白矮星，另一成员是其他类型的恒星，当演化的进程达到恒星的物质流向白矮星的阶段，若白矮星的质量因此一经超过某一定量，就会结构失衡，整体爆炸，成为超新星。天文学将这样的爆发事件称为“Ⅰa型超新星”。
白矮星是一种致密天体，它是质量和太阳相仿的普通恒星在生命历程的终端，因内部核心的核聚变反应息止，失去结构支承，坍缩而演变成的天体。20世纪30年代初，印度青年钱德拉塞卡（S.Chandrasekhar）在英国进修期间，根据恒星内部结构理论，求证指出，当致密的白矮星质量达到并超过 1.44 个太阳质量，即将失衡解体。后世，天文学将白矮星的这一质量上限，冠名“钱德拉塞卡极限”。在随后几十年的天文发展历程，证明这一理论预期的正确性。鉴于在恒星结构和演化领域的学术贡献，钱德拉塞卡荣获1983年诺贝尔物理奖。
天文学的理论范文6
没上成大学的汤博，继续留在农场守望着星空，然而叔叔送给他的望远镜已经无法满足他的需要了。20岁那年，汤博开始自己动手做望远镜，所用的就是从家里一台1910年出厂的别克汽车和其他农用机械上拆下来的零部件，镜片也是自己手工打磨的。
就是用这种简单的DIY简易望远镜，汤博细致地观测到了遥远的火星和木星。他把自己绘制的图寄给了洛威尔天文台，希望能够得到专家的意见。果然，汤博的绘图得到了台长维斯托・斯里弗的赏识。1929年，洛威尔天文台聘请汤博到天文台工作，参与一个著名的“追星”项目――“Planet-X”的研究计划。
早在1781年，人类发现天王星之后不久，天文学家就推断还有其他星体的存在。1846年，海王星的发现并没有消除天文学家的疑团，天王星的运动轨迹仍然和理论值存在偏差，这表明还存在其他神秘星体，而“Planet-X”计划就是为了找到这颗神秘的行星。
汤博每天的工作就是比较望远镜在不同时间拍摄下来的星空图片。每张图上少则有15万颗星星，多则可能会有上百万颗。对星星不熟悉的人，根本看不出什么名堂。而对于汤博来说，星空就好像从小长大的农场，而星星就是美丽的花朵。
1930年2月18日，汤博在比较一个月前拍摄的两张星空图时，发现了一个位置在变动的星体。看着这颗神秘星体模糊的身影，汤博难抑内心的激动。
一个月后，洛威尔天文台经过确认，正式宣布发现了第九大行星，并向全世界为这颗新的行星征集名字。一个11岁的英国小姑娘建议，它位于距离太阳59亿千米的寒冷阴暗的太空，就像罗马神话中住在阴森的地下宫殿里的冥王普鲁托，用希腊和罗马神话中的冥王命名正合适。1930 年3月24日，第九大行星被正式命名为冥王星（Pluto）。
作为冥王星的发现者，汤博获得了巨大的荣誉，还得到了堪萨斯大学的奖学金。他终于上了大学，拿到了本科和硕士文凭。毕业后，他又回到了洛威尔天文台，直到1943年才离开。
有一次天文学会办展览，记者问他还能不能找到20岁时做的那架9英寸望远镜。汤博说，他还在自家后院用那架望远镜观测星空。
