天体物理学的发展与历史
摘要：在本学期学习《物理学史》课程以来，让我了解到很多物理学发展史，以及众多物理学家对物理做出的巨大贡献；了解到现代如此先进的技术都脱离不开物理学的高度发展，因此，物理学是科学技术的基础，是科技得以产生的基石。他不仅推动着科学技术的发展，更成为人类社会发展的助燃剂。在众多物理分支方面我比较感兴趣的就是天文学这一块，所以接下来我将介绍有关天体物理方面的发展。
关键词：天体物理学粒子物理学宇宙学
（一）天体物理学的起源
从公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星光度起，中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体，绘制月面图，1655～1656年惠更斯发现土星光环和猎户座星云，后来还有哈雷发现恒星自行，到十八世纪赫歇耳开创恒星天文学，这是天体物理学的孕育时期。十九世纪中叶，三种物理方法——分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究以后，对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系，天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科。
天体物理学是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。
多年来，随着世界人口的不断增加，资源不断的消耗，人们的生存环境日益缩减，资源也愈加匮乏。越来越多的国家将希望
寄托于地球外部的空间，这进一步促进了天体物理学的发展，理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步，几乎理论物理学每一项重要突破，都会大大推动理论天体物理学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的建立，使深入分析恒星的光谱成为可能，并由此建立了恒星大气的系统理论。三十年代原子核物理学的发展，使恒星能源的疑问获得满意的解决，从而使恒星内部结构理论迅速发展；并且依据赫罗图的实测结果，确立了恒星演化的科学理论。
（二）天体物理学的分类：
天体物理学分为：太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天体演化学等分支学科。另外，粒子物理学射天体、电天文学、空间天文学、高能天体物理学也是它的分支。
（三）天体物理学在对外太空研究的作用：
对行星的研究是天体物理学的一个重要方面。近二十年来，对彗星的研究以及对星星及物质的分布、密度、温度、磁场和化学组成等方面的研究，都取得了重要成果。随着空间探测的进展，太阳系的研究又成为最活跃的领域之一。
银河系有一、二千亿颗恒星，其物理状态千差万别。球状体、红外星、天体微波激射源、赫比格一阿罗天体，可能都是从星际云到恒星之间的过渡天体。
特殊行星更是多种多样：造父变星的光变周期为1～50天，
光变幅为0.1～2个星等；长周期变星的光变周期为90～1000天，光变幅为2.5～9个星等；天琴座RR型变星的光变周期为0.05～1.5天，光变幅不超过1～2个星等；金牛座 T型变星光变不规则，没有固定的周期；新星爆发时抛出大量物质，光度急骤增加几万到几百万倍；有的红巨星的半径比太阳半径大1000倍以上；白矮星的密度为每立方厘米一百公斤到十吨，中子星密度更高达每立方厘米一亿吨到一千亿吨。
河外星系与银河系属于同一天体层次。星系按形态大致分为五类：旋涡星系、棒旋星系、透镜型星系、椭圆星系、不规则星系。按星系的质量大小，又可分为矮星系、巨星系、超巨星系，它们的质量依次约为太阳的一百万到十亿倍、几百亿倍和万亿倍以上。同银河系一样，星系也由恒星和气体组成三、五个、十来个、几十个以至成百上千个星系组成星系集团，称星系群、星系团。
通过各种观测手段，人们的视野扩展到150亿光年的宇宙“深处”。这就是“观测到的宇宙”，或称为“我们的宇宙”，也就是总星系。研究表明，宇宙物质由化学元素周期表中近百种化学元素和289种同位素组成。在不同宇宙物质中发现了地球上不存在的矿物和分子。
（四）由天体物理学而兴起的粒子天体物理
天休物理学和基本粒子物理学之间正在形成一种互相促进、共同发展的关系:天体物理学的观测结果有助于阐明基本粒子的
性质,而粒子理论及其实验技术又可用于研究宇宙的各个组成部分并探讨宇宙的起源。粒子物理以基本粒子为研究对象，研究尺度范围小于10-13cm，质量范围小于10-23g；而宇宙学的最小研究对象是星系，尺度范围大于1019cm，质量大于1039g。随着现代宇宙学的发展，在这个从任何角度相比，都异乎寻常的悬殊的两个学科之间，人们发现了它们的联系。如果说热大爆炸宇宙学使这两个学科相遇，那么暴胀宇宙学又使它们紧密地结合起来。近十几年来，随着粒子物理学的发展，随着宇宙学日臻成熟，两个学科间的联系也日益频繁与深化起来。在过去几年里，两门学科分别建立了自己的标准模型。在粒子物理学中，标准模型是各种夸克和轻子之间，强、弱和电磁相互作用统一的规范理论。它把量子色动力学（QCD）和格拉肖-萨拉姆-温伯格模型结合到一起，成功地解释了基本粒子实验得出的全部结果。然而，这一模型也有许多尚未解决的问题，例如，为什么夸克与轻子有三代的划分，三代间的质量为什么如此悬殊，有没有第四代？标准模型预言的顶夸克（t）至今还没有得到肯定，此外，弱电作用的破缺机制是什么？有无新一类的强作用？超对称的伴随粒子、基础费密子的内部结构如何？等等。在众多的悬而未解问题之中，最重要的当属标准模型所预言，并赖以生存的中性、大质量标量粒子——黑格斯（Higgs）子尚未找到。标准模型需要这个耦合强度正比于耦合粒子质量的标量粒子，因为这样可以克服高能发散问题，使标准模型成为可重正化的理论。然而，解决上述问题难以依靠人工加速器完成。原计划1995年建成的美国超导质子-质子对撞机（SSC），周长
80km，质心系能量为40TeV，亮度为1033cm-2s-1，在这样高能量、高亮度条件下，肯定能对弱电作用的破缺机制做出肯定或否定的回答，还有可能发现新一类强相互作用、超对称伴随粒子，甚至有可能发现有关基础费密子的内部结构的线索，因此，SSC对撞机的建成肯定会对标准模型的各种问题给出解决的途径，因而受到全世界粒子物理学家的关注。然而，尽管SSC对撞机本身的技术条件已十分成熟，尽管历年来，已调集了美国及全世界各地的研究力量，并投入了可观的预研费与建筑经费，最后，仍然囿于资金的困难而被迫停建。即使没有资金的限制，人类所居住的地球线度也是有限的。SSC这一计划中，能量最大的超导对撞机周长是80km，能把粒子加速到104GeV，而在地球上，充其量能制造的加速环周长为40000km，充其量也只能把粒子加速到108GeV，这与解决标准模型的问题、验证大统一理论的需要，还差有12个数量级。在这种情况下，人们很自然地把目光转向了宇宙。看来，能不断地产生能量高到足以检验四种基本作用统一的理论，唯一的加速器就是宇宙自身。
根据热爆炸宇宙学的推算，宇宙大约在150亿年前，温度极高，KT/c2大于普朗克质量Mp（Mp约为10-5g），密度ρ超过Mp/lp3，lP 为康普顿长度，等于史瓦西半径（约为10-33cm），普朗克质量所对应的能量MPc2大约为1019GeV，因此，在粒子平均质量超过普朗克质量时，四种基本作用才能统一。虽然1010年前所发生的过程不可能重现，但是从人们对极早期宇宙的研究和考察中，过去所发生的过程会在现今宇宙中留下遗迹。因此，从中抽取有用和可靠的信息，以
