星花的镜子天文同好会 - 请问开普勒天文学成就在哥白尼革命中的历史地位及重要意义？

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请问开普勒天文学成就在哥白尼革命中的历史地位及重要意义？

1. 回答人: 匿名时间: 07-26 03:29:04

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。自古以来，人类就对宇宙的结构不断地进行着思考，早在古希腊时代就有哲学家提出了地球在运动的主张，只是当时缺乏依据，因此没有得到人们的认可。
在古代欧洲，亚里士多德和托勒密主张“地心说”，认为地球是静止不动的，其他的星体都围着地球这一宇宙中心旋转。这个学说的提出与基督教《圣经》中关于天堂、人间、地狱的说法刚好互相吻合，处于统治地位的教廷便竭力支持地心学说，把“地心说”和上帝创造世界融为一体，用来愚弄人们，维护自己的统治。因而“地心学”说被教会奉为和《圣经》一样的经典，长期居于统治地位。
行星运动定律的发明者约翰尼斯·开普勒于1571年出生在德国的威尔德斯达特镇，恰好是哥白尼发表《天体运行论》后的第二十八年。哥白尼在这部伟大著作中提出了行星绕太阳而不是绕地球运转的学说。开普勒就读于蒂宾根大学，1588年获得学士学位，三年后获得硕士学位。当时大多数科学家拒不接受哥白尼的日心说。在蒂宾根大学学习期间，他听到对日心学说所做的合乎逻辑的阐述，很快就相信了这一学说。”

2. 回答人: 匿名时间: 07-21 15:25:25

从前有个人叫谷第，一生对天文进行了10多年的观测，将所有观测结果的记录了下来，但并没来得及整理就挂了。幸好他有个学生叫开普勒是学数学出生，他对观测结果进行整理，总结出了3条天文学定律。由这个定律，以及牛顿3定律，推导出了万有引力方程。
哥白尼的日心说貌似和这个故事不相干。

3. 回答人: 匿名时间: 07-18 09:50:12

4. 回答人: 匿名时间: 07-12 10:29:58

16、17世纪在欧洲发生了一场科学革命，这是科学史上为数不多革命的第一例。它是对古希腊和中世纪科学的一场革命。它为尔后的现代意义上的科学发展奠定了基础，成为科学史上的一座丰碑。这场革命在学科层面上是由天文学、化学、力学和生理学革命汇合而成的。
在欧洲文艺复兴运动的影响下，16、17世纪天文学界率先发生了一场理论革命，它推翻了在此之前统治人类思想长达1800多年的地心说，代之以日心地动说，从根本上改变了人们对宇宙结杓的看法。

一、中世纪的文化遗产

波兰天文学家哥白尼是这场天文学革命的发起者。在哥白尼之前，古希腊和中世纪留给人们关于宇宙结构的文化遗产是“水晶天球说”，它认为整个宇宙是一个十层的同心水晶天球体，它的中心是地球。在地球之外有十层天，其中每一层天都是一个环绕地球的透明的天球。一个环绕着一个。除了最外面的第九层天球外，每一层天球都携带着一个或多个天体在它的背面绕地旋转。第一层天球距离地球最近，它携带的天体是月亮，第二层天球携带的是水星，以此类推依次携带的是金星、太阳、火星、木星、土星，第八层天球携带的是诸恒星，第九层天球上没有携带任何行星或恒星，它实际上是最后一层天球，这里是上帝的住所。这个宇宙模型既深深打上了古希腊托勒密“地心说”的烙印，又厚厚蒙上了一层中世纪宗教神学的油彩。

虽然哥白尼学说相对古希腊和中世纪天文学来说具有革命性，但他也有自己的局限性：一是他仍然保留了“水晶天球” 的观点，二是他认为行星绕太阳作匀速圆周运动。进一步克服哥白尼学说这种局限性的则是德国天文学家开普勒。

第一个向“水晶天球” 说提出质疑的是丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe ，1546-1601）。“水晶天球” 认为，天是由水晶球构成的，天界是完美的并具有不易性，因为天是由“以太”组成，它不同于组成尘世万物的四元素，后者是易腐坏的物质; 由于“以太” 是完美的，所以天球能绕轴旋转，于是相嵌在天球上的行星就被带动着作完美的圆周运动。1572年第谷观察到天空中出现了一颗新星，它位于被认为是具有不易性的月界之外，在整个1573年它始终发光，但到1574年初又消失了，这说明这颗处于天球上的新星并非不可改变和不易腐坏的。这一天文事实与以前人们根深蒂固地认为天球具有不易性的观念相矛盾。1577年第谷又观察到一颗新彗星，而且彗星的运行轨道是直穿过被假设为形成天空的不可刺透的水晶天球的，这促使第谷认识到天球实际上并非作为天空机构的部分而存在。根据上述天文观测的事实，第谷认为所谓的水晶天球并“不存在”。
开普勒完全赞同并大力宣传这一观点。他坚持认为：长期公认的天的水晶结构并不存在。“正如第谷·布拉赫已经证明的，这样的球体不存在”——通过开普勒的著作，这名言就跟着广为流传。一旦水晶球体被击碎，那么哥白尼所述的行星环绕太阳转的机制是什么呢？这就必须建立一种新的天体物理学来说明稳定的、循环往复的行星运动的原因。这项任务就历史地放在开普勒面前。
由于确信自然的一致性，开普勒力图运用基于地上力学原理去取代亚里士多德关于天上星球运动的基本命题，用一种探求理解控制行星运动的力的天文学，去代替了被认为是表达了一个遥远王国的完美与不朽的天体运转的轨道操作。由于确信“万物皆数”的思想，他认为关于天体运动的一组新问题必须用数学公式表示，在此过程中完全可以对物理原因的研究与对几何结构的研究结合进行，这两者不过是同一事物的不同方面而已。当然，开普勒所寻求揭示的是真实的数学结构和真实的物理原因。这些东西必须同观察一致，开普勒拒绝将一些先验的理论不惜违背观察事实而强加于自然界之上。1601年第谷辞世，开普勒继承和运用了第谷长年累月通过观察取得的大批宝贵的资料和精确的数据，加上自己的观测实践，开普勒提出了行星运动三定律。
开普勒的研究工作是从研究火星开始取得突破的。火星是他工作的主要对象。他坚信太阳系的结构统一性，他认为由火星得出的结论完全可以运用于其他行星。开普勒确信，虽然水晶球体并不存在，但行星仍然按照确定的轨道通过空旷的空间。因此，从一开始他所关注的就是火星运行轨道本身。以前的理论没有提出行星的轨道是一个圆。开普勒最先尝试使火星正好适合于这样一个圆轨道。然而，从观察事实出发他发现火星在轨道上运行的速度并不均匀，而是变化的。这促使他认为火星运行的并非是圆轨道。

由于遇到暂时的挫折，开普勒从火星的轨道转向地球的轨道。援引他用于火星研究的原理，他得出如下结论：地球的速度与它到太阳的距离成反比。尽管在推导这个“速度定律”的过程中有两步是错误的，但是这两步是错误产生了相互抵消的效果，于是开普勒根据它却正确地推导出了面积定律即行星运动第二定律。这条定律告诉人们，如果从给定的行星到太阳之间划一条直线，那么这条直线将在相等的时间内扫过相等的面积。面积定律可用来满足一种特殊的技术需要。在使用均轮和本轮的老天文学中，一个行星的位置可通过矢径相加来计算，因为每一个轮子都以匀速率转动。由于抛弃了多重圆的机械装置而采用了行星绕一个圆作变速运动的见解，开普勒需要一个用于计算行星位置的公式。面积定律满足了这种需求。并且在提供公式时，面积定律也使得天文学上以前必不可少的圆得以省略。
开普勒的速度定律也指明了太阳的中心地位在天体力学系统中的功能。开普勒深信哥白尼学说中太阳在宇宙中居于首要地位。他认为，太阳是所有光和热的源泉，也必定是所有运动的根源，是太阳系的动力学中心。开普勒设想某种动力从太阳辐射出来，就像一个车轮向四周辐射的辐条一样。当太阳绕其轴转动时，辐条将推动行星运转。从太阳辐射出来的动力的效应随距离的增大而减小，而每个行星的速度应与它离太阳的距离成反比。
至此，在他的天体动力学中仍有一个问题有待解决。是什么引起一个行星到太阳的距离发生变化？最初开普勒试图按传统通过一个本轮解释这种变化，然而这又与他对物理实在的直觉相抵触。于是他又重新研究火星，他发现如果假定轨道是椭圆形的并且用椭圆作近似轨道，一那么矢径在长度上的变化就与天文观测事实一致。这种一致标志着一种不需要用天使管理而从纯物理作用就可以说明行星的运行机制。于是本轮机制可以被彻底抛弃，而且是被永远抛弃。开普勒在此基础上进一步推断，轨道不仅可近似地看作是一个椭圆．而且它是这样一个椭圆，即太阳居于其一个焦点上。这就是开普勒行星运动第一定律。这样他把哥白尼的学说发展到更精致的阶段，即如果认定太阳系的中心是太阳而不是地球，那么一种圆锥曲线即椭圆曲线就足以精确地描述每一颗行星的轨道。偏心圆和本轮的全部复杂性已淹没在椭圆的简单性之中。当然，人们接受椭圆的简单性是以抛弃圆及其所拥有的完美无缺、不易性和有序性的古老内涵为代价的。
开普勒相信秩序和数的和谐，于是他致力于集中探索天球的和谐，这使他发现了行星运动定律的第三定律，即行星公转周期的平方与行星到太阳的平均距离的立方成正比定律。
开普勒在哥白尼学说的基础上奠定了一种全新的天文学。他破除千百年来人们依于视运动体验的地球中心论和对仅仅追求圆运动的迷信，并把由神役使的宇宙变换成纯粹的机械论的时钟机构。同时他还克服了哥白尼学说与实际天文观察值之间的误差。
导致勒密体系和亚里士多德体系衰落也有意大利物理学家和天文学家伽利略的功劳。1609年当伽利略用自制的一架望远镜进行天文观察时发现：木星也具有卫星，这一发现使人们面临着这样一个事实，即木星具有围绕其自身旋转的卫星（象地球有卫星月亮一样），那么木星及其卫星到底是如哥白尼认为的那样共同围绕太阳运动，还是按照托勒密体系共同围绕地球运动。其次，伽利略还观察到太阳黑子和月球表面坑坑洼洼并不光滑，倘若伽利略关于它们的观察是正确的话，那么它们便摧毁了天是无暇的和不变的观点的基础。此外，更为重要的是，他把天体看作与地上物体一样，服从于地上物体运动的定律，使新的天文学能以某种方式与新的动力学联姻。1632年，伽利略发表了《关于托勒密和哥白尼两种宇宙体系的对话》一书，用自己制造的天文望远镜观测天象所获得的新的事实来确证哥白尼的学说。他还根据自己提出的惯性原理，设计了一个简单而灵巧妙的实验来论证地球在运动。
那末，行星为什么要绕太阳运行并且要按开普勒三定律所指出的那种方式运行呢？这是太阳系理论的一个核心问题。这个问题后来是由英国物理学家牛顿从万有引力理论上解决的。牛顿从1666年开始研究研究了太阳和行星在引力作用下如何运动的问题。他依据万有引力定律从理论上推导了开普勒第一定律。牛够还依据万有引力定律，求得了开普勒第二、第三定律的准确形式。牛顿对行星运动规律的理论证明，使哥白尼的日心地动说体系得以建立在稳固的理论基础上，科学的太阳系概念由此建立，经典宇宙学由此形成。

5. 回答人: 匿名时间: 06-24 16:51:03

开普勒定律在天文学上有十分重大的意义：

首先，开普勒定律在科学思想上表现出无比勇敢的创造精神。远在哥白尼创立日心宇宙体系之前，许多学者对于天动地静的观念就提出过不同见解。但对天体遵循完美的均匀圆周运动这一观念，从未有人敢怀疑。开普勒却毅然否定了它。这是个非常大胆的创见。哥白尼知道几个圆合并起来就可以产生椭圆，但他从来没有用椭圆来描述过天体的轨道。正如开普勒所说，

“哥白尼没有觉察到他伸手可得的财富”。

其次，开普勒定律彻底摧毁了托勒玫的本轮系，把哥白尼体系从本轮的桎梏下解放出来，为它带来充分的完整和严谨。哥白尼抛弃古希腊人的一个先入之见，即天与地的本质差别，获得一个简单得多的体系。但它仍须用三十几个圆周来解释天体的表观运动。开普勒却找到最简单的世界体系，只用七个椭圆说就全部解决了。从此，不须再借助任何本轮和偏心圆就能简单而精确地推算行星的运动。

第三，开普勒定律使人们对行星运动的认识得到明晰概念。它证明行星世界是一个匀称的（即开普勒所说的“和谐”）系统。这个系统的中心天体是太阳，受来自太阳的某种统一力量所支配。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。
天体物理学与宇宙学的进展

（一）天体物理学的进展

1．行星研究的三部曲

在17世纪，以牛顿力学和万有引力定律的发现为标志的这一历史时期，人类对行星的研究常常被形容为对行星各层次研究的三部曲①。这三部曲的主角依次为第谷、开普勒和牛顿。第谷（Tycho，Brahe 1546～1601）是最后一位也是最伟大的一位用肉眼进行观测的天文学家。他出身于一个瑞典血统的丹麦贵族之家，13岁即进入哥本哈根大学学习法律与哲学。在1560年，一次偶然观测日蚀后，转向了天文学与数学研究。他做出的第一件引人注意的事，是在1563年发现了木星最接近土星的时间，比西班牙君主阿尔丰沙十世（Alfonso X of Castile 1221～1284）在世时，制定的行星表预计的时间相差有1个月。在这以前，人们使用阿尔丰沙十世的行星表长达300年之久。这件事后，第谷开始着手修定行星表，他所制作的新行星表定位精度达到了30弧秒。第谷做出的第二件有名的事，是在1572年观测到一次星球爆发，后人称它为第谷星，这是继1054年中国人首次观测到的新星之后的第二颗新星。第谷首次引入“新星”这个概念，他通过视差测量出这颗新星比当时人们认为的宇宙边界要远得多，这是对亚里士多德的“天空是完美无缺和永恒不变的”观点的有力冲击。第谷第三件有名的事是对慧星的研究。1577年，第谷对天空出现的一颗巨大彗星研究的结果表明，它不仅来自当时人们认为的“天界”之外，其运行也有特定的轨道。这不仅再次冲击了亚里土多德的天空观念，而且与伽利略坚持的“替星不能与其它天体的永恒性和规律性相比，它仅仅是一种大气现象”的说法大相径庭。第谷一生对行星的观测，积累了有关行星的位置及运行的大量数据，它们达到了前所未有的精确程度。在丹麦国王腓特烈二世的支持下，第谷在丹麦与瑞典之间的赫维恩岛上，修建了人类第一座天文台。他还不惜工本地建造了一个直径5英尺的天球仪。1597年，第谷应德国国王鲁道夫二世之邀，离开丹麦前往布拉格新区定居，此行使他发现了开普勒这位德国青年助手。

开普勒（Kepler，Johann 1571～1630）1588年毕业于德国蒂宾诺大学。1591年获得该校硕士学位。他在数学上的才华很快地崭露头角，1597年开始担任第谷的助手，替他制作行星运行表。1601年第谷去世后，开普勒继承了一大批非常宝贵的资料。他以这些观测结果为基础，计算出一个能描述星体运行的体系。一开始，他把大量精力用到了行星运行的正多面体理论之中，几年之后才发现，这一理论不适用第谷观测的结果。后来，他从希腊数学家阿波洛尼乌斯（Apollonius B.C.262～190）的圆锥曲线那里受到启发，终于发现，第谷观测到的火星位置与椭圆轨道符合的精度很高，而太阳恰好位于椭圆轨道的一个焦点之上。以后，他陆续找到其它行星的椭圆轨道，太阳则总在这些轨道的焦点之上。1609年，开普勒在《新天文学》一书中，公布了他对行星按椭圆轨道运行的研究成果，这就是现在的开普勒第一和第二定律。开普勒第三定律发表在另一部著作中。以后，开普勒根据第谷的观测资料和他的椭圆轨道理论，终于制作成功了新的行星运行表。这一部运行表发表于1627年，在书的扉页上，开普勒写了献辞，以纪念他的导师第谷。在行星表的计算中，开普勒首次采用了苏格兰数学家耐普尔（Napier，John 1550～1617）所发明的对数。耐普尔的对数表发表于1614年，由于对数大大简化了繁琐的数字运算，像计算机给予现今科学技术以巨大冲击一样，对数的发明也给予当时的科技发展极大的推动。

尽管开普勒以惊人的洞察力和坚韧不拔的精神，在第谷大量的资料中找到了行星运行的三大定律，尽管开普勒的理论使延续两千多年的圆运动的神圣不可侵犯受到了冲击，但是开普勒却没能对这一运行规律做出解释。显然，是太阳在以某种方式支配着行星的运动，为此，开普勒曾沿用英国物理学家吉尔伯特（Gilbert，William 1544～1603）的看法，认为使行星保持在一定轨道上的是一种来自太阳的“磁性引力”。直到半个世纪之后，才由牛顿提出了一个满意的解释。

从古代到中世纪，人们都信奉亚里士多德的哲学，认为天地受不同体系自然规律支配，地上的一切是可变的、污浊的，而天上的一切是永恒的、光辉的，天上与地下万物各自遵循迥然不同的运动法则。牛顿却大胆地提出，天地二者的规律是完全统一一致的。在他的《自然哲学与数学原理》一书中，牛顿首次提出，在没有其它外力的作用下，天体受到“第一次推动”之后，将始终维持惯性运动。牛顿还根据他著名的运动三定律，导出了地球与月球的引力规律，由此提出了著名的引力定律，并认为这一规律适用于宇宙万物任何两物体之间。一个世纪之后，卡文迪许确定了引力常数G值，从而得出了地球的质量数值。以后，又据此值估算出来木星与土星的质量，这些估算值都相当准确。牛顿万有引力定律的成就是空前的，它不仅对开普勒三定律做出了解释，还能解释当时人们所知道的一切天体运动。它解释了二分点岁差的成因，甚至还说明了开普勒也没解释清楚的月球运动的复杂变化。牛顿甚至还预言了引力对人造卫星运动的控制方式。牛顿的成就使天文学脱离了单纯的观测与测算，从单纯描述天体运行的经验规律上升为认识天体相互作用的普遍规律。它使一个半世纪前，由哥白尼开创的科学革命迈向又一个更高的顶峰，这是人类几千年来，对行星运动认识从现象到本质的巨大飞跃。在这一巨大飞跃中，人们认识到了天文学研究在天文观测、资料积累、资料处理分析、模型建立、理论的得出等步骤的分工、衔接以及循环提高的意义。

2．恒星层次的研究——天体物理学的建立

本世纪初，继第谷一开普勒一牛顿时期后，天文学再一次的重大突破反映在恒星演化理论的建立之上。

在19、20世纪之交，人们已记录有6万颗恒星的位置与亮度，精确测量了数以千计的恒星的物理参量，建立了有关恒星亮度、光谱、颜色、位置及由位置微小变化所导出的“视差”与自行的定量标准。在此基础上，积累了近10万颗恒星的光谱分类资料。

1905年，丹麦天文学家赫兹普龙（Hertzsprung，Ejnar 1873～1967）从拍摄的照片上发现恒星的颜色与亮度间的内在关系。这一现象还由美国天文学家罗素（Russell，Henry Norris 1877～1957）独立发现。赫兹普龙把这一关系表述在“光谱型—绝对星等图”中。他用横坐标表示恒星表面温度的对数，将纵坐标与恒星表面亮度的对数成正比，恒星的对应点居然大部分集中在一条斜线的附近，这就是后人所称的赫茨普龙-罗素图。该图表明，恒星沿着一条生命线演化，这无疑是恒星内部物理结构以及各恒星间某种演化关系的反映。如果说在早期人们还没有意识到恒星研究与物理学之间有任何联系，赫兹普龙与罗素的发现却使人们开始意识到，恒星的演化必然遵循某些规律，这些规律一定与恒星结构及演化中从外界获得的关键物理信息有关，这无疑把恒星的研究导向了天体物理学方向。

3．玻尔的氢原子模型与天体物理学进展①德国物理学家基尔霍夫（Kirchhoff， Gustav Robert 1824～1887）是较早注意到恒星颜色与亮度的人。

1854年，他在海德尔堡大学担任物理学教授时，便与本生（Bunsen，Robert Wilhelm E-berhard 1811～1899）共同研制成功第一台分光仪，并把它用于光谱学研究。1859年，他们用这种方法发现了铯元素，这一发现于1860年发表。1861年又发现了元素铷。很快地，基尔霍夫又通过对太阳吸收光谱研究了太阳的化学组成，而且发现太阳某些元素的谱线具有一定的规律，特别是氢元素的谱线，随着波长的减小，靠得越来越近。他还发现，钠光谱的亮双线位置上，恰好对应太阳光谱中夫琅和费标有D线的暗线位置上，他使用太阳光和钠光同时照射狭缝，希望能在纳线位置上得到补偿，不想暗线变得更暗了。这些实验使他得到了谱线吸收的基尔霍夫定律。对太阳光谱的研究成果，使基尔霍夫一举成名。基尔霍夫的财产保管人，一位银行家曾问基尔霍夫，“如果不能把太阳中的黄金取到地球上来，发现它又有何用呢？”当基尔霍夫因其研究成果被英国授予一枚奖章和一笔金镑，他把它们交给这位银行家保管时，曾风趣地说：“这不就是太阳的黄金吗？”事实上，“太阳的黄金”的价值远非如此，基尔霍夫研究的成果不仅使人们找到了获得“外部世界”信息的方法，它们也成为人们研究原子“内部世界”的向导。

基尔霍夫对太阳谱线的研究引起了瑞士数学家和物理学家巴耳末（Balmer，Johann Jakob 1825～1898）的注意，巴耳末为氢元素谱线系的波长提出了一个简明的公式表述，这个公式发表于1885年。由于他未给出这个经验公式的任何解释，在提出后的20年内，一直未引起人们的注意，直到玻尔把这个公式作为他提出的氢原子结构理论的证据时，人们才看到了巴耳末公式的重要性。

1913年，玻尔以《论原子与分子的构造》为题，发表了三篇论文。在这些论文中，玻尔强调了他的基本观点，这就是当体系在不同定态间过渡时，不能应用普通的力学处理，这一过程伴随着辐射，辐射的频率与发射能量关系将由普朗克理论确定。根据这一准则，玻尔不仅建立了氢原子模型，而且进一步由此解释了谱线的结构。尽管玻尔的氢原子模型还太简单，尚不足以说明更复杂的原子结构，也不能说明谱线的精细结构，尽管这一理论还需做出进一步的修正，但仍不失为用原子结构解释谱线，又反过来用谱线解释原子结构的首次成功的尝试。早在玻尔开始研究原子结构以前，原子光谱就不仅是实验物理的热门课题，而且也是天体物理学的重要课题。当人们通过普通光源实验观察到12条巴耳末线系时，就已经在星体光谱中见到33条了。对玻尔理论发展的促进也正是来自天文学。1896年，美国天文学家皮克林（Pikering，Edward Charles 1846～1919）与其弟亨利·皮克林在秘鲁他们共同修建的天文台观测到了一组特殊的星系谱线，它们不能应用玻尔理论解释，这些谱线后被称为皮克林谱线。为此，玻尔又大胆地断言，巴克林谱线系不是属于氢而是属于氦的，玻尔用一个公式，

为这些谱线系做了统一的表示，并认为星体大气环境中，由于氢、氦的混合，氦更容易以离子形式存在。玻尔的研究成果在天体物理学的进展中具有着特殊的意义。按照玻尔理论，原子体系平衡与稳定的原因，是由于静电吸引力与“电子量子性所决定的排斥力”相平衡的结果。所谓“量子性所决定的排斥力”即为以后所称的简并压力。玻尔的研究，还使人们认识到各种宏观物态之所以稳定存在的微观依据。正因如此，玻尔的理论也成为人们研究各种星体稳定体系的依据。人们对各种稳定体系的概括①：静电力+简并压力→原子、分子液体、固体、星际尘埃、小行星等

引力+简并压力→行星、白矮星、中子星等

引力+热压力→主序星、红巨星等

正是把玻尔的原子平衡思想直接推广到星体尺度世界的结果。

4．恒星演化理论与核天体物理学的建立1812年，德国物理学家夫琅和费（Fraunhofer，Joseph Von1787～1826）在测试他用玻璃制造的棱镜时，发现了太阳光谱中的暗线，由此，开始了对太阳吸收光谱的研究。

夫琅和费所观察到的太阳光谱暗线共576条，统称为夫琅和费暗线。他把其中比较明显的暗线用字母加以标识，并应用衍射原理计算出这些暗线对应的波长。他首次使用光栅作为色散装置，并注意到一些其它恒星光谱中暗线的位置并不完全与太阳的相同，但这一发现并未引起当时人们的重视。在夫琅和费发现的100年以后，德国天文学家魏茨泽克（ Weizsacker， Carl Friedrich，Baron Von1912～1938）又独立地发展了恒星能源机制的理论。他认为，形成太阳系的原始尘埃并不像康德-拉普拉斯最初提出的那样，只是一种单一的系统，而是一种涡旋系。这种涡旋系逐步演化为一种较稳定的同心圆环状体系。每个圆环内还有数个涡旋，环与环之间，涡旋与涡旋之间还有一些次级的涡旋，行星即在其中形成。魏茨泽克这一理论的重要思想是，认为行星的形成乃是恒星演化中的一个组成部分，宇宙间的行星系统是伴随众多恒星而形成的。1937年，魏茨泽克提出了关于太阳辐射能源机制的解释。他认为，太阳的辐射能源主要来自4个氢核聚变为氦核的过程，称为p-p反应。此外，他还研究了关于宇宙学及恒星演化的若干问题，认为宇宙起源于由氢元素组成的超巨质量恒星，其上其它元素皆由氢演变而成。随着这个巨大的“氢球”爆炸，带有其它元素的碎片四散开来，逐渐演化成现今的宇宙。魏茨泽克的“大爆炸”思想给以后的研究以重要的影响。与魏茨泽克同时，美国物理学家贝特（Bethe，Hans Albert 1906～）也独立地提出了恒星机制的理论。贝特曾在法兰克福大学学习物理，毕业后在慕尼黑大学研究理论物理学，并于1928年在该校获得博士学位。1933年，希特勒执政期间，他离开德国到英国任教，后又受聘到美国康奈尔大学工作。1936～1938年，贝特与他的合作者发表专著《原子核物理学》，这部巨著澄清并系统地整理了关于核力、核结构以及核反应的理论，成为后人长期参考并引用的经典之作。1938年，贝特提出了关于恒星能源机制的碳循环设想。他认为一个碳-12核相继与3个氢核（质子）反应，形成氮-15，再通过与第四个氢核聚变，生成一个氦核（α粒子）和一个碳-12，并释放能量。由于这一理论的提出，贝特获得了1967年诺贝尔物理学奖。

在同一时期，对恒星能源机制研究做出重要贡献的还有美籍苏联物理学家伽莫夫（Gamov，George 1904～1968）。伽莫夫早年从事原子核物理研究，1928年曾提出核α衰变理论。1936年建立了β衰变的伽莫夫-特勒选择定财。1938年以后，伽莫夫转向天体物理学研究，专门研究恒星的核能源机制与恒星的演化。他曾对魏茨泽克所设想的早期宇宙的氢球核燃烧阶段提出质疑。他认为超巨球体的自身是极其不稳定的，进而伽莫夫与他的合作者提出了热大爆炸学说的宇宙早期模型。大爆炸学说不仅成功地解释了许多天体物理的观测结果，而且促进了以研究恒星演化过程及能源机制为核心的核天体物理学的进展。在贝特与魏茨泽克分别提出太阳能量来源于其内部的p-p核反应以后，很自然地使人们面临一个新问题，重于4He的原子核是如何产生的？伽莫夫的理论也面临同样的问题，因为不存在质量为5和8的稳定元素，这表明，大爆炸的最初，核的合成应终止到4He，因为氦核不能俘获一个质子或另外的一个氦核形成新的稳定的原子核。似乎重元素需要在极高温、极高压、极高密的环境下才能生成，然而根据伽莫夫最初的理论，大爆炸宇宙是急剧膨胀的，它的整体温度与密度将持续不断地降低，如何在宇宙进展的环境下有新的重核形成，显然是一个问题。

5．元素合成理论与天体核反应研究

早在上一世纪后期，人们就对元素及其同位素在自然界的丰度进行了研究。从1883年到1924年，美国地质调查局总化学师克拉克（Clarke，Frank Wigglesworth 1847～1931）在地壳厚度16千米的范围内，广泛地调查了地壳的化学组成，发表了地壳中化学元素的丰度调查结果。此后，又有人收集了大量的陨石、太阳、其它恒星、星云的各种元素及同位素分布的资料。曾致力于研究同位素理论、特别对重氢研究做出重要贡献的美国物理学家与化学家尤里（Urey，Harold Clayton 1893～1981）在 1956年，根据地球、陨石及太阳的资料绘制出更为详细、更为标准的元素丰度表，这一资料已成为元素合成理论的重要依据之一。从尤里的研究结果看出，元素及其同位素的分布是极其复杂又有一定规律的。这一规律一方面来自原子核结构的规律性，一方面又与元素的起源及演化史密切相关。任何有关元素起源与合成的假说都必须首先能解释这一分布的规律性。

早期提出的元素起源与合成假说有平衡过程假说、中子俘获假说与聚中子裂变理论，它们都试图用单一过程解释全部元素的成因，最后都因矛盾百出不能自圆其说而失败。较为成功的元素核合成假说，是本世纪50年代提出的BBFH理论。BB代表伯比奇夫妇，伯比奇（Burbidge，Eleanor Margevet约 1925～）为英国女天文学家、格林威治天文台第一任台长，长期致力于类星体和元素在恒星深处的核合成理论研究。1955年伯比奇的丈夫受聘到美国加州帕萨迪那附近的威尔逊山天文台工作，伯比奇到加州理工学院任教。与伯比奇夫妇一起提出元素合成理论的还有美国核天体物理学家否勒（Fowler，William Al-frad 1911～）及英国天文学家霍伊尔（Hoyle，Sir Fred 1915～）。他们以尤里提出的元素丰度分布曲线为出发点，以核聚变理论为基础，认为宇宙间全部元素并非由单一过程一次形成，而是通过恒星各个演化阶段的相应八个过程逐次形成的。这八个过程是：①氢燃烧，在 T≥7×106K条件下，四个氢核聚变为氦核的过程；②氦燃烧，即T≥108K条件下，氦核聚变为碳核和氧核、氖核等的过程；③α过程，α粒子与氖核反应，相继生成镁、硅、硫、氩等元素原子核；④e过程，元素丰度曲线上的铁峰元素（钒、铬、锰、铁、钴、镍）等生成；⑤s慢中子俘获过程；⑥γ快中子俘获过程。这后两个过程分别简称s过程和γ过程，通过它们生成比铁重的元素；⑦生成低丰度的富质子同位素的质子p的俘获过程，以及⑧生成低丰度轻元素（如氘、锂、铍、硼等）的X过程。BBFH理论发表以后，不断得到核物理、天体物理以及宇宙化学等领域新成就的补充与修正，例如补充了碳燃烧、氧燃烧和硅燃烧等新过程，大爆炸宇宙学又为氦的丰度较大提出了进一步的解释。

近年来核天体物理学的一个研究热点是恒星晚期，特别是新星爆发附近阶段中较重元素的合成问题。在这个阶段，由于参与s过程的全部核素集中于β稳定谷附近，利用现有的核实验装置即可得到一些个别的核反应并测出其反应率，再计入所观测到的天文环境，人们可以建立过程模型，力图利用它拟合观测到的元素丰度。1956年以来，核物理学曾预言存在有一个稳定的超重元素岛。岛中心的原子核是中子数和质子数填满闭壳的双幻核（Z=114，N=184）。这个核非常稳定，其自发裂变的寿命估计可达1019年。在其附近的原子核对于自发裂变、β衰变也比较稳定。除了这个超重核的稳定岛外，核物理学还预言存在另一些更重超重核的稳定区。理论预言，对于这些更重的超重核，由于库仑势能加大，发射α粒子的能量、裂变平均动能以及每次裂变释放的中子数都将比常规核情况大得多。证实这些预言存在与否都将是对原子核理论的检验。目前，物理学家正试图通过对γ过程的研究解开这个谜。由于γ过程产生远离β稳定线中子大量过剩的核，在实验室条件下，难以测量其反应截面，因此常利用地下核爆炸进行γ过程研究。到目前为止，在规模巨大的天体核反应研究方面，虽然在确定核反应截面的工作上取得一些成果，从而丰富了人们对于天体核反应规律的认识，但这种认识毕竟是很初步的，因为对于恒星晚期进行的核反应，至今还不能在实验室条件下研究，对于它们的抛射物化学成分还需要做进一步的了解和解释。本世纪90年代以来，人们正开始采用超巨型计算机，进一步启用更新的核物理实验装置，将发射空间红外望远镜以探测原始星系初始核合成，哈勃望远镜将收集关于恒星在可见光及紫外波段的更高分辨率的观测资料，人们还将建造规模更为宏伟的同位旋实验室，以期获得目前难以得到的不稳定核。以上这些规划与进展不仅可以从实验上和理论上探讨核天体物理问题，而且还能加深人们对宇宙演化的认识。

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