第一推动丛书宇宙系列:物理天文学前沿

该书的作者是20世纪有名的天文学家，在有关领域贡献良多，同时作者又是杰出的科普作家，使得该书的许多章节都写得深入浅出，精彩纷呈。

通过基本物理知识与基础的数学手段，就可以把很多深奥得无法在大学物理里教学的“前沿”娓娓道来。

2018年新版的《*推动丛书》全新设计了版式和封面，简约个性，提升了阅读体验，让科普给你更多想象。

随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。

物理学和天文学之间一直存在着根本性的联系，它促使两位当今世界*的天体物理学家合作，从物理学观点来阐述天文学的前沿问题。作者用非数学方法的论述，使艰深的前沿课题变得通俗易懂。如果你也想了解当前物理学和天文学得*知识，本书是你的不二之选。

F.霍伊尔（Fred
Hoyle），英国著名天文学家，宇宙稳恒态学说创始人。在有关领域贡献良多（如关于恒星演化过程中的理论的建立）。

J.纳里卡（J.Narlikar），印度著名天文学家。

译者介绍：

何香涛，男，博士生导师。1960年毕业于北京师范大学物理系，之后一直在天文系任教，1997年获得Chretian观测基金奖。

赵君亮，上海天文台研究员，博士生导师。1968年上海天文台恒星天文专业研究生毕业。曾任上海天文台台长，国家天文台副台长，IAU37专业委员会科学组织委员。

目录：

前言
中译本序言
译者的话
章 时空图和物质结构

篇 电磁相互作用
第二章 辐射、量子力学和谱线
2-1 宏观粒子的辐射
2-2 时间的方向性和因果律
2-3 量子力学
2-4 名称、单位和测量

第三章 黑体、恒星光谱和赫罗图
3-1 温度和温标
3-2 黑体
3-3 恒星光谱
3-4 赫罗图
3-5 天空中的恒星

第四章 射电天文学
4-1 历史简况
4-2 蟹状星云
4-3 个人的回忆
4-4 脉冲星
4-5 射电星系
4-6 类星体

第五章 毫米波天文学
5-1 分子
5-2 星际空间中的分子
5-3 巨分子云

第六章 星际微粒和红外天文学
6-1 一门新学科的诞生
6-2 星际尘埃
6-3 星际有机分子的起源

第七章 X射线天文学
7-1 技术
7-2 来自太阳的X射线
7-3 天蝎X-1——太阳系之外所发现的个X射线源
7-4 蟹状星云和其他的一些X射线源
7-5 个X射线星系
7-6 自由号巡天观测
7-7 密近双星与食双星
7-8 X射线双星和黑洞

第二篇 强相互作用和弱相互作用
第八章 原子、原子核和恒星的演化
8-1　恒星的能源需求
8-2　放射性
8-3　是天然放射性，还是核聚变
8-4　原子核和各种粒子
8-5　核能和恒星的能量
8-6　恒星的演化
8-7　恒星的终极问题
8-8　物质的历史

第九章 天体距离的测定
9-1　毕星团主序
9-2　毕星团主序的利用
9-3　造父变星
9-4　距离范围的延伸

第三篇　引力相互作用
第十章 运动定律和万有引力定律
10-1　引言
10-2　运动
10-3　动力学
10-4　万有引力定律
10-5　从牛顿到爱因斯坦
10-6　狭义相对论
10-7　广义相对论
10-8　爱因斯坦的引力论
10-9　万有引力与天文学的关系

第十一章 黑洞
11-1　引言
11-2　逃逸速度
11-3　牛顿引力框架中的引力坍缩
11-4　广义相对论框架中的引力坍缩
11-5　黑洞是怎样形成的
11-6　黑洞没有“发”
11-7　克尔一纽曼黑洞
11-8　黑洞物理学定律
11-9　黑洞的检测
11-10　白洞

第十二章 宇宙学简介
12-1　什么是宇宙学
12-2　哈勃定律
12-3　膨胀着的宇宙
12-4　宇宙的对称性
12-5　奥伯斯佯谬

第十三章 大爆炸宇宙论
13-1　宇宙学模型
13-2　弗里德曼模型
13-3　哈勃定律的推广
13-4　射电源计数
13-5　角大小检验
13-6　早期宇宙
13-7　热大爆炸
13-8　微波背景辐射
13-9　氦和氘的原始丰度问题
13-10　宇宙的年龄
13-11　再论奥伯斯佯谬

第十四章 惯性和宇宙学
14-1　引言
14-2　马赫原理
14-3　单位和量纲
14-4　星系系统膨胀的含义
14-5　宇宙膨胀的另一种解释
14-6　哈勃和哈曼逊的红移一星等关系
14-7　早期宇宙
14-8　当前宇宙学中的难题
14-9　质量相互作用的一般形式
14-10　黑洞和白洞
附录A 稳恒态宇宙模型
附录B 表格

前言

宇宙就其现象范围来说，必然比我们在地球上所能期望经历的任何事物都要广泛，人类过去一直在观测天空，寻找了解世界本质和规律的各种线索，直到今天依然如此。物理学家在研究支配我们世界的自然规律时也转向天文学和宇宙学，寻找支持其理论的证据；而天文学家又依据物理学家在地面实验室中的物理实验去理解天空中的现象。物理学和天文学之间这种根本性的相互联系，促使我们编著了这本《物理天文学前沿》。

本书从物理学观点出发来阐述天文学的问题，因此，一开始我们便讨论了诸如原子性质、量子力学以及辐射等概念。遗憾的是日常生活与这些概念并不密切相关，要了解原子的结构，必须付出很大的精力和代价，而量子力学的研究也只是在现代微电子学出现之后才普遍发展起来。但是，不掌握物理学的这些比较深奥的部分，对天文学的理解就几乎寸步难行。

规律通常通过所谓“因果关系”而存在于世界之中。因果关系通过粒子间的相互作用体现出来，这种相互作用有四种类型 ——电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用和引力相互作用。这四种相互作用都在开头一章中作了讨论；随后本书共分3篇分别论述属于一种或两种相互作用范畴的现象。第1篇阐述电磁相互作用，描述由辐射波谱获得的天文知识，包括光学天文学、射电天文学、毫米波天文学、红外天文学和 X射线天文学；第2篇论述强相互作用和弱相互作用，着重讨论恒星内部的特性；第3篇阐述引力相互作用，讨论牛顿理论和爱因斯坦理论，并以此为基础去认识黑洞和宇宙学的各种问题。在每一篇中都是以物理学的基本发现为基础去理解各种天文现象。

我们期望，这种叙述方式会使天文学面目为之一新；不像大多数天文书籍那样，或者着眼于发现的顺序，或者按天体到地球的距离，由近及远地去讨论。我们着眼于在宇宙中起作用的各种基本力，从而为理解各种天文现象提供了一个基础，而不只是简单地描述它们。

本书中我们几乎完全局限于用非数学方法去论述。困难的数学也只不过是第 11章中出现的一些简单的代数运算。离开这些代数运算，我们发现在讨论黑洞物理学时很难做到意义确切。在一般科学常识方面有扎实的中学水平的读者，在阅读本书时应该没有什么困难。

我们衷心地感谢福克纳（J. Faulkner）博士，他细心地阅读了手稿，提出了建设性的评价，同时提出了许多改进意见。

第1章
时空图和物质结构（部分）

几年前，作者之一曾作过一次旅行，那是去芝加哥为美国物理学会的一次会议做一篇报告。这次旅行给作者留下了难忘的印象，原因是航行中出现了太阳从西方升起的现象。飞机跨越大西洋，朝西北方向飞行。那是1月份的一个下午，白天很短，和通常一样，一天即将结束，太阳正在从西南方向地平线上沉下，天空逐渐黑暗起来。机舱里，有的旅客已进入梦乡，有的则在聊天、饮酒，有的则在聆听音乐。就在这个时候，机舱里的光线开始轻微而又微妙地变化。西方天穹逐渐明亮起来，而不是像通常那样暗下去。天空居然越来越明亮，宛如奇迹一般，一直到一轮金光灿烂的太阳又重新呈现在西方地平线上。

那天太阳从西方升起，原因是航线非常偏北地越过格陵兰岛，结果飞机的飞行速度超过了地球的自转速度。这样，我们就好像处在一颗自东向西、而不是自西向东旋转的行星上。随着超音速客机的使用，这种现象会变得尽人皆知。然而，在这次飞行中，这一现象的确令人十分惊奇，好像地球和太阳在时空中的运动被颠倒了过来。

在日常生活中，很少有人会对我们通常的时空概念产生疑问。对我们大多数人来说，时间就是时钟的连续走时，一秒钟接着一秒钟，仿佛是无休无止；而空间则没有边际，仿佛是无穷无尽。但是，物理学家和天文学家总是试图认识支配物理世界的规律。对他们来说，空间和时间在含义上是密切相关的两个概念。从爱因斯坦时代起，空间和时间被看作是称之为时空的一种更为基本的实体的组成部分。为了说明这一概念，让我们来绘制一张从伦敦飞往芝加哥的飞机运动图。假定飞机的航线是平滑的，没有任何曲折，那么便可以用图1-1的方式来表示它的运动，一个方向表示时间，另一个方向表示飞行距离。描述旅行过程的这种图示方法，在物理学中称之为时空图。

当然，实际的航线不是完全平滑的。但是，附加上一些细节不会引起任何困难。我们可以把图1-1推广为更接近真实的形状，使用两维空间加上一维时间。两维空间可以用来表示飞机航线在经度和纬度上的变化。如果还希望表示出飞机离地面高度的变化，我们可以加上第三维空间。于是，一幅完整的时空图应当具有三维空间和一维时间。

这样一来，我们便从图1-1的简单概念（一维时间和一维空间）过渡到比较复杂的四维图概念（一维时间和三维空间）。在物理学家看来，宇宙的全部变化都在这个四维时空图上呈现出来了。

　 
重要的问题是，要注意到时空图和纯空间之间的差别，也就是如图1-2和图1-3所表示的差别。图1-2是一幅纯空间图，表示地球绕太阳的轨道，代表地球的黑点随着时间绕太阳运动。但是，这种思考方式有含混之处，因为它没有表示出空间运动和时间过程之间的联系。如果我们希望把时间过程清楚地表示出来，则必须如图1-3那样，在一幅综合的时空图上把地球轨道表示成一条螺旋线，太阳位于螺旋线的轴上。

这里，我们碰到了一个颇为奇妙的问题。实际上我们往往喜欢采用图1-2，而不是图1-3，原因是我们主观上重视时间的确定瞬间。设想图1-2代表某一个确定瞬间，而地球和太阳的其他轨道形态对应于另外一些确定瞬间。另一方面，图1-3中所表示的则是地球运动的整个历史，任何一个轨道形态都没有赋以特定的意义而单独地表示出来。图1-3中没有任何内容与现时瞬间概念有关。在物理学中通常都这样理解，即不存在表示现实的确定瞬间，所有的时间瞬间一起存在，而整个世界占有四维时空。

人们可能会认为，物理学家为了简单明了而舍去了有趣的细节。图1-1没有给出任何有关伦敦飞往芝加哥那架飞机的具体内容，耳机、鸡尾酒、机组人员、乘客全都不见了。物理学家对于这类指责的回答是，常规的描述毕竟十分有限，这类描述所提供的细节总归是远远不够的。什么算是鸡尾酒？人脑又是如何起作用的？物理学家在为这些深入一步的问题寻求答案，而如果我们硬要他们提供细节的话，那他们是完全可以用极其丰富的内容来做出回答的。