空间天体物理学毕业论文

已知水的密度，测其体积。

空间就是能量，能量就是物质，物质就是时间...没有什么都没有的空间，宇宙空间无穷大，宇宙能量无穷层，宇宙就一切，光速不是宇宙速度的上限，只是人类还没有认识到那种能量层次而已，但它确实存在，就在我们身边！还有，宇宙并不是由一个奇点爆开来的，而是由无穷层次的能量扭曲（假定的曲线玄）而成的，这些能量会相互作用形成一种规则之力，宇宙万物都遵行这个规则之力运行的！不同层次能量（或以“物质”的形态表现在我们眼前）会有不同的表现形式。当然能量层次是可以越迁的！我们可以凝聚我们可以直接或间接利用的能量（比如光能），假如我们无限制地凝聚光能，凝聚凝聚再凝聚，那么越迁能量层次终有时，当光能凝聚到一定程度，就会引爆深层次的能量形态越迁过来（总会有更加巨大的能量越迁到我们可以直接或间接可以利用的能量层次），这就是可以从所谓的“真空”中获取能量的能源机器啦！

为了纪念伟大的爱因斯坦发表改变世界的五篇论文一百周年，以及他逝世50周年，联合国大会在04年6月份一致通过决议把2005年定为“世界物理年”。 谈到物理学，首先要对物理学下一个定义。物理者，万物之理也。在英文中PHYSICS一词与PHYLOSOPHY（哲学）很相近，物理学最早被称为自然哲学，是哲学专门研究自然界的分支。这个概念最早可追溯到亚里士多德《物理学》一书，后来在牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》给了物理学的诞生时一个比较准确的定义：用数学工具解决自然哲学问题，即用数学了解整个自然界的运动规律。中国古代采用“格物至知”一词来定义这门学科，即采用分析的方法研究物质获得知识，与中国古代哲学重视整体统一性而严重忽略事物细节和内部规律的做法大相径庭。 从诞生的那一天起，物理学就通过对自然界五花八门千变万化的各种现象内在本质的探索来帮助人类认识这个世界，从而能改造这个世界。既然物理学追求的是物质世界的一切运动规律，那么从广义上讲，一切自然科学都是物理学。这中说法毫不过分，自然科学本身就是人类为了认识这个世界而发展起来的方法和知识体系，自然科学的其他分支诸如化学，生命科学，宇宙学（天文），地球科学（地理）等等研究领域都是自然界的一部分或是一个知识层面，只有物理学研究的是整个自然界，大到浩瀚宇宙小到基本粒子。相比于其他学科定性概念居多研究深度有限而言，物理学深入探索整个自然界一切现象的本质规律，并尽可能地使其数学定量化，其他自然科学学科领域最基础最本质的运动规律和产生现象的原因都要靠物理学来回答，因此从广义上讲一切自然科学都是广义上的物理学。 然而这并不意味着其他自然科学学科可以简单地并入物理学成为他的一个分支，系统科学的出现表明，很多宏观概念还原到微观本质上的物理学规律以后是不能准确地反映这个概念的，因为在微观还原过程中层层近似并且忽略了在微观情况下可以忽略而组成宏观系统后影响较大不能忽略的那部分因素，因此还原论只是寻找本质，而本质并不代表一切。在化学和生物学等学科中很多概念都是复杂系统特有而对单个粒子意义不大的性质，诸如PH值、反应速率、生态系统等等。物理学本身也有很多这样的概念，例如温度本质上虽然是分子平均动能的体现，但在实际研究中后者显然不能替代前者。 于是我们通常所说的物理学便是狭义上的物理学。探讨中国物理学的现状，首先要知道世界物理学的现状，因为中国物理学一直落后于西方，它的现状和发展很基本上是由世界物理学现状及发展所决定的。国内将物理学列为一级学科，其下有理论物理，粒子物理及原子核物理，原子分子物理，凝聚态物理，光学，声学，等离子体物理，无线电物理八个二级学科。从研究目的和方法上可以把物理学分为理论物理，实验物理和应用物理三个领域。其中粒子物理和原子核物理以及原子分子物理两个二级学科主要属于实验物理方面，而后五个二级学科大多研究方向以应用为主，可划归到应用物理领域。 理论物理本身可分为基础理论研究和应用理论研究两大部分，公众往往把这个小小的基础理论研究部分误认为是物理学本身了，这是因为从古到今成就物理学界耳熟能详的大师级人物基本都来自这个领域。基础理论研究就是一步一步深入探索寻找自然界最深层次的统一规律，它是整个物理学最前沿的最神秘也是最挑战人类智力的部分，其成果也是物理学最核心最辉煌的，这些成果包括历史上的牛顿力学，麦克斯韦电磁理论，到二十世纪初的相对论和量子力学以及目前的量子场论和超弦，现在研究基础理论的学者们都是在做量子场论（既结合了相对论之后更深入的量子理论）及在场论基础上发展起来的超弦假说。 大三时教我热统的老师曾说搞基础理论研究一般只有两个结果：一是是零，即成为后人成功的铺路石而终生默默无闻；另一个是无穷大，既成为诸如爱因斯坦、狄拉克、费曼、温博格或威藤等等那样的大师级人物。而能成为后者的毕竟是少数幸运天才，因此不但研究理论物理的人是所有研究物理的人中很少的一部分（小于5%，在中国应该更少），搞基础理论的人在研究理论物理的人中也只是少部分，剩下的一大半做的是应用理论研究，这其中包括凝聚态理论，量子光学，原子分子理论等等，它们大多采用现成的量子理论来解释各自领域的内在物理机制，与基础理论研究最大的区别是它们停留在原子（确切地说是核外电子）的层面上采用现有的量子理论解决问题，而对更深入的粒子本质不做探讨。由于应用理论研究很大程度上是对现有基础理论的复杂应用，于是它的研究方式不可避免地引入大量计算，甚至有人将计算物理看做物理学的又一分支。 谈完理论物理，下面说一说实验物理和应用物理。其实这两个领域并没有明显的界限，区别只是实验出的结果应用程度大小的问题。本文所说的实验物理主要是指高能物理（即粒子物理），他的实验目的不是以应用而是以验证基础理论是否正确为主，并希望通过高能实验的某些新现象来促进基础理论的发展，这个领域最重要也是最独特实验仪器便是“加速器”。建造加速器需要国家政府投入大量的财力物力而且在经济上很难得到回报，因此世界上除几个大国外其他国家都对它望而却步。由于加速器更新改进的财政困难使得国际粒子物理学研究陷入一个瓶颈，中国自然也不例外。这样客观上导致了中国研究高能物理的人与研究理论物理的人一道成为物理学界为数很少的小团体。 谈到这里我不得不提出一个事实，那就是搞物理的人绝大多数是在研究应用物理，即研究领域与人类生活密切相关，比较容易其将成果转化为应用技术的领域。在研究的过程中运用应用理论研究的成果来解决人类需要，并能反过来推动应用理论发展。 凝聚态物理是现在物理学最大的分支领域，所谓凝聚态是指物质固态和液态的统称。在地球上与人类生活密切相关的物质除了阳光和空气其余都是以凝聚态的形式存在，这足以看出研究凝聚态物理对人类的重要性。凝聚态物理最早的重大成就是半导体的发现及应用，它最后产生的社会价值想必不用我多说了，您只需看一眼身边这台电脑变见分晓。凝聚态物理最近有两个大名鼎鼎的热门方向，一个是“超导”，另一个是“纳米”，传媒上关于它们已经有很多的介绍，我就不再重复。其他领域诸如软物质，准晶体，磁学等等很可能酝酿着下一个重大的突破。可以肯定的是，作为物理学最大的分支方向，它已经逐渐发展为整个物理学的主干和中心，超过半数研究物理的人在这个领域辛勤地工作着为人类造福。 前面说过原子分子物理目前主要停留在实验物理学阶段，单个原子对人类的意义虽然没有多个原子形成的凝聚态物质重要，但既然一切物质除光以外都是由原子所构成。这个领域麻雀虽小却是五脏俱全，它与物理学乃至整个自然科学各个分支学科都有非常紧密的联系，而这些交叉领域恰恰是其最重要的应用领域。研究化学反应化合物本质的量子化学实质上就是分子物理学，研究DNA大分子的分子生物学实质上也是分子物理学的一个研究领域。由此可见这个学科的发展义对其他的自然科学学科有多么重大的意义。 光也许是世界上最神奇的东西了，难怪古希伯莱人认为上帝先创造了光然后创造的万物。通常人们爱把所有物质分为狭义的由原子分子组成的“物质”，以及由光子作为载体的“能量”。毫不夸张地说物质世界一切能量传递的过程都是靠传递光子完成的（如果广义相对论和量子场论标准模型正确的话）。例如声光电热磁，声音和热量本质上可还原为电磁相互作用，而电磁相互作用本质上就是靠电荷吸收辐射光子来完成的（QED）。因为光是一切能量的载体，量子力学中的“量子”实际上指的就是光量子，即光子。光速是一切速度的极限，光子可以转化为正反粒子对，也许对光的本质的研究会直接触及物质世界最深层次的奥秘。 然而光学的发展却完全偏离探索光本性的方向，光学目前是物理学最接近应用领域的一个分支，因为它的应用性太强了，在实际应用中即可成为能量的载体也可成为信息的载体。激光的发现重要性丝毫不亚于半导体，它使得光学发展为仅次于凝聚态物理的物理学第二大分支，并且目前比凝聚态物理更接近实际应用。这个分支的基础部分自然还是划归于物理学，但其应用研究部分很可能会继电子之后成为一门从物理学独立出去的学科。 其它的应用方向都是物理学比较小的分支，对于声学的情况我不是很了解，所以不敢枉加评论，但可以肯定的是它的研究领域集中在经典宏观领域，其学科特点更像是工科，声音对人类的重要性决定着这门学科的重要性。 等离子体是气体在极高温状态下形成的一种电离态，它跟原子分子物理联系的最为密切。虽然浩瀚宇宙中到处弥漫着等离子体构成的恒星，但由于在地球上很少出现所以对它的研究长期不受重视，直到受控核聚变的研究采用了激光约束等离子体的办法才使对等离子的研究有了十分重要的意义，一旦受控核聚变应用成功将一劳永逸解决人类能源问题。 谈到核聚变就要说说核物理了，核物理的核子（质子，中子）探索部分属于前面讲过的高能物理范畴，但它的应用部分对人类的影响却是更加深远。原子弹和氢弹的发明对人类是福是祸也许只有若干个世纪以后才会有最后的答案。除了巨大的能量之外，核物理的其他一些成果例如核磁共振以及中子散射等的应用对人类贡献也是十分重要的。 欧美国家习惯上都把天文学（宇宙学）纳入物理学的范畴，二十世纪在天文学领域有重大发现的几个人都获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的广义相对论巨大成就使得天体物理在理论上很难有新的东西出现，只有那神秘的黑洞一直激发着霍金等大师的无尽创造力。这个方向越来越像高能物理，成了一门观察实验物理学，一个深入最微观领域，一个畅游于最宏观的宇宙，他们源源不断地给基础理论物理学家提供数据，共同寻求着万物一理的统一答案。宇宙学最近由于暗物质和暗能量的出现激发着基础理论的大师们酝酿着一个新的突破。 以上简要介绍了现今物理学的现状及发展方向，希望能够消除读者对物理学的误解。物理专业的学生并不是出来都要像爱因斯坦一样从事世界最本质规律的探索，也不是都要像建国后老一辈物理家那样去大西北研究核武器。前面已经说过从事基础理论研究和从事核物理研究的人只是在物理专业的人中很少很少的一部分，大多数人都从事着凝聚态物理和光学这样与人类生产生活密切相关的领域做应用研究，现代物理学的主干和重心恰恰就是这些应用领域，整个世界都是如此。 国内的物理系一般把本科专业分为三个，即物理学，应用物理学，光信息科学技术。光信息专业自然是光学方向；应用物理学主要研究偏向工科的微电子，声学，微波无线电等方向，剩下的物理学专业俗称大物理今后主要研究方向是凝聚态物理学，少量会研究原子分子物理学以及相关的物理化学，其中每年只有很少几个人会选择理论物理或者高能物理核物理方向。 从广义上说物理学可泛指所有自然科学，从狭义上说物理学研究物质世界最基本最深入最普遍的东西，当其在某个层面知识领域发展出比较完善的理论基础以后，这个理论所发挥作用的领域便成为完全以应用为主的科学进而形成一门技术学科（工科）。例如：经典力学体系的完善产生了机械等专业；热力学的理论体系完善产生了热能等专业；麦克斯韦方程组的完善产生了电力、无线电、通讯工程等学科；半导体能带理论的完善产生了电子科学技术专业。那么从物理学中诞生出来下一个这样的学科将会是什么？毫无疑问将是光学，从光学理论基础来看，几何光学加上麦克斯韦方程组连同非线性光学的理论虽然远不足以解释光的本性，但对应用来说基本已足够，目前国家已经把光学工程列为一级学科正好说明了这个趋势。也许在不远的将来，凝聚态物理学的理论和实验趋于完善之时，它很可能也会独立成为一门应用技术学科，那么留给物理学的的仅剩下原子尺度及以下领域的探索了，研究物理学的人也许会变少，但这并不代表物理学会枯萎。物理学是自然科学之母，它的成果早已遍地开花深入到每一门学科的领域，并且一次次诞生新的学科来实现人类认识自然，改造自然的愿望。 如果看我帖子的人中，有今后有志于进入大学物理专业学习的高中生的话，我的奉劝是学物理是一个比想像中困难得多的过程，除了专业上四大力学等高深理论需要花费大量时间去理解外，在生活中真正想融入这个专业也要耐的住寂寞。一般国内高校较知名的物理系除了个别师范院校外，大多男女生比例高打7：1到8：1。当然我希望更多的优秀高中毕业生投入到这个专业中来，因为前面已经说过，学物理的人只有极少数在搞高深的基础理论和恐怖的高能实验，大多数人在研究凝聚态和光学等倾向于应用的方向，如今交叉学科领域成果层出不穷，很多地方都是无人开采的金矿。而具备雄厚物理理论基础并从事应用方向研究的人在这些领域最容易做出成果，成就自己的事业。顺便提一句，研究物理只会让你的理性思维变得更强，并不会对你感性的一面构成明显伤害，由于国内多年片面的宣传使得物理学家们有了一种被神化同时又被妖魔化的感觉。其实物理学家也是人，有着正常人的喜怒哀乐爱恨情仇，有着正常人的一切人性特点，他们是最正常不过的人，只是由于社会分工的不同使他们走上了探索大自然奥秘来改善人类生活的道路。杨振宁82岁高龄同样可以娶28岁的妻子新闻正好说明了这一点。 对于高中正在进行中学物理学习的学生，我想告诉你们一个事实，那就是大学物理和中学物理基本上完全是两回事，中学物理学的好坏可能对你在大学普通物理（理工科任何专业都要学的物理基础课）力学部分的课程稍微有一点影响，但对于物理学专业来讲，中学物理的内容可以近似为零忽略不计。如果某位同学因为看了“第一推动丛书”等优秀的科普读物，或者因为其他原因从而喜欢上探索自然奥秘的基础理论物理的话，如果你仍然对它有或一样的激情，那么我奉劝你选择物理专业。即使因为4年的专业学习觉得大自然远远比你想像的神秘从而放弃基础理论转向应用研究方向的话（绝大多数物理专业学生最终会这样），你毕竟对自然界的规律和各种现象产生的原因有了比别人更深的理解。可是现实中往往是一些没有或很少有物理专业背景的人却对探索自然奥秘有着火一样的热情，这样的结果导致这些人成了物理学的民科（民间科学家），使得各个论坛科学版上类似于“驳倒相对论，我超越爱因斯坦了……我发现了惊世定律……”等等等等民科的垃圾文章层出不穷。当然我不是反对民科，他们也许可能在一些应用技术方面能有少许的创新和贡献，这些人都是在表面上认识了几个理论物理的词汇却根本不明白它的含义，然后通过整天的胡思乱想用他们编造出了毫无用处离物理学研究十万八千里的一堆“原理”、“定律”甚至还有出版社为之出书，这些人不但浪费是在浪费自己的时间，也是在浪费读者的饿时间，从这上面来看中国的科普工作还任重道远，而物理专业的人才对自然的认识比其它专业要深刻得多使他们更能胜任这一角色。

一个月前读了尼尔泰森的《给忙碌者的天体物理学》，终于在黑暗的考试月后，整理出来。在对话宇宙的过程，我们能否从生命起源的最初，去更好的认清自己，和这个世界的联系。 关于宇宙，你应该知道的常识有3个： 1.宇宙起源于137亿年前的一次“大爆炸”。 2.在引力平衡的前提下，宇宙存在暗物质，但目前还没有观察到。 3.宇宙也存在暗能量，正是这个暗能量，让宇宙加速膨胀！（暗物质和暗能量对于我们而言，现在还是个谜） 为了不让我自己写不下去，我尽量挑有趣的现象着墨，同时，我们可以来一道开胃菜：这是一张在地球上、晚上拍摄的太阳照片。注意，晚上，太阳可是在地球的另一面。物理学家把照相机镜头向下，透过地球，拍到了太阳！那是因为这张照片拍的不是太阳光，而是太阳发射的中微子。中微子，是最难跟任何仪器发生相互作用的东西，它们横穿整个地球都畅通无阻……但最终还是被物理学家捕捉到了。 所以只要暗物质存在，物理学家就一定有办法“看到”它。 以下是几个耳能详熟，但又不太容易理解的概念，我认为你应该知道。 1.广义相对论 牛顿的万有引力定律是个非常漂亮、也相当精确的理论，但是它有一个本质的缺陷。牛顿引力是一种“超距作用”。这里有个质量很大的物体，你立即就感受到它的引力 —— 可是这个力是怎么传播的呢？连光速都有限，引力信息难道能瞬间到达吗？牛顿自己也意识到了这个问题，但是他没办法。 直到1916年，爱因斯坦提出广义相对论。爱因斯坦说，你可以把引力当成是空间的弯曲。用一句话概括他的思想，就是“物质告诉空间怎么弯曲，空间告诉物质怎么运动。”大质量物体改变它周围空间的弯曲程度，其他物体根据感受到的弯曲空间运动，引力不再是超距作用了，它通过空间传递。 因为引力是一个可传递的东西，广义相对论马上就预言了“引力波”的存在。然后等到2016年，物理学家果然观测到了引力波。 咱们想想这件事吧。十三亿年以前，在距离地球十三亿光年远的地方，有两个黑洞发生了碰撞。这次碰撞带来的引力波，向全宇宙传播。碰撞发生的时候，地球上只有一些最原始的单细胞生物。引力波慢慢传递过来……在此期间，地球上演化出了智人、智人有了文化、爱因斯坦出生，写下了广义相对论的引力场方程……然后一直到2016年，也就是碰撞发生十三亿年以后，我们截获了这个引力波！ .2.宇宙膨胀 我先来解释一下，“宇宙膨胀”到底是什么意思。 宇宙大爆炸和寻常一颗炸弹的爆炸可不一样，大爆炸带来的膨胀，是空间本身的膨胀。广义相对论认为“空间”并不是一片虚空，而是一个可以传播引力、可以变形可以弯曲的实实在在的东西。 在宇宙起源之前，时空根本不存在。大爆炸以后空间膨胀了，日月星辰才有了在其中玩耍的场所。我们可以把空间想象成一张实实在在的网 —— 所有东西都是放在这张网上，而网本身可以变大。 3.哈勃改变了世界观 到了1929年，美国天文学家哈勃迎来一个改变世界观的时刻。当时哈勃对银河系以外那些广阔空间中的星系，做了一个系统性的观测。他发现，星系发出的光的光谱，有一个往红端的移动。 这就是所谓“红移”，也就是频率都变小了一些。这种现象我们在生活中也能遇到。波动都是这样的，当这个物体向你跑过来的时候，它的频率会增加；当这个物体离你而去的时候，他的频率会减少。 比如一个火车鸣笛，如果是火车面向你开过来，你会觉得鸣笛声音更尖锐一点；如果是火车是离你而去，你会觉得鸣笛声音更低沉。 那星系光谱的红移就只能说明一个问题：所有这些远方的星系，都在离我们而去。而且通过精确测量各个星系光谱红移的程度，哈勃还发现，这些星系离我们而去的速度，和它们到我们的距离成正比。 这就好比说你站在一个大广场上，你发现周围所有人都在离你而去，而且距离你越远的人，跑得越快！ 哈勃发现的，就是宇宙正在膨胀。 科学家再通过超新星亮度算的实际距离，比用宇宙膨胀历史算的距离长了15%。这就意味着，宇宙膨胀不但没有减速，而且还加速了！ 这个发现历经检验确认无疑，最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。 如果以上的知识太过于枯燥，你可以直接看这一段： 暗能量是真空中的能量。宇宙越膨胀，真空越大，暗能量就越大。现在物理学家知道，在50亿年以前，暗能量的比例达到一定数值，宇宙就已经开始加速膨胀了。 而随着空间越来越大，暗能量越来越多，宇宙膨胀的加速度也会越来越大。这就意味着远方的星系是以越来越快的速度离我们而去，不可能再回头。 物理学家计算，再过一万亿年，除了银河系以外，我们的天空中将会再也看不到其他的星星。 如果我们这个文明不能把现在关于宇宙的知识流传到那个时候，如果那时候还有智慧生命的话，那时的天文学家将会认为宇宙里就只有一个银河系。他们的宇宙观会跟我们很不一样，他们将无从知道宇宙里其实有那么多星系！ 因为缺少关键信息，他们永远都想不到宇宙曾经有过这样的历史。 但是还有更可怕的。泰森说他做了一个噩梦。如果说一万亿年以后的人缺少关键信息，那么我们这一代人，是不是也缺少了某些关键信息，以至于有关这个宇宙，有些东西是我们永远都不能理解的呢？ 要知道，这个宇宙根本没有义务让你理解。 宇宙观： 我们这个宇宙不太可能是一场计算机模拟游戏。因为如果你只是为了哄地球人玩，模拟这么一个世界的话，你完全没有必要把宇宙场景设定得这么大。如果宇宙的绝大部分是我们永远都不可能访问的，那那些遥远星系的存在对我们到底有什么意义呢？ 宇宙学视角的一个重要意义就是让我们谦卑一点。 泰森说，比如你观察小孩。小孩总是把身边一点小事儿当成天大的事儿。玩具坏了，他就哭闹。膝盖擦破一点皮，他就大喊大叫。他们以为自己是世界的中心，因为他们经验太少，不知道世界上有比这些大得多的事儿。 那我们作为大人，是不是也有同样幼稚的想法呢？我们是不是也会不自觉地认为世界应该绕着自己转呢？别人跟你信仰不同，你就要打击；别人跟你政治观点不一样，你就想控制。如果你有点宇宙学视角，你可能会觉得人跟人的区别不但不是坏事，反而还值得珍视。 探索宇宙可能会给我们带来一些实际的物质好处，也可能纯粹是因为有趣。 但是泰森说，探索宇宙还有一个功能，就是让我们保持把眼光放远的态度。 如果你只看自己这一亩三分地，你慢慢总会认为世界就应该绕着你转，你一定会变得无知和自大。愿意向外探索，实在是事关谦卑的美德。 好在我们这个宇宙没有义务让我们理解。它现在还充满未知！ 最后让我们再看一张图片这是一张著名的照片。1990年，旅行者1号探测器即将飞出太阳系的时候，在距离地球60亿公里的地方，美国国家航空航天局命令它回头再看一眼，拍摄了60张照片。照片上的光带是相机镜头反射的太阳光。其中的这一张上正好包括了地球 —— 就是图中那个亮点这就是我们的家！泰森的老师，天体物理学家、也是著名的科学作家卡尔·萨根，看了这张照片非常感慨，他在1996年的一个颁发学位典礼上就此说过一段非常著名的话： 这本书无疑激起了我对宇宙的的向往，而这种向往在长大以后，就再也没有被想起来了。越长大越生活在小小的个体里，能了解到宇宙的历史宏伟之后，方知道作为个体的渺小。心存敬畏，时常感恩。