天体物理学

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哈柏超深空是以可見光拍攝的最深遠的宇宙影象之一。

天體物理學是研究宇宙的物理學,這包括星體的物理性質(光度密度溫度化學成分等等)和星體與星體彼此之間的交互作用。應用物理理論與方法,天體物理學探討恆星結構恆星演化太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題。由於天體物理學是一門很廣泛的學問,天文物理學家通常應用很多不同的學術領域,包括力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學等等。由於近代跨學科的發展,與化學、生物、歷史、計算機、工程、古生物學、考古學、氣象學等學科的混合,天體物理學目前大小分支大約三百到五百門主要專業分支,成為物理學當中最前沿的龐大領導學科,是引領近代科學及科技重大發展的前導科學,同時也是歷史最悠久的古老傳統科學。

天體物理實驗數據大多數是依賴觀測電磁輻射獲得。比較冷的星體,像星際物質星際雲會發射無線電波。大爆炸後,經過紅移,遺留下來的微波,稱為宇宙微波背景輻射。研究這些微波需要非常大的無線電望遠鏡。

太空探索大大地擴展了天文學的疆界。由於地球大氣層的干擾,紅外線紫外線伽瑪射線X射線天文學必須使用人造衛星在地球大氣層外做觀測實驗。

光學天文學通常使用加裝電荷耦合元件光譜儀的望遠鏡來做觀測。由於大氣層會干涉觀測數據的品質,還必須配備調適光學系統,或使用太空望遠鏡,才能得到最優良的影像。在這頻域裏,恆星的可見度非常高。藉著觀測化學頻譜,可以分析恆星星系星雲的化學成份。

理論天體物理學家的工具包括分析模型計算機模擬。天文過程的分析模型時常能使學者更深刻地理解內中奧妙;計算機模擬可以顯現出一些非常複雜的現象或效應。

大爆炸模型的兩個理論棟樑是廣義相對論宇宙學原理。由於太初核合成理論的成功和宇宙微波背景輻射實驗證實,科學家確定大爆炸模型是正確無誤。最近,學者又創立了ΛCDM模型來解釋宇宙的演化,這模型涵蓋了宇宙暴胀cosmic inflation)、暗能量暗物質等等概念。

理論天體物理學家及實測天體物理學家分別扮演這門學科當中的兩大主力研究者,兩者專業分工。理論天體物理學家通常扮演大膽假設的研究者,理論不斷推陳出新,對於數據的驗證關心程度較低,假設程度太高時,經常會演變成偽科學,一般都是天體物理學研究者當中的激進人士。實測天體物理學家通常本身精通理論天體物理,在相當程度上來說也有能力自行發展理論,扮演小心求證的研究者,通常是物理實證主義的奉行者,只相信觀測數據,經常對理論天體物理學所提出的假說進行證偽或證實的活動,一般都是天體物理學研究者當中的保守人士。

歷史[编辑]

天文學的歷史紀錄雖然很久遠,但是它長期以來都跟物理學分開,直到物理學發展才開始結合起來,主要發展的目的是曆法。

天文學在歷史當中,中國、歐洲、非洲、中東、印度、美洲都有獨立的發展歷史,其中以中國的歷史紀錄長度最久,但是中國並沒有發展出天體物理學,最早有天體物理學研究的紀錄是印度。

天文學在古代歷史上的發展分支:

  • 中國古代天文學
    • 中原地區天文學
    • 西南地區天文學
    • 北部地區天文學
    • 少數民族天文學
  • 印度古代天文學
  • 非洲古代天文學
    • 埃及古代天文學
    • 非洲部落天文學
  • 近東古代天文學
    • 兩河流域天文學
      • 美索不達米亞天文學
      • 巴比倫天文學
    • 阿拉伯天文學
      • 巴格達學派
      • 開羅學派
      • 西阿拉伯學派
  • 美洲古代天文學
    • 瑪雅天文學
  • 歐洲古代天文學
    • 希臘古代天文學

也有一種看法認為非洲古代天文學、兩河流域天文學及美洲古代天文學都是由傳說中的姆大陆亞特蘭提斯所流傳而來的,但是這項說法缺乏考古學上的證據,雖無法證偽,但也無法證實。歐洲天文學主要源自於非洲古代天文學及兩河流域天文學,現代天體物理學是由歐洲天文學建立起來的。

中國古代天文學[编辑]

中國古代研究天文學的目的主要是曆法、占卦及氣象,用途多數是封建時代的權威創造或製造傳說。由於中國封建制度維持相當長久,因此擁有全球歷史上最完整的天文記錄。

中國天文學史最早可達四千年以前,並且是首個計算出木星週期的民族,木星在古代中國稱為「歲星」,占卦用途的重要輔星。由西元前十八世紀起,中國歷朝各代均有專屬的正式天文觀測單位,其特色是精於記錄,善於利用於政治目的,並發展過一百多種曆法,同時對哈雷彗星記錄多達31次,對於天象的紀錄,項目種類繁多,由日食、月食、彗星、流星、太陽黑子等等,不一而足,甚至詳細至許多不明飛行物體的記載,是世界上最豐富完整的天文記錄。唯獨中國古代天文學不求其背景發生原因,僅用於政治目的,因此,四千年來從未有任何實質上的科學進展。由於記錄詳細,現代多數將中國古代天文記錄用於歷史天文學當中的考證,用以補足歐洲因黑暗時代所造成的大破壞時期的天文資料不足。

中國的天文記錄依地區又可分成中原地區、西南地區及北部地區天文記錄:

  • 中原地區:主要由漢族記載,長度約四千年,是全球天文史當中最完整的記載。
  • 西南地區:主要由彞族及藏族記載。
  • 北部地區:主要由蒙古及韃靼族記載。

中國天文學的發展,由於長期的政教分離制,未曾受到宗教的影響,發展上記錄客觀詳實,由於皇權及政治上的需求,數千年以來不曾中斷也不曾進步。此外,少數民族的天文學史亦相當的發達。

中國古代天體物理學[编辑]

據考證,古代中國曾經有兩批人企圖建立如同歐洲的現代物理學,分別是戰國時代的墨家及宋明理學家。墨家因戰亂而導致所有文獻遺失,宋明理學家則因政治壓迫而沒有繼續發展下去,因而尚失科技發展的先機。道家則是對天體運行只提出說法,並無發展驗證手段,不能列入科學發展的範圍內。

中國、印度及非洲是最早有太陽系結構推測記錄的地區文明。

印度古代天文學[编辑]

印度古代天文學,在最早期的吠陀經當中便有零星的記載。

非洲古代天文學[编辑]

非洲古代天文學主要分成埃及古代天文學及部落天文學兩個分支。埃及古代天文學本身有發展的歷史紀錄,非洲部分地區的部落天文學則大異其趣,有許多根本上不可能發現的精準天文知識,加上鄰近地區近代發現的藍種人、綠種人、鴕鳥人及法老王系的人種變異,此外與瑪雅曆法同源的天狼星曆法,使得許多學者認為這些部落有其他的高級文明影響而制定這些大異其趣的天文學及曆法。

近東古代天文學[编辑]

近東古代天文學分成阿拉伯天文學及兩河流域天文學。

兩河流域天文學最早由蘇美人於大洪水後所開始發展,前後發展出美索不達米亞天文學及巴比倫天文學。

美索不達米亞天文學是有記載以來的最古老的天文學,估計約公元前三十世紀的後期就已經有了曆法,距今大約五千年。

阿拉伯天文學一般也稱穆斯林天文學,公元七世紀伊斯蘭教興起後 直到十五世紀左右各伊斯蘭文化地區的天文學。阿拉伯天文學大體形成了三個學派,即巴格達學派、開羅學派和西阿拉伯學派。

美洲古代天文學[编辑]

美洲古代天文學主要指的是印加民族天文學,其中包含了瑪雅族的瑪雅曆

美洲地區的某些部分天文學與非洲地區的部落天文學似乎有背景共通條件,被懷疑是全新世後五千年當中,有歷史記載之前的消失文明所創造而流傳下來的天文學,而且被普遍懷疑並非由地球上發展出來的天文學,特別是天狼星曆法。

歐洲天文學[编辑]

歐洲天文學主要來自於希臘古代天文學,一般認為希臘古代天文學受到非洲及近東的天文學影響很深。此外,北歐神話體系當中,亦有少量的天文學含量。

亞里斯多德學派的世界觀認為,天體世界在天空傾向於完美物體,理應為球形。

實測天體物理[编辑]

現代天體物理的發展方式多數採取物理數學的方法,先發展相關理論,然後再透過實測天體物理學的技術手段來驗證,並且透過觀測數據來修正理論上的缺失,因此常常會看到由於實測天體物理技術的發展,事後發現理論天體物理的陳述荒唐到完全無法吻合的現象,進而全面修正理論天體物理的模型。實測天體物理扮演天體物理當中最重要的把關及驗證,因此,理論天體物理上的蓋棺論定一向是由實測天體物理來執行,這也使得實測天體物理學家多數都是這個領域當中最保守的菁英人士在運行。

實測天體物理目前持有全球最尖端的科技來進行研究,技術的演進,天體物理實驗數據已經可以採取多種管道獲得,包含了地面各類望遠鏡、太空望遠鏡及太空探測器。此外,由於需求的緣故,實測天體物理學家是目前建造超級電腦的最積極人士,全球最尖端的超級電腦有大批是由實測天體物理學家所建造及持有,其次則是高能物理學家所建造及持有,多數的實測天體物理學家同時也是電腦專家及理論物理學家,經常會透過全球虛擬天文台的數據互換來進行研究,超級運算的領域當中,有許多出身於實測天體物理學的工作者。

地面望遠鏡[编辑]

  • 射電天體物理學通常使用數毫米的波長來研究天體,是實測天體物理學研究當中最主要的重要研究手段。例如研究星間氣體的冷物質及塵埃、宇宙微波背景輻射、紅位移、波霎,這樣的研究通常需要超大型無線電望遠鏡陣列。
  • 紅外線天體物理學通常使用可見光以外的長波來研究天體。紅外線觀測通常使用類似光學望遠鏡的構造,冷光天體通常使用紅外線來探測,例如系外行星探測。

太空望遠鏡[编辑]

由於大氣層會干涉觀測,在太空中進行觀測可以取得比較無干擾的數據,太空望遠鏡成為最佳的探測方式之一。

太空探測器[编辑]

目前全球各國已經發射數百個太空探測器在太空中進行天體物理研究。

全球虛擬天文台[编辑]

由於互聯網的成熟,目前大部分實測天體物理學家都可以透過全球連線的虛擬天文台來獲取天文數據,並且在任意舒適的地點進行數據分析研究,目前的天文數據庫數量驚人,尚未進行分析的天文數據,估計可供研究達數百年。僅星系照片便達數千萬顆,95%以上均尚未分類,大部分都還沒有進行過初級的辨識分析,絕大多數的已知星體均尚未進行測距。

其他種類的觀測技術[编辑]

  • 重力波觀測
  • 中微子觀測
  • 宇宙射線觀測
  • 太陽物理觀測

數據分析[编辑]

現代由於觀測數據過於龐大,估計數百年內都無法分析完成,實測天體物理學家亦開始分工進行數據分析,分為專職進行觀測的研究者及專職進行數據分析的研究者,分工項目相當的細密,並且多數使用分散式運算或超級電腦來進行分析,目前通常一批觀測數據都要處理多年才能完成,往往某類天文重大發現都是在兩三年以前就已經取得觀測數據。

理論天體物理[编辑]

理論天體物理學的起點可由十六世紀開始計算起,絕大多數的理論提出係以「物理建模方法」提出假設,建立物理模型,驗證方法則多數以「波普爾論證法」來進行確認,主要採取「證實主義」或「證偽主義」兩種手法交錯並用。理論的狀態多數有以下幾種:

  • 全部理論證實:目前不存在。
  • 部份理論證實:例如「廣義相對論」及「牛頓力學」。
  • 理論證偽:為數龐大,例如,中國的「混天說」。
  • 技術力無法驗證理論:例如,「黑洞理論」及「夸克星」,通常都是理論當中存在尚未驗證的物理假說。
  • 理論錯判證實:例如,「牛頓力學」曾經被錯判證實。「夸克星」則曾經有兩年的時間被認為已經找到(SN1987A,約1989-1990年之間被錯誤地認為存在夸克星)。
  • 偽科學:數量龐大的民間學說,例如一整批以科幻小說為基礎的幻想學說、科普及神學天體物理,通常的特徵是理論自身不自洽。例如,「星際之門虫洞物理」,「星際之門」當中的「虫洞物理」與現實研究中的「虫洞物理」差距非常地大,而目前現實中的「虫洞物理」,實際也並未被列入合格的天體物理理論,實際的「虫洞物理」認為「虫洞」的大小如果小於一光年,則無任何可能傳送任何物質進行太空旅行,「星際之門虫洞物理」與此差距極大,而開啟虫洞頸部的維持能量是「負能量」,「星際之門虫洞物理」卻是使用「正能量」來維持,「量子蟲洞」是採用「虛粒子對交互作用」來維持「量子蟲洞」的恆穩態,能夠穿透「量子蟲洞」的只有超流體,而「星際之門虫洞物理」卻是什麼物質都可以傳送。事實上兩者的說法都沒有經過檢驗。
  • 未經檢驗的假說:例如,「人造月球假說」及「平行宇宙」與一整批與霍金宣稱有關的說法。由於通俗易懂、貌似合理,檢驗方法卻需要耗費大量金錢,因而大批未經檢驗的假說在民間流傳,被誤認為已經檢驗的正統科學,透過大眾文化傳播,成為非專業信徒型學科。

絕大多數的天體物理理論都處於「部份理論證實」及「技術力無法驗證理論」的狀態,基本的過濾方式是「證實方法」或「證偽方法」,持續過濾到每一個步驟都與數據吻合。

現代理論天體物理學家使用多樣的研究工具,包含了分析模型及計算機數值模擬,分析模型可以提供每一個步驟是否吻合現行或假設的物理定律,計算機數值模擬則主要用於推算出物理數學模型是否有矛盾之處。理論天體物理學家致力於發展理論模型以便理解這些模型與觀測的擬合程度,這可以使觀測者證實或證偽某個模型是否正確,並且從模型當中選擇一個恰當的理論來說明觀測數據。

一旦某個物理模型大體上被驗證,實測天體物理學家就會依據該模型輸入觀測資料,一旦發現某些不吻合之處,該理論就會進行修正,直到全面吻合,所有觀測數據都合乎理論預測以後,便可稱該理論為已經證實的天體物理理論。如果,理論與數據有大批不吻合,該理論會先被限定為有限理論,一直到發展出其他可以全面吻合的理論以後,該理論會被廢棄掉。

理論天體物理研究的範圍非常地廣泛,包含了:「星體動力」、「星體演化」、「銀河生成及演化」、「電磁動力」、「廣義相對論」、「宇宙學」、「弦宇宙論」、「天體粒子物理」、「重力波」、「宇宙生命」、「宇宙航行」、「宇宙通訊」等等,課題包羅萬象。

某些廣為人知而被深入研究的驗證理論,諸如「Λ-CDM模型」、「大爆炸理論」、「宇宙膨脹」及一整批的基本物理定律。諸如「黑洞」、「虫洞」等等,都是尚未被驗證的理論。

理論天體物理並非真正的科學,它扮演科學進程當中的「大膽假設」,有時候會因為過度地使用假設而導致「偽科學」結論,發展的過程當中會發生大量錯誤及後續修正,未經求證過程的天體理論是不能被稱為科學理論的,目前有大量的天體物理理論是處於並未求證而被廣泛流傳的,最著名的誤解之一即為「黑洞已經驗證存在」,實際上是完全錯誤的科普誤導。會發生這種情形的根源多數出於領域當中的大師或名人之說,由於大眾文化出於經濟動力對於「宣傳性造星」有需求,因此將大師或名人未經檢驗的假說斷章取義地進行強力宣傳,而事後卻發現假說根本尚未經過檢驗。

歷史天體物理[编辑]

歷史天體物理學主要利用古代歷史記錄、古溫及古地質還原天體狀態,用於古生物學、地質學、考古學及部分天體物理學說的驗證上,這門學科近年來逐漸成為天體物理當中一門重要的學科,有相當程度的實用性。

由於天體運動具有不可逆算性,天體撞擊會導致原有的軌道痕跡完全消失而無法進行逆計算,天體狀態的還原精確度通常只能回算到一定的年代為止,年代較久遠的逆運算只能透過古溫粗略計算地球軌道位置,用於估計地質年代當中的古溫及軌道影響。

考古學方面,年代在全新世以內的天文年代學近年來成為相當重要的參考,使用於計算古代氣候變化對於社會發展的影響幫助非常的大。例如,古代大洪水的考證問題上,天文年代學及地質學成為最重要的參考依據。

分支學科[编辑]

按照研究方法分:

與天體物理相關的跨學科分支學科,可分為: