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主讲人简介
何香涛,北京师范大学天文系教授,北京天文协会理事长,中国天文协会副理事长,毕业于北京师范大学物理系,毕业后留校任教至今。何教授对各种天体现象有很深的造诣。
内容简介
今天我向大家介绍的是天上的一种星叫做脉冲星,我们说脉冲星,最早预言是在上一个世纪的30年代,大家知道,原子核是由质子和中子组成的,外边是电子围绕着旋转,那么大家知道,这个质子带的是正电,外边这个电子带的是负电,怎么形成中子呢,只要电子和质子合并在一起,那就变成了中子,换句话说,如果有人力气特别大,把这个原子的电子给它压回到原子核里边去,那就说,电子和质子合在一起,也变成了中子,那我们这个原子就不再存在了,而变成了光有一个核的中子的核,那这样的话,岂不是电子和质子都变成中子了吗,所以这个想法非常有意义。上一个世纪的30年代,英国的卡文迪史实验室,发现了中子以后,在哥本哈根一些年轻的物理学家讨论,预言了中子星的存在,那么主要的预言者就是前苏联的著名物理学家叫做朗道。朗道预言了中子星的存在,最终,在一次实验检查中发现了脉冲星的信号,不仅从理论上,而且从实际观测中也证实了脉冲星的存在。
我们这个宇宙上的所有的东西都在向老的方向发展,宇宙中的星球也都在向“死亡”的方向发展,我们的太阳也在走向灭亡,也会爆发,但是我们人类是有智慧的生物,我相信等不到太阳爆发,我们地球上巨大的宇宙飞船都把大家载到宇宙上去,我们找另外一个太阳,那个太阳既年轻,环境又好,所以我们搬到另外一个星球上生活,那过的生活比在地球上可能更好,这就需要我们大家、科学家努力。
全文
大家好,今天我向大家介绍的是天上的一种星叫做脉冲星,大家知道天上的星星数也数不清,那么多星星,为什么挑出脉冲星来给大家介绍呢,主要的原因之一,就是脉冲星非常重要,我们说在科学上,这件事情重要不重要,一个很重要的标志,就是要获得诺贝尔奖金,天文学自己没有独立的诺贝尔奖金,而是把天文学的诺贝尔奖金,和物理学合在一起,那么物理学家把天文学合进来的时候,觉得天文学家也不一定能得到分到多少诺贝尔奖金,但是从上一个世纪60年代开始,天文学连连续续有很多巨大的发明,其中之一就是脉冲星的发现,我们会看到脉冲星发现不久,就给了诺贝尔奖金,不仅如此,这个脉冲星得了一个诺贝尔奖金还不够,很快,到了上一个世纪的90年代,又获得一个诺贝尔奖金,所以这一种星就获得两个诺贝尔奖金,可见这个星特别的重要,但是从另一方面,我想在座的,对于脉冲星都比较陌生,所以我加了一个标题,叫做神秘的脉冲星,我希望通过今天的讲座,一方面大家了解脉冲星怎么重要,另外呢,能够把脉冲星的神秘的面纱给它揭开。
我们说脉冲星,最早预言是在上一个世纪的30年代,大家知道,脉冲星的预言首先是由理论学家来预言的,我们谈脉冲星,首先应该从物质的结构来谈起,上一个世纪的30年代,那个时候,大家对于物质的结构就有了认识,什么认识呢,就说物质都是由原子组成的,原子再组成分子,最后组成各种物质,而对于原子有一个基本的认识,就说原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子来组成的,我打一个比方,假如说我就是一个原子核,站在北京,那么原子核的尺寸大约是1米,围绕原子核的电子在什么地方呢,要在140公里之外,也就是说,如果我站在这个地方,在北京,那么围绕我这个原子核的电子就在天津,就这么远,这就是原子的结构,那么到了上一个世纪的30年代,就发现了一个很重要的物理的基本粒子,叫做中子,这个中子是1932年由英国的卡文迪史实验室发现的,我们说组成原子核,原来认为主要是由质子组成的,外边是由电子围绕的,卡文迪史发现中子以后,就发现了原子核,实际上由两种物质组成的,一个是质子,一个是中子,也就是说,原子核是由质子和中子加在一起组成的,外边围绕的是电子,这件事情本来很普通,但是当时,一些物理学家就在讨论,中子发现以后有没有什么重要的,或者是深奥的物理意义,有没有应用前景。
我们知道,上一个世纪原子研究的中心之一,是在丹麦,丹麦的哥本哈根,大家知道原子核的模型,是由上一个世纪著名的物理学家玻尔首先提出来的,中间有个原子核,外边有个电子来旋转,所以在哥本哈根这个小组里边,就在热烈地讨论,那么中子发现以后有没有深远的意义,当时有个年轻的留学生,是从前苏联到哥本哈根来学习的,他叫朗道,朗道就想到。
如果我们的原子核是由质子和中子组成的,外边是电子围绕着旋转,那么大家知道,这个质子带的是正电,外边这个电子带的是负电,怎么形成中子呢,只要电子和质子合并在一起,那就变成了中子,换句话说,如果有人力气特别大,把这个原子的电子给它压回到原子核里边去,那就说,电子和质子合在一起,也变成了中子,那我们这个原子就不再存在了,而变成了光有一个核的中子的核,那这样的话,岂不是电子和质子都变成中子了吗,所以这个想法非常有意义,有意义在什么地方呢,就是说有可能把我们的物质压得特别密集,一直压缩成只有原子核,而这个原子核呢,完全由中子组成的,我们打个比方,比方你去买一件东西,买一件家具甚至说你盖一座大楼,如果从天文学家的角度来看,这里边全是空的,为什么呢,因为你组成的最基本的东西是原子,而原子核加上外边的电子,如果说你把这个大楼给我压缩一下,全压缩成中子,那这个大楼就一点点,小得可怜,非常小一点,那你说了,你说我不要这座大楼,我把空的东西都给它压掉,都变成一个中子组成的大楼,那岂不是要简单得多了吗,如果一个聪明的地产商就会说,好了,你要想买这样的大楼,也可以,请你把这个电子都给我压到原子核里边去,这个压起来太困难,事实上来讲在地球上面是做不到的,那么朗道我想到,地球上做不到的事情在天上能不能做到呢,因为天上的事情跟地面上有很大的区别,它有各种的物理条件,可以是高温的,可以是高压的,可以是高密(度)的,可以是非常强的磁场,所以就想到,天上有可能造成一种物理环境,把这个电子,都压到原子核里边去,然后呢,质子和电子都合成中子,这样的话,我这样一个天体,就变得没有了质子,没有了电子,只有中子,而且非常非常密集,那么这样一个星是什么星呢,完全由中子组成的,就叫做中子星,这就是上一个世纪的30年代,英国的卡文迪史实验室,发现了中子以后,在哥本哈根一些年轻的物理学家讨论,预言了中子星的存在,那么主要的预言者就是前苏联的著名物理学家叫做朗道。
这就是卡文迪史实验室,这是我访问英国的时候,站在前面照了一张相,因为实验室非常有名,做了很多的重要的实验,那么这个实验室呢,里边出了好多个诺贝尔奖金的获得者,那这件事情,预言完以后,是上一个世纪的30年代,预言完以后,天文学家很有兴趣,就说我到天上找一找,看看能不能找到朗道预言的这个中子星,左找右找,找了很长时间都没有找到,毫无踪影,也就是说,找这个中子星太困难,那么找来找去,在一个意外的场合被发现了,我们看一下怎么个意外的场合发现的,大家知道第二次世界大战以后,英国的射电天文学非常发达,什么叫射电天文学呢,就是无线电天文学,因为英国在战争时期它有好多雷达设备,二次世界大战的时候跟德国战争的时候,雷达设备很先进,那么二次世界大战以后,英国这些雷达设备的工作者很多都转过来搞天文,这种天文学我们管它叫做射电天文学,在这个天文学里从事研究的呢,其中有一个研究者叫做休依什,他在研究什么呢,想通过射电天文来研究太阳的闪烁现象,我们看上去太阳非常明亮,这是发的光,除此之外太阳还向我们吹风,吹的风叫做太阳风,那么太阳风有很多重要的意义,而且太阳风呢,实际上不是非常频繁的,那么吹的,而是说呢,真像刮风一样,一阵阵的刮来,而且太阳风里边有些现象叫做闪烁现象,也就是说,有起伏,他要研究太阳风里边的闪烁现象,怎么研究呢,就把无线电望远镜对上太阳背后的浩瀚的宇宙,去看里边的星,比方说我观测其中的一颗星,那么星光通过太阳的周围过来以后,我们观测这个星光有没有变化,通过这个星光的变化,来看太阳风的闪烁,这个变化和我们平常看到的星星,我们说眨巴眼,在那儿闪不一样,我们看到晚上的星星都在那儿眨巴眼,一闪一闪的,那个闪烁不是由于太阳风造成的,而是由于我们大气,原理是一样的,就是说,大气本身有闪烁,有抖动,所以我们看到所有的星,我们看见的星星都在那儿闪,一点一点地闪烁,所以我们叫星星在眨巴眼。
看这个星在太阳旁边的星星来观测它,观测它的闪烁现象,就可以研究从太阳里边刮出来的风,这个风也有闪烁现象,就做这件事情。那么这个天线和我们普通的天线不太一样,我们看上去,这个天线就像一个网状一样,就在地上支了好多木头架子,这个架子上面挂了好多线,如果说得通俗一点,就像晾衣服的绳子一样,这是我站在天线(底下)照的相,这个天线下边,羊群还在下边,不管怎么说吧,我们就说这么一个巨大的天线阵,就通过这个来研究太阳的闪烁现象,也就是说接受从太阳背后来的星,观测它有没有闪烁,我们说要观测这个闪烁很重要的一点,就要记录这个星,星光的变化,所谓闪烁就是在变化,有起伏,看它的起伏,当时设计了这个天线以后,就开始进行观测,那么这个天线呢,是1967年7月份投入观测,8月份就发现了,从外边过来的星的,有那么几颗星,它那个闪烁现象非常特殊,非常有规律的闪烁,到11月份再重复观测,那么观测的结果还发现这个星,非常有规律的在这儿闪烁,我们知道上一个世纪的60年代,那会儿的观测设备还比较落后,不像现在我们什么都通过计算机,当时就是最原始的那种记录仪,就是说我观测的话,就有一个记录仪,这个记录仪就是纸带,纸带出来以后,我就是看它上边的记录,我们先看一下它记录到什么东西,这就是当时的原始的记录,大家看横的线里边,就是当时的一个原始的记录,那么设计这个天线的人,叫做休依什,他的一个女研究生叫做贝尔,贝尔这个人非常细心,本来就是看这些纸带,而贝尔呢,眼睛非常的敏锐,而且呢,对这个纸带,仔仔细细地进行研究,她就发现在纸带上边有些个非常规则的信号,我们看这是她原始的纸带,1967年8月6号的原始的纸带,她就在纸带上去掉了那个噪音以后,就居然发现了,把噪音去掉以后,就发现了非常规律的这种脉冲的信号,就是一个一个的脉冲,脉冲的时间间隔非常短,只有几秒钟,一个个的脉冲信号,她就把这个信号,就告诉她的导师休依什,说我发现有一些个星星,有非常规律的脉冲信号,和普通的我们观测到的,那个星星的星光的闪烁不一样,因为那个星光闪烁,是依靠太阳风,太阳风有变化,它就有闪烁,而太阳风和太阳的活动有关系,所以这个风有时候风力强,有时候风力弱,那个信号不是规律的,这个信号可是太规律了,总是这样,经过几次重复观测以后,发现这个信号永远没有变化,人们就想,这是什么东西,这个星星为什么发这个信号,一开始有人很天真,说这个是不是宇宙间有智慧的生命给我们发信号,发的这个信号,但是再仔细一看,宇宙间有智慧的生命给我们发信号,不可能这么不停的发,他还得睡觉呢,白天发了以后,晚上得休息,而这个是无休止的,如此规律地老发信号,于是这个导师就想到,这个星发的规律的信号,就是当年朗道预言的中子星,就是说,我们找了好长时间,几十年找不到,无意中,通过研究太阳的太阳风,找到的这个星就是当年的中子星,所以就重复检测,观测记录,这个女学生据说检测了五千米的记录,从中找到了几颗呢,一共才找到了四颗,这个星,大家知道,重要的科学成就发表的话,往往发表在英国的一