张朝阳的物理课-广义相对论下的天体内部物理规律揭秘

恒星内部的情况听上去是一个距离我们日常生活十分遥远的事情，但是在物理学中，这却是一个能够在笔尖展开计算的问题。这某种程度上是自然科学的魅力之一，而让几个世纪以来的无数物理学家竞相折腰。

2024年4月28日中午，《张朝阳的物理课》第二百零九期开播，搜狐创始人，董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳先生坐镇搜狐直播间，为广大网友带来一节利用广义相对论进一步计算恒星内部物质和引力场的数学规律的物理课。在前面几节物理课中，我们已经对存在物质分布的情况下的Einstein场方程进行了一定的讨论，在球对称理想流体的假设下，我们进一步地得到了一些重要的结果，而这些结果事实上就能够作为天体内部的物质所满足的规律的数学描述。

技术上地，这些讨论来自于有物质分布时的Einstein场方程其中等号右边的符号T正是物质分布的能动张量，它是一个对称二阶张量。利用Bianchi恒等式，这个方程的直接推论是能动张量的协变散度为零，即带入二阶张量的协变导数在弯曲时空下的形式，散度为零的方程（能动量守恒）自动给出其中Γ就是Christoffel符号。

过去我们检查了关于β=0的分量方程和β=1的分量方程（关于β指标的各个含义，在球坐标系中对应于0123的四个指标正是trθϕ），前者在静态球对称情形中是平凡的，无法给我们额外的信息。而后者则给出了恒星内部物质分布和度规所满足的径向方程，即其中我们使用了理想流体的能动张量形式。这个形式已经接近著名的Tolman-Oppenheimer-Volkoff(TOV)方程的形式了。接下来我们将进一步讨论β的其他分量方程。

回顾理想流体的能动张量形式，普遍地，有其中U为4-速度矢量，而对于静态流体，我们已经证明它具有对角的形式因此对于β=2的角向分量，散度的分量即为我们分开考虑等号右边的三项。对于偏导数项，从静态情形，其α=0的分量对应于对时间求偏导数，因此立即确定为零。而其他分量则满足对于第二项，从T的对角性质立即看出关于t的求和只有t=2时有贡献，因此只有其中第一个等号利用了T的对角性，第三个等号利用了g的对角性，使得第二个等号右边对μ的求和中只有μ=α的项有贡献，整个等式中不对α求和。类似地，对于第三项同样只有t=α的项有贡献，因此应当有同样，第三个等号来自g的对角性从而μ的求和中只有μ=2的项有贡献，亦不对α求和。将这三项加起来，我们就得到了散度的β=2的角向分量中求和指标为α项的细节其中等号左边不对α求和，同时右边第一项和最后一项使用了g的对角性质进行了简化。从而我们只需要关心第二项即可。

对于括号里的项，如果α不为0，那么立即从T的空间分量正比于g给出括号内的差为0。而在α=0时则不然，它将会给出非零的结果。将这些简化带入其中并对α求和，我们就得到了散度关于β=2的角向分量其中我们使用了度规的球对称性，即g的各个分量都不是角度坐标的函数。稍微整理即得到散度方程的分量式其中我们使用了g_22不为零以及度规的逆变分量和协变分量之间的关系。

更进一步地，上面的所有讨论事实上并不过于依赖β=2的条件，它们对于β=3也同样适用。因此我们最终给出了关于各个分量都成立的方程：其中β=1,2,3，关于β=0的方程从静态条件自动满足。这一点事实上也可以从度规的00分量不显含角度和球对称性看出。

利用这组方程和恒星物质的物态方程，以及Einstein场方程我们将会给出恒星内部的压强分布（TOV方程）或者是度规的具体形式，这将是我们之后的任务。

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相对论的具体内容是什么？

相对论分为广义相对论和狭义相对论广义相对论的基本概念解释：广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后，深入研究引力理论，于1913年提出的引力场的相对论理论。 这一理论完全不同于牛顿的引力论，它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。 因此，广义相对论亦称时空几何动力学，即把引力归结为时空的几何特性。 如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。 假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引力相互吸引，将彼此接近。 而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。 它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。 这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。 所以，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。 进一步说，这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。 等效原理是从物体的惯性质量与引力质量相等这个基本事实出发，认为引力与加速系中的惯性力等效，两者原则上是无法区分的；广义协变原理，可以认为是等效原理的一种数学表示，即认为反映物理规律的一切微分方程应当在所有参考系中保持形式不变，也可以说认为一切参考系是平等的，从而打破了狭义相对论中惯性系的特殊地位，由于参考系选择的任意性而得名为广义相对论。 我们知道，牛顿的万有引力定律认为，一切有质量的物体均相互吸引，这是一种静态的超距作用。 在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示，它所反映的引力作用是动态的，以光速来传递的。 广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论，牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。 所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能，力场中，才显示出两者的差别，这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。 广义相对论在1915年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。 这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。 以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。 60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。 特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。 爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，他说过，“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。 但是我认为，广义相对论不一样。 ”确实，广义相对论比狭义相对论包含了更加深刻的思想，这一全新的引力理论至今仍是一个最美好的引力理论。 没有大胆的革新精神和不屈不挠的毅力，没有敏锐的理论直觉能力和坚实的数学基础，是不可能建立起广义相对论的。 伟大的科学家汤姆逊曾经把广义相对论称作为人类历史上最伟大的成就之一。 狭义相对论就是狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。 在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。 现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。 四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。 一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。 四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种”此消彼长”的关系。 四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。 在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。 在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。 另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。 值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。 四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。 可以说至少它比牛顿力学要完美的多。 至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。 相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。 这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。 在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。 物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。 也就是说，运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系。 伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。 更无从感知速度的大小，因为没有参考。 比如，我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。 爱因斯坦将其引用，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理。 其内容是：惯性系之间完全等价，不可区分。 著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。 也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。 这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。 由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。 比如速度变幻，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是(20-10^(-15))m/s左右。 在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是0。 99倍光速，人的速度也是0。 99倍光速，那么地面观测者的结论不是1。 98倍光速，而是0。 倍光速。 车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是光速。 因此，从这个意义上说，光速是不可超越的，因为无论在那个参考系，光速都是不变的。 速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明，是无可挑剔的。 正因为光的这一独特性质，因此被选为四维时空的唯一标尺。

广义相对论的原理是什么？

这个涉及八个原理哦： 广义相对论的基本原理牛顿根据开普勒三定律，建立著名的万有引力定律： 。 该定律的发现打破了亚里士多德关于“月上”和“月下”两个世界的划分。 这是第一个本质的力的发现。 它是一个极成功的理论。 根据它解释了极多的地面现象和天体现象。 其中最成功的事例当属关于海王星预言的证实。 十九世纪初发现天王星的运行中总有不能解释的”反常”。 法国的勒维耶和英国的亚当斯猜测其原因可能是由一颗尚未发现的行星对天王星的引力作用而引起的。 他们相互独立的计算得到相同的结果。 这些预言于1846年 9月 23日寄到德国的柏林天文台，根据计算，当时这个未知的行星应当位于摩褐座δ星之东5度左右，它的移动速度应为每天后退69角秒。 柏林天文台当晚就作了观测，果然在偏离预言位置不到1度的地方发现了一颗新的八等星，第二天继续观测。 发现它的移动速度也与牛顿引力理论的预言完全符合。 这一成功使万有引力理论获得了不可动摇的声誉。 直到今天，牛顿万有引力理论仍然是精密的天体力学基石，人造卫星、宇宙飞船的运行轨道的研究，仍然要靠牛顿的理论。 到廿世纪初，万有引力理论看来是一种无往而不胜的理论了。 仅仅有一个非常小的事实似乎是例外。 这个事实就是水星近日点的进动。 水星进动问题 水星是距太阳最近的一颗行星。 按照牛顿的引力理论，在太阳的引力作用下，水星的运动轨道将是一个封闭的椭圆形。 但实际上水星的轨道并不是严格的椭圆，而是每转一圈它的长轴也略有转动。 长轴的转动．就称为进动。 水星的进动速率是每一百年1°33’20”。 进动的原因是由于作用在水星上的力，除了太阳的引力（这是最主要的）外。 还有其它各个行星的引力。 后者很小，所以只引起缓慢的进动。 天体力学家根据牛顿引力理论证明，由于地球参考系以及各行星引起的水星轨道的进动，总效果应当是1°32”37’/百年，而不是 1°33‘20“/百年。 二者之差虽然很小，只有 43”／百年，但是已在观测精度不容许忽略的范围了。 这个43”／百年，引起许多议论，成功地预言过海王星的勒维耶，这次又如法泡制，他认为在太阳附近还存在一颗很小的行星．是它引起水星的异常进动。 不过，这一次勒维耶的预言并没有获得成功。 在他预言的地方没有看到任何新的行星。 就这样，小小的43”／百年，在以牛顿力学为基础的天体力学中一直是个谜。 不过，43”／百年的确是太小太小了，比起整个牛顿理论体系中那么大那么大的成功来说，它是微不足道的。 然而，在科学的问题上，并不是以多数和少数来判断成败的。 千百万次的成功并不构成忽略一次“小斜失败的充分理由。 问题等待着解决。 直到爱因斯坦确立了广义相对论之后，水星进动问题才第一次获得满意的解决。 不过，广义相对论的研究并不是从这个具体问题开始的。 像爱因斯坦的其它科学工作一样，广义相对论同样是从对一些简单而又基本的问题的思考开始的。 引力质量 / 惯性质量的普适性牛顿的万有引力理论虽然正确地给出了这种力的定量表达式，但是在牛顿理论中看不清引力的最基本特征到底是什么。 到底那一点是引力的最重要性质呢？伽利略在比萨斜塔上发现的真理却成了广义相对论的最基本出发点。 比萨斜塔的实验说明了什么呢？应用牛顿力学方程以及牛顿的万有引力定律，我们可以写出下列描写落体运动的方程 m(惯)a=m(引)GM/r^2 其中m(惯)及m(引)分别表示物体的（与加速度成反比的）惯性质量和（与引力成正比的）引力质量，M是地球的引力质量，r是物体距地心的距离。 上式还可以写成a=m(引)/m(惯)(GM/r^2)比萨斜塔的实验说明，不论任何物体，在地球的引力作用下产生的加速度都是相同的。 那么由上式看来，这就意味着各种物体的m(引)/m(惯)值都应当是相同的。 或者说引力质量/惯性质量是一个普适常数。 它与具体的物性并无关系。 厄缶实验以很高的精确度证明了这一点。 厄缶实验 在牛顿理论中，牛顿第二定律的惯性质量m i 同引力定律的引力质量m g 是否相等，并没有本质的意义。 如果一物体的m i 与m g 不相等，那么在引力作用下,它的加速度□□同当地引力常数□之间就有下面的关系 g′=（m g /m i ）g 比值m g /m i 不同的物体，将有不同的加速度g′。 然而，自伽利略的时代起，人们就发现，对于不同的物体，这个比值都是一样的。 C.惠更斯、牛顿等人都进行过这类实验。 1889年，厄缶精确地证明了，对于各种物质,比值m g /m i 的差别不大于10 -9 （见图厄缶实验示意图）。 厄缶在一横杆的两端各挂木制的A和铂制的B两个重量相差不大的重物，杆的中点悬在一细金属丝上。 如果g是地球引力常数，g z ′是地球自转引起的离心加速度的垂直分量,l A 和l B 是两个重物的有效杆臂长，那么当平衡时，由于A、B的重量相差不大，因而横杆略为倾斜以满足 同时，在厄缶进行实验的纬度上，地球自转引起的离心加速度有一可观的水平分量g s ′,会使得横杆受到一个水平转矩 消去l B ，又由于g z ′远小于g可以略去，因而得到 这样,只要二者m g /m i 的比值不同，就会扭转悬挂横杆的细金属丝。 但是,厄缶在10 -9 的精度上没有测出这种扭转。 20世纪60年代，R.H.狄克等人改进了厄缶实验，把精度提高到10 -11 。 70年代初，V.布拉金斯基等人又把精度提高到约0.9×10 -12 。 在物理学中，一个普适常数的发现在往要引出整套的理论。 普适的光速c引出了狭义相对论，普朗克常数h引出了量子论。 普适常数m(引)/m(惯)则是解决引力问题的关键。 爱因斯坦在深入分析引力质量同惯性质量等价这一早已熟知的事实的基础上，提出了引力场同加速度场局域性等效的概念；他又把惯性运动的相对性的概念推广到加速运动。 等效原理 内容：对于一个观察都来说，与用内部存在的一均匀引力场的惯性系K来描述的物理过程的是完全等效的。 爱因斯坦是如何利用引力质量同惯性质量等价得出等效原理的呢？ 同伽利略一样，爱因斯坦也设计了一个理想实验来分析问题，不过伽利略爱用斜面，而爱因斯坦爱用电梯。 在爱国 斯坦的理想电梯中装着各种实验用具，还可以有一位实验物理学家在里面安心地进行各种测量。 当电梯相对于地球静止的时候，实验家将看到，电梯里的东西都会受到一种力。 如果没有其它的力与这种力相平衡，这种力就会使物体落向电梯的地板。 而且，所有物体在落向地板时，加速度都是一样的。 根据这些现象，实验家立即可以作出结论：他这个电梯受到了外界的引力作用。 现在让电梯本身也做自由下落的运动。 这时，实验家将发现，他的电梯里的一切东西都不再受原来那种力的作用，所有物体都没有原来的那种加速度了。 即达到了我们通常所说的一失重”状态。 这时电梯里的物体不再表现出任何受引力作用的迹象。 无论苹果或羽毛，都可以自由地停留在空间，而不回下落”。 实验家既可以在电梯的底部行走，也可以在顶部行走，两种行走所用的力气完全一样，并不需要任何杂技演员那样的技巧。 也就是说．实验家观测任何物体的任何力学现象，都不能看到任何引力的迹象。 接着爱因斯坦作了更进一步的引伸，他认为，在上述电梯里的实验家不仅通过任何力学现象看不到引力的迹象，而且通过其它任何物理实验也都看不到引力的迹象。 即是说，在这种电梯的参考系中，引力全部消除了。 电梯实验家不能通过自己电梯中的物理现象来判断它的电梯之外是不是有一个地球这样的引力作用源，他也测量不出自己的电梯是否有加速运动，就象在萨尔维阿蒂大船里的观察者测不到大船是否在运动一样。 简言之，我们可以在任何一全局部范围（关于局部一词的含义，下面还要再讨论）找到一个参考系（即爱因斯妇的电梯），在其中引力的作用全被消除了。 这就是引力的最重要特性。 在物理学中其它的力都没有这种属性。 例如宏观的电磁力或原子核、粒子范围的强作用和弱作用，都不可能通过选择适当的参考系而完全加以消除。 引力的本性就在于引力能在某种参考系（爱因斯坦电梯）中局部地消除。 这就是爱因斯坦根据比萨斜塔实验抽象出来的一个引力的基本性质。 通常叫做等效原理。 引力的新认识 等效原理保证在任何一个时刻、任何一个空间位置上必定存在一个爱因斯坦的电梯，电梯中的一切现象就好象宇宙间没有引力一样。 在这种电梯中，动者恒动，即惯性定律是成立的。 按照定义，惯性定律成立的参考系是一个惯性参考 系。 这样，爱因斯坦电梯应是一个惯性参考系。 讲到这里，你可能产生疑惑。 因为通常我们就是以匀速运动的萨尔维阿蒂大船作为惯性参考系的。 而爱因斯坦的电梯相对于地球，也就是相对于萨尔维阿蒂大船来说，并不是匀速运动的，而是有加速度（自由落体加速度）的。 这两者是否有矛盾呢？ 是有矛盾！在广义相对论发展之前，萨尔维阿蒂大船一直被认为是惯性参考系。 然而，严格说，这是不对的。 因为，在萨尔维阿蒂大船中的实验家看到船中的水滴要向下作加速运动，可是他又看不到有谁对水滴施加了作用（注意，大船是完全封闭的，实验家不知道外界到底有没有东西）。 这就是说水滴并不满足动者恒动这条定律，因而它不是真正的惯性参考系（顶多只能说是近似于惯性参考系）。 反之，在爱因斯坦电梯里，倒是可以实现动者恒动。 现在来谈“局部”一词的含义。 我们说引力对一切物体产生的加速度相同，这句话是对处在同一二点上的物体来说的，在不同点上的引力加速度一般是不相同的。 如图，在地球上不同地点的引力加速度是不相同的。 因此，一个作自由落体运动的电梯，只能将一个点附近小范围内的引力作用（例如引力加速度）全部消除，而不可能在一个大范围中把引力的作用全部消除掉。 因此，如果认为上述爱因斯坦电梯才是严格意义下的惯性参考系，那末这种参考系只能适用于局部的范围。 广义相对论的发展表明，真正严格的惯性系只能是一些局部惯性系（爱因斯坦电梯）。 现在各个点上的局部惯性系之间是可以有相对加速度的。 那么什么是引力呢，引力的作用就是各个局部惯性系之间的联系。 在任何一个局部惯性系中．我们是看不到引力作用的。 我们只能在这些局部惯性系的相互关系中。 看到引力的作用。 在物理学的其它部门中，我们的工作程序总是这样：取定一定的参考系用以度量有关的物理量，然后经过实验总结出其中的规律，发现基本方程。 在这个过程中时空的几何性质（即所取的参考系）是不受有关的物理过程影响的。 所以，这些问题中的基本方程只是物理量之间的一些关系，即 一些物理量= 另一些物理量。 但是，在引力问题中，引力一方面要影响各种物体的运动，另一方面引力又要影响各局部惯性系之间的关系。 所以，现在我们不可能先行规定时空的几何性质，时空的几何性质本身就是有待确定的东西。 因此，在引力基本方程式中不可能没有时空的几何量。 它应当反映出，引力本身及引力与其他物质之间的作用，即应有下列形式的方程： 时空几何量= 物质的物理量。 广义相对性原理 内容：物理定律必须在任意坐标系中都具有相同的形式，即它们必须在任意坐标变换下是协变的。 该原理又叫广义协变性原理。 爱因斯坦把狭义相对论所考察的作匀速运动的参照系之间的相对性。 不过，在真实的引力场和惯性力场之间并不存在严格的相消。 比如，真实的引力场会引起潮汐现象，而惯性力场却并不导致这种效应。 但是，在自由下落的升降机里，除开引力以外，一切自然定律都保持着在狭义相对论中的形式。 事实上，这正是真实引力场的重要本质。 如果把自由下落的升降机称为局部惯性系，那么，等效原理就可以比较严格地叙述为：在真实引力场中的每一时空点，都存在着一类局部惯性系，其中除引力以外的自然定律和狭义相对论中的完全相同。 广义协变性对物理定律的内容并没有什么限制，只是对定律的数学表述提出了要求。 爱因斯坦后来也是这样认为的：广义协变性只有通过等效原理才能获得物理内容。 马赫原理 内容：时间和空间的几何不能先验地给定，而应当由物质及其运动所决定。 这个思想直接导致用黎曼几何来描述存在引力场的时间和空间，并成为写下引力场方程的依据。 爱因斯坦的这一思想是从物理学家和哲学家E.马赫对牛顿的绝对空间观念以及牛顿的整个体系的批判中汲取而来的。 为了纪念这位奥地利学者，爱因斯坦把他的这一思想称为马赫原理

天体物理学

天体物理学（英语：Astrophysics），又称天文物理学，是研究宇宙的物理学，这包括星体的物理性质（光度，密度，温度，化学成分等等）和星体与星体彼此之间的相互作用。 应用物理理论与方法，天体物理学探讨恒星演化、恒星结构、星际物质、宇宙微波背景、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题[1]。 由于天体物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常应用很多不同的学术领域，包括力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学以及原子分子与光物理学等等。 由于近代跨学科的发展，与化学、生物、 历史 、计算机、工程、古生物学、考古学、气象学等学科的混合，天体物理学目前大小分支300—500门主要专业分支，成为物理学当中最前沿的庞大领导学科，是引领近代科学及 科技 重大发展的前导科学，同时也是 历史 最悠久的古老传统科学。 天体物理实验数据大多数是依赖观测电磁辐射获得的。 比较冷的星体，像星际物质或星际云会发射无线电波。 大爆炸后，经过红移，遗留下来的微波，称为宇宙微波背景辐射。 研究这些微波需要非常大的无线电望远镜。 太空 探索 大大地扩展了天文学的疆界。 太空中的观测可让观测结果避免受到地球大气层的干扰，科学家常透过使用人造卫星在地球大气层外进行红外线、紫外线、伽马射线和X射线天文学等电磁波波段的观测实验，以获得更佳的观测结果。 光学天文学通常使用加装电荷耦合元件和光谱仪的望远镜来做观测。 由于大气层的扰动会干涉观测数据的品质，故于地球上的观测仪器通常必须配备调适光学系统，或改由大气层外的空间天文台来观测，才能得到最优良的影像。 在这频域里，恒星的可见度非常高。 借着观测化学频谱，可以分析恒星、星系和星云的化学成分。 理论天体物理学家的工具包括分析模型和计算机模拟。 天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解个中奥妙；计算机模拟可以显现出一些非常复杂的现象或效应其背后的机制。 在实践中，现代天文学研究通常涉及理论和观测物理领域的大量工作。 天体物理学家的一些研究领域包括试图确定暗物质，暗能量，黑洞和其他天体的性质 ; 以及宇宙的起源和最终命运。 理论天文学家还研究了太阳系的形成和演化。 恒星动力学和演化 ; 星系的形成与演化 ;磁流体力学 ; 宇宙中物质的大尺度结构；宇宙线的起源; 广义相对论，狭义相对论，量子和物理宇宙学，其中包括弦宇宙学和天体粒子物理学。 大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和宇宙学原理。 由于太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实，科学家确定大爆炸模型是正确无误。 最近，学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化，这模型涵盖了宇宙暴胀（cosmic inflation）、暗能量、暗物质等等概念。 理论天体物理学家及实测天体物理学家分别扮演这门学科当中的两大主力研究者，两者专业分工。 理论天体物理学家通常扮演大胆假设的研究者，理论不断推陈出新，对于数据的验证关心程度较低，假设程度太高时，经常会演变成伪科学，一般都是天体物理学研究者当中的激进人士。 实测天体物理学家通常本身精通理论天体物理，在相当程度上来说也有能力自行发展理论，扮演小心求证的研究者，通常是物理实证主义的奉行者，只相信观测数据，经常对理论天体物理学所提出的假说进行证伪或证实的活动，一般都是天体物理学研究者当中的保守人士。 天文学的 历史 纪录虽然很久远，但是它长期以来都跟物理学分开，直到物理学发展才开始结合起来，主要发展的目的是历法。 天文学在 历史 当中，中国、欧洲、非洲、中东、印度、美洲都有独立的发展 历史 ，其中以中国的 历史 纪录长度最久，但是中国并没有发展出天体物理学，最早有天体物理学研究的纪录是印度。 天文学在古代 历史 上的发展分支： 中国古代天文学 印度古代天文学 非洲古代天文学 埃及古代天文学 非洲部落天文学 近东古代天文学 两河流域天文学 美索不达米亚天文学 巴比伦天文学 阿拉伯天文学 巴格达学派 开罗学派 西阿拉伯学派 美洲古代天文学 玛雅天文学 欧洲古代天文学 希腊古代天文学 也有一种看法认为非洲古代天文学、两河流域天文学及美洲古代天文学都是由传说中的姆大陆及亚特兰提斯所流传而来的，但是这项说法缺乏考古学上的证据，虽无法证伪，但也无法证实。 欧洲天文学主要源自于非洲古代天文学及两河流域天文学，现代天体物理学是由欧洲天文学建立起来的。 理论天体物理学的起点可由十六世纪开始计算起，绝大多数的理论提出系以“物理建模方法”提出假设，建立物理模型，验证方法则多数以“波普尔论证法”来进行确认，主要采取“证实主义”或“证伪主义”两种手法交错并用。 理论的状态多数有以下几种： 全部理论证实：目前不存在。 部分理论证实：例如“广义相对论”及“牛顿力学”。 理论证伪：为数庞大，例如，中国的“混天说”。 技术力无法验证理论：例如，“夸克星”，通常都是理论当中存在尚未验证的物理假说。 理论错判证实：例如，“牛顿力学”曾经被错判证实。 “夸克星”则曾经有两年的时间被认为已经找到（SN1987A，约1989-1990年之间被错误地认为存在夸克星）。 伪科学：数量庞大的民间学说，例如一整批以科幻小说为基础的幻想学说、科普及神学天体物理，通常的特征是理论自身不自洽。 例如，“星际之门虫洞物理”，“星际之门”当中的“虫洞物理”与现实研究中的“虫洞物理”差距非常地大，而目前现实中的“虫洞物理”，实际也并未被列入合格的天体物理理论，实际的“虫洞物理”认为“虫洞”的大小如果小于一光年，则无任何可能传送任何物质进行太空旅行，“星际之门虫洞物理”与此差距极大，而开启虫洞颈部的维持能量是“负能量”，“星际之门虫洞物理”却是使用“正能量”来维持，“量子虫洞”是采用“虚粒子对相互作用”来维持“量子虫洞”的恒稳态，能够穿透“量子虫洞”的只有超流体，而“星际之门虫洞物理”却是什么物质都可以传送。 事实上两者的说法都没有经过检验。 未经检验的假说：例如，“人造月球假说”及“平行宇宙”与一整批与霍金宣称有关的说法。 由于通俗易懂、貌似合理，检验方法却需要耗费大量金钱，因而大批未经检验的假说在民间流传，被误认为已经检验的正统科学，透过大众文化传播，成为非专业信徒型学科。 绝大多数的天体物理理论都处于“部分理论证实”及“技术力无法验证理论”的状态，基本的过滤方式是“证实方法”或“证伪方法”，持续过滤到每一个步骤都与数据吻合。 现代理论天体物理学家使用多样的研究工具，包含了分析模型及计算机数值模拟，分析模型可以提供每一个步骤是否吻合现行或假设的物理定律，计算机数值模拟则主要用于推算出物理数学模型是否有矛盾之处。 理论天体物理学家致力于发展理论模型以便理解这些模型与观测的拟合程度，这可以使观测者证实或证伪某个模型是否正确，并且从模型当中选择一个恰当的理论来说明观测数据。 一旦某个物理模型大体上被验证，实测天体物理学家就会依据该模型输入观测资料，一旦发现某些不吻合之处，该理论就会进行修正，直到全面吻合，所有观测数据都合乎理论预测以后，便可称该理论为已经证实的天体物理理论。 如果，理论与数据有大批不吻合，该理论会先被限定为有限理论，一直到发展出其他可以全面吻合的理论以后，该理论会被废弃掉。 理论天体物理研究的范围非常地广泛，包含了：“星体动力”、“星体演化”、“银河生成及演化”、“电磁动力”、“广义相对论”、“宇宙学”、“弦宇宙论”、“天体粒子物理”、“引力波”、“宇宙生命”、“宇宙航行”、“宇宙通讯”等等，课题包罗万象。 现代天体物理的发展方式多数采取物理数学的方法，先发展相关理论，然后再透过实测天体物理学的技术手段来验证，并且透过观测数据来修正理论上的缺失，因此常常会看到由于实测天体物理技术的发展，事后发现理论天体物理的陈述荒唐到完全无法吻合的现象，进而全面修正理论天体物理的模型。 实测天体物理扮演天体物理当中最重要的把关及验证，因此，理论天体物理上的盖棺论定一向是由实测天体物理来执行，这也使得实测天体物理学家多数都是这个领域当中最保守的菁英人士在运行。 实测天体物理目前持有全球最尖端的 科技 来进行研究，技术的演进，天体物理实验数据已经可以采取多种管道获得，包含了地面各类望远镜、空间天文台及空间探测器。 此外，由于需求的缘故，实测天体物理学家是目前建造超级电脑的最积极人士，全球最尖端的超级电脑有大批是由实测天体物理学家所建造及持有，其次则是高能物理学家所建造及持有，多数的实测天体物理学家同时也是电脑专家及理论物理学家，经常会透过全球虚拟天文台的数据互换来进行研究，超级运算的领域当中，有许多出身于实测天体物理学的工作者。

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