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如何理解爱因斯坦说的“科学的尽头是神学”这句话?

zhao_admin1年前 (2022-05-17)科学课件50

因为人的认识只具有相对性,不可能绝对地认识自然界。一方面人本身亦属于自然界的一部分,局部不可能认识整体;另一方面实验不能绝对地证明理论,因为一个实验可以有多个理论予以解释。

同样是望远镜,为什么哈勃望远镜非要发射到天空,是有钱烧的吗?

同样是望远镜,为什么哈勃望远镜非要发射到天空,是有钱烧的吗?

我们头顶上的天空,不但是我们在夜空下静心欣赏美景的目标,而且时刻在吸引着人们对其无穷无尽的神秘展开想象,在激发我们强大好奇心和求知欲的引领之下,一直在鼓舞着人类逐步走出地球的羁绊,踏入更加深远的宇宙星空。天文望远镜就像我们延伸无限视力的眼睛一样,同时更像可以自由翱翔的翅膀,使我们更直观、更全面、更清晰地了解宇宙的美景、神奇与博大。而哈勃望远镜是观测设备中的佼佼者,也是最为特殊的个体,科学家们把它发射到太空之中去观测宇宙星空,与遥远的星空相比,这上升的一点距离根本不算什么,那为何还要这么做呢?

地面天文望远镜的主要干扰因素对于天文观测来说,现在地面天文望远镜仍然是主流,毕竟利用火箭将天文望远镜发射到太空的费用极其高昂,而且维护保养成本也非地面望远镜所能比拟。而且,借助地面建造天文台的先天优势,可以将天文望远镜制造的口径更大、功能更强。客观地说,地面天文望远镜比发射升空的太空望远镜,要有明显的数量优势、成本优势、维护优势、可控优势等。

但是,地面天文望远镜也有它致命的弱点,那就是受到大气层的干扰太强。这个干扰包括以下几个方面的因素:

大气湍流。我们平时看到夜晚的星星在频繁地闪动,就是地球大气层大气湍流的结果。大气湍流是大气层非常常见的一种自然现象,其产生原因就是不同层级或者不同区域的空气受热不均衡,同时具有一定风速切变的空气动力学条件,那么将会产生能量、动量、物质的传递以及交换,从而不仅对飞行等飞行产生影响,而且对光线、声波、无线电波的传播都会产生干扰。

光线衍射。光线在传输过程中,当遇到较小障碍物时,会有绕过这个障碍物而改变传播方向的现象,这种现象规律是光线的衍射,对于天文望远镜来说,其能分辨目标二星体的最小分离角度,即角分辨率将直接受到光线衍射的影响,这个角分辨率其实就是天文望远镜的解析力。在大气层中,由于衍射作用要比太空中明显得多,因此,对于望远镜的解析力也会造成重大影响,致使其中的一项重要指标:解析力,距离理论极限衍射极限差距很大。比如,地面天文望远镜的解析力只能达到0.5-1.0弧秒,而在太空中的天文望远镜,只要口径达到2.5米以上,该项能力就能达到理论极限0.1弧秒。

吸收和遮挡。无论是可见光和不可见光,都是以电磁波的形式传递到地球,都是携带着能量来的,只不过波长不同能量不一样而已,当遇到空气中的悬浮颗粒、气溶胶团甚至气体分子,都对光线能量有一定的吸收能力,在一定程度上减弱了来自宇宙深空的光线信号强度。同时,大气层中的云层遮挡也是影响天文望远镜使用效率和质量的一大因素,即使设备再先进,准备再充分,目标星体和观察者之间如果有云层遮挡,一切努力都会白费,而且时机稍纵即逝,无法弥补。

对高能射线的影响。除了可见光之后,来自宇宙深空发过来的光线,还包含着伽马射线、X射线、紫外线、红外线和无线电波等不同频段的种类,由于大气层的存在,特别是电离层和臭氧层,对于高能射线和紫外线吸收非常强烈,这个作用过程虽然对于保护地球上的生物具有重大意义,但是如果从研究宇宙背景辐射以及演化规律的角度看,会失去很多重要的信息来源。

哈勃望远镜的问世基于上述因素,天文学家们逐渐意识到,在地面进行天文观测,虽然可以把望远镜造得更大、功能更丰富、看得也越来越远,比如运用自适应光学系统,可以带来越来越高的集光能力以及越来越精细的分辨率,但始终无法避免众多不可控的因素干扰,不但会对后续的修正带来非常复杂的问题,而且有时会错过最佳的观测窗口,严重影响观测质量,因此向太空发射天文望远镜逐渐提到了议事日程,以最大程度地消除大气层对观测的影响。

在1968年,美国就开始计划实施在太空中建造大型反射望远镜的计划。经过10多的准备以及从节约预算开支的角度出发,直至1978年从开始真正的建造计划,通过太空望远镜的分项实施和最终组装的形式分步实施。但是在提高望远镜解析力和资金缺口的矛盾下,哈勃望远镜的组装和发射时间一推再推,直到1990年4月24日才正式发射升空。

哈勃望远镜拥有两个光学“镜片”,一个是直径2.4米的主镜,一个是0.3米的副镜,这是望远镜的核心组成部分,同时还搭载了广域和高分辨率行星照相机、用于接收紫外线波段的戈达德高解析摄谱仪、用于测量星体光度变化和偏极性的高速光度计等等,组装后的望远镜长13.3米,重11.6吨,总造价约30亿美元。最终的轨道距离地面约600公里,运行周期约97分钟,它所拍摄的图片清晰度是当时地面天文望远镜的10倍以上。

哈勃太空望远镜在发射升空以后还有一个插曲,那就是担回来的第一张照片非常模糊,后来通过研究发现这是由主镜片的球面像差比较严重,主要原因在于当时打磨的时候没有达到目标要求,有2微米的误差。为了弥补这一问题,科学家们采用了光学校正的方式,运用航天飞机搭载8吨的器材,在望远镜主镜成像过程中增加了一个光学矫正系统,才使得哈勃望远镜的“视力”恢复正常。

哈勃望远镜的主要成果当时发射哈勃望远镜的初衷,主要是为了观测宇宙年龄以及宇宙的可视面大小,后来通过它的长期观测,科学家们又发现了众多关于宇宙的奥秘。比如:

修正哈勃常数。通过对造父变星亮度周期的观测,以及测算出来的与造父变星之间的距离,对之前人们通过各种方式计算的哈勃常数进行了校正,对研究宇宙运行规律特别是宇宙膨胀现象提供了更为精准的数据支持。

星系中心黑洞。通过对大量河外星系的观测,其中心都存在着引力非常强大、光线非常集中的区域,也就是“黑洞”,而且在全部的星系中心,都存在着这样的“黑洞区域”,最终被天文学家将这一现象认为是宇宙星系的普遍规律。

暗物质的存在。通过对超新星的长期观测,与之前对这些超新星亮度的预测值相比要明显弱很多,一方面表明宇宙在加速膨胀,另一方面为科学家们提出暗物质推动宇宙加速膨胀提供了数据支撑。

科研方面的贡献。除此之外,哈勃太空望远镜在30年的时间里,还直接拍摄了1400多万张精美、高分辨率的星空照片,以这些观测照片和数据,世界各国的科学家们发表了上万篇科研论文,有力推动了现代天文学的发展。

总结一下虽然发射哈勃望远镜共费巨大,但这种向太空发射和安置太空望远镜是非常值得的,应用这种方式可以最大消除在地面上大气层的强烈干扰,获取更加原始、更加精确、更加清晰的观测照片以及可以直接应用的众多观测数据,而这是地面望远镜所无法比拟的。预计明年将要发射韦伯太空望远镜,来接替哈勃望远镜的工作,其采用更先进的工艺、搭载更强大的装备,在距离地球更远的地方,为人类更深入探索宇宙的奥秘继续发挥重要的作用。

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