《物理学前沿》 思考题和习题精解
第1章
1.1 你喜欢宇宙学吗？为什么？
1.2 你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？
1.3 爱因斯坦指出：宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的！
1.4 宇宙是均匀的，这是很重要的一点，叫做 宇宙学原理 。
1.5 宇宙究竟是什么？古人的定义：“古往今来谓之宇，四方上下谓之宙。”
宇宙是天地万物的总称，是无限的空间和时间的统一，“宇”是空间的概念，是
无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。
1.6 在中国古代，关于宇宙的结构，主要有三派学说，即盖天说、浑天说和
宣夜说，此外还有昕天论、穹天论、安天论等。
1. 7 西方古宇宙说种种 古印度的宇宙说更为生动，他们把宇宙的天地解释
为“海中龟驮着大象，大象背着大陆，周围环绕大蛇”的“大象龟蛇”说。在西
方有古西方的宇宙鸟龟塔说。
1.8 1924年，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble ，1889-1953）发现T
仙女座大星云中的造父变星，并根据其光度变化周期推算出“仙女座大星云远在
银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统”的结论。这一重大发现最终
结束了多年来关于这类旋涡状星云是近邻天体还是银河系外的“宇宙岛”的争论，
将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到众多星系组成的广阔世界，开启了研究浩
瀚宇宙的新航程。
第2章
2.1 .1 仅通过直接观察，你怎样辨别天空中的一个特定天体是不是行星？
2.2 图 2.1-4中的星星是顺时针旋转还是逆时针转动？
2.3 描述一个你用眼睛能做的观察以否定下述理论：各行星附在一些透明球
壳上，这些球壳以复杂的方式旋转，但总是以地球为中心，行星就是这样绕地球
运行的（地心说）。
2.4我们怎么知道地球是圆的？
答：研究教材。
2.5 开普勒喜欢哥白尼的理论中的那些地方，不喜欢哪些地方？
答：开普勒喜欢哥白尼的理论中的 太阳作为宇宙的中心 , 不喜欢圆轨道。
2.6 哥白尼赞成毕达哥拉斯学派，认为宇宙是和谐的，可以用简单数学关系
表达宇宙规律的基本思想。可是在托勒密的 地心说 中，对环绕地球运动的太阳
河其他五颗行星的运动描述非常烦琐复杂、牵强。哥白尼发现如果把 太阳
作为宇宙的中心，一切将变的简单、清晰。
第3章
3.1我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转？
答：研究教材。
3.2 从哥白尼日心说的诞生过程看宗教对科学的作用是推动还是阻碍？
3.3 开普勒在第谷的观测数据的基础上，经过各种尝试，认识到了行星运动轨
道不是圆而是 椭圆 ，由此他提出了两个定律，分别是：
①椭圆定律，即 每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一个焦点
上 ；
②等面积定律，即 在行星与太阳间作一条直线，则此直线在行星运动时
在相同时间内扫过相等的面积 。
3.4 伽利略用来驳斥亚里士多德的教义——宇宙中只有地球一个中心，一切
都围绕它转的重要发现是 木星有4颗卫星，它们都围绕木星转 。
3.5 从哥白尼日心说的诞生过程看，宗教对科学的作用是推动还是阻碍？
3.6 对开普勒三定律的发现，你有哪些体会？
第4章
4.1 亚里士多德的运动把运动分为 自然运动 和 强迫运动 。伽利
略否定了这种运动划分，而是从运动的基本特征量： 速度 和 加速度 出
发，把运动分为 匀速运动 和 变速运动 。
4．2 伽利略选择了最简单的变速运动——匀加速运动进行研究，还开创性
地设计了 小球沿斜面滚下实验 ，这个实验被评为物理学史上“最美丽”
的十大实验之一。
4．3 爱因斯坦说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史
上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。” 伽利略对科学方法的贡
献是，他开创了科学实验 方法，并将 实验、观察， 与 理论思维
（科学假设，数学推理和演绎） 相结合，获得了突破性的发现。
4．4 牛顿出版的一部划时代的著作叫《自然 的数学原理》
A ．现象 ；
B ．科学；
C．哲学；
D．规律。 【 C． 】
4．5 从特殊到一般，再从一般回到特殊。前者被英国哲学家培根称为 归
纳法 ，它是以实验为基础的，后者被数学家兼哲学家笛卡尔称为 演绎
法 ，它必须依靠数学作为工具。在牛顿以前，一般认为这两种方法是互相排
斥的。牛顿在科学方法上的重大贡献就是将两种方法结合起来。他用自己的一系
列重大成果表明：就科学研究全过程而言，这两种方法是相辅相成、不可或缺的。
A ．观察法, 演绎法, ；
B ．归纳法, 演绎法, ；
C ．测量法, 演绎法；
D ．演绎法, 分析法。 【 B, 】
4．6 第一宇宙速度是指 绕地球运行的速度 ，这个概念最先是由
牛顿 提出的。
4．7 第二宇宙速度是指 逃离地球的速度 ，这个概念最先是由 牛
顿 提出的。
A ．绕地球运行的速度，伽利略 ；
B ．逃离地球的速度，牛顿；
C ．逃离太阳的速度，牛顿；
D ．绕地球运行的速度，牛顿。 [ B ]
4．8 万有引力公式F =-G m 1m 2中的G 叫做万有引力常数，R 2
它最早是由 卡文迪许 通过 扭秤 实验测得的。
4．9 万有引力定律不仅正确地解释已知行星的运动规律，并准确预言了
哈雷 彗星的轨道和出现的周期等，还发现了一颗新的行星，它是 海王
星 。
第5章
5.1 爱因斯坦建立狭义相对论的两个基本假设是：
① 相对性原理 ；
② 光速不变原理 。
5.2 爱因斯坦的质能关系式是=mc 2
5.3前进的一列火车的车头和车尾各遭到一次闪电轰击，据车上的观察者的
测定这两次轰击是同时发生的。试问地面的观察者是否测得仍然同时？
答：车上的观察者测定认为这两次轰击是同时发生的事件，在地面的观察者
测得它们不再是同时发生的。由同时性的相对性可知：轰击车尾的闪电先发生。
5. 4 有下列几种说法：
(1) 所有惯性系对物理基本规律都是等价的．
(2) 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关．
(3) 在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同．
若问其中哪些说法是正确的, 答案是
(A) 只有(1)、(2)是正确的．
(B) 只有(1)、(3)是正确的．
(C) 只有(2)、(3)是正确的．
(D) 三种说法都是正确的． [ ]
解：这是一道概念题，平时牢记基本概念，可解此题。我们知道：所有惯性
系对物理基本规律都是等价的和光速不变原理，所以选D 。
5. 5 边长为a 的正方形薄板静止于惯性系K 的Oxy 平面内，且两边分别与x ，
y 轴平行．今有惯性系K ＇以 0.8c （c 为真空中光速）的速度相对于K 系沿x 轴
作匀速直线运动，则从K ＇系测得薄板的面积为
(A) 0.6a 2．
(B) 0.8 a2．
(C) a 2．
(D) a 2／0.6 ． [ ]
v 2
解： l =l 0-2=a -0. 82=0. 6a ，K ＇系测得薄板的面积为0.6a 2。 c
5. 6 有一直尺固定在K ′系中，它与Ox ′轴的夹角θ′＝45°，如果K ′系
以匀速度沿Ox 方向相对于K 系运动，K 系中观察者测得该尺与Ox 轴的夹角
(A) 大于45°．
(B) 小于45°．
(C) 等于45°．
(D) 当K ′系沿Ox 正方向运动时大于45°而当K ′系沿O 负方向运动时小
于45°． ［ A ］
解： 直尺固定在K ′系中，它与Ox ′轴的夹角θ′＝45°，则尺在K ′系中
的坐标为x '=y '；且K ′系以匀速度沿Ox 方向相对于K 系运动，则 y =y ', x x '，
K 系中观察者测得该尺与Ox 轴的夹角大于45°，选A 。
5. 7 K 系与K ＇系是坐标轴相互平行的两个惯性系，K ＇系相对于K 系沿
Ox 轴正方向匀速运动．一根刚性尺静止在K ＇系中，与O ' x ' 轴成 30°角．今
在K 系中观测得该尺与Ox 轴成 45°角，则K ＇系相对于K 系的速度是：
(A) (2/3)c ．
(B) (1/3)c ．
(C) (2/3)1/2c ．
(D) (1/3)1/2c ． [ C ]
解：当K ＇系相对于K 系沿Ox 轴正方向匀速运动．刚性尺静止在K ＇系中,
令尺长为l 0，x '=l 0cos 30︒=3l 0/2，在K 系中观测得该尺与Ox 轴成 45°角，
Y 轴方向上长度不变 x =y '=l 0sin 30︒=l 0 2
V 213l 0V 2
由 x =x '-2, l 0=1-2 c 22c
12v 2=(1-) c 2, v =c 。 33
5.8 有一速度为u 的宇宙飞船沿x 轴正方向飞行，飞船头尾各有一个脉冲
光源在工作，处于船尾的观察者测得船头光源发出的光脉冲的传播速度大小为
____________；处于船头的观察者测得船尾光源发出的光脉冲的传播速度大小为
__________。
解：因为光速不变原理，所以观察者测得船头光源和船尾光源发出的光脉冲
的传播速度大小相等，都是C 。
第6章
6.1 在爱因斯坦模型中，“有限”是说整个宇宙是一个弯曲封闭的体系，其
体积有限而物质分布均匀；“无边”即指无论向哪个方向运动都永远找不到尽头；
“静态”是指宇宙既不膨胀，也不收缩，永远处于一种稳定的状态。静态是就宇
宙整体而言的，并非说宇宙的各个部分都全然静止不动。
6.2 当光源背离我们运动时，发射光的光频变低，可观测到其光谱线（例如
氢原子谱线）向红端偏移，并且光源离开我们的速度越大谱线的红移量就越大；
而光源向我们飞来时，光频变高，光谱线则向紫端偏移。这两种情况在天文学中
分别被称作“红移”和“紫移”（也称蓝移）。我们今天正是从星系光谱普遍存
在的红移现象，得出了众星系正在远离我们—宇宙正在膨胀的结论。
6.3 哈勃在1922～1924年期间发现，并非都在银河系内。哈勃在分析
一批造父变星的亮度以后断定，这些造父变星和它们所在的星云距离我们远
达几十万光年，因而一定位于银河系外。这项于1924年公布的发现使天文学
家不得不改变对宇宙的看法。这一发现是哈勃成为星系天文学的奠基人。
6.4 当哈勃根据河外星系的形状对它们进行分类时，哈勃又得出
第二个重要的结论：星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速
度越高。这一结论意义深远，因为一直以来，天文学家都认为宇宙是静止的，
而现在发现宇宙是在膨胀的，并且更重要的是，哈勃于1929年还发现宇宙膨
胀的速率是一常数。
6.5 1929年，哈勃发表了堪称经典的重要论文“河外星云距离与视向速度的
关系”，令人信服地论证了：距离我们越远的河外星云，沿着观测者视线方向
远离我们而去的运动速度就越大，而且速度同距离两者之间存在着很好的正比
关系。这就是举世闻名的“哈勃定律”，其数学式为：
r =v /H （ 式中H 叫做哈勃常量）。
第7章
7.1 我们怎么知道曾经发生一次大爆炸？
答：我们正生活在宇宙学黄金时代，它开始于1992年，这一年一具观测卫星
绘制出了早期宇宙第一幅详尽的空间分布图。做出这些宇宙学新发现的关键是那
些奇妙的新观测仪器，像哈勃空间望远镜。理解新发现的关键是广义相对论，它
在研究一个整体宇宙时，预言了我们的三维空间在整个过去和未来时间中的演化
方式。在补充了若干天文观测结果后，广义相对论对宇宙的起源和演化得出了惊
人的结论：137亿年（误差小得令人惊奇，不超过1%）前，发生了一次叫做大
爆炸的事件，宇宙就是从这次事件开始的。
7.2 有哪四条独立的证据支持大爆炸理论？
答：研究教材。
7.3 大爆炸开始后，随着宇宙的膨胀，辐射的温度随之降低。大爆炸1秒钟
温度降低到了100亿度 ，这个温度是太阳中心的1千倍。此时的宇宙
中主要包含光子、电子、中微子和它们的反粒子（光子的反粒子就是它本身），
以及少量的质子和中子。
7.4 当温度降低到了几千度时 ，电子和原子核不能再抵抗彼此间相互的吸
引力而结合成原子。由于宇宙存在着小范围的不均匀，区域性的坍缩开始发生。
其中一些区域在区域外物体引力的作用下开始缓慢的旋转。当坍缩的区域逐渐缩
小，由于角动量的守恒，它自转的速度就逐渐加快。当区域变得足够小时，自转
的速度足以平衡引力的作用，象我们银河系这样的碟状星系就诞生了。
7.5 恒星由于引力坍缩产生的高温引发核聚变，聚变产生的能量又抵抗了继
部不断冷却，3K 就是目前的“余热”，而目前测到的光子正反映了当时宇宙的
快速拍摄照片。
7.8 当温度降到109K 的时候的情况（109K 的时候就是核物理起作用的范围），
最重要的一点是什么呢？
答：这是有一个过程，就是中子跟质子结合成氘核放出光子，但是如果温度
很高，比如说在109K 以上，背景的光子也很高，这个光子可以膨胀，使得氘核
又分解成为中子和质子。所以在109K 以上，这个过程是平衡的，双向的。
7.9 在形成4He ，109K 相当于宇宙年龄三分钟，宇宙刚刚诞只有三分钟，这
是形成了4He 、2H 、3He 、7Li ，这四种同位素都是在那个时候形成的，都是宇宙
年龄只有三分钟的时候形成的，而这几种同位素是稳定的同位素，一直到今天还
在，不信你可以去测量，比例是跟观测事实是完全符合的。这四种同位素在今天
宇宙的量就是宇宙年龄三分钟的那个古老的时刻的考古文物，我们可以倒退回去研究这四种同位素，得到的结论可以了解宇宙只有三分钟时候的情形。
7.10 一般来说，大爆炸宇宙学理论有哪三个观测基础？
答：1、星系红移为基础的哈勃膨胀；2、宇宙微波背景的细致测量； 3、
轻物质丰度。
7.11 哈勃定律：红移量与恒星离地球距离R 成正比
H z =HR =0R ，式中 H 0=(72±8) km ∙s -1∙(Mpc ) -1（哈c
勃常数）。
7.12 宇宙三分钟的过程，在降到3000K 的时候，又发生了一件大事，就是 质子要俘获一个电子而变成氢原子 。
7.13 一颗恒星走到生命的最后阶段，当它把内部一切可以燃烧的东西都燃烧
掉时，它就会轰然倒塌，转变成一颗白矮星。
7.14 中子星，又名（都是中子星，但中子星不一定是脉冲星，我们必须要
收到它的脉冲才算是。爆炸之后，可能成为
的少数终点之一。
7.15 白矮星与中子星的主要区别是什么？
答：白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电
子还是电子，原子核还是原子核。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的
简并电子压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原
子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可
以这样说，中子星就是一个巨大的原子核。
7.16 何为类星体？
答：类星体是一种辐射极强、距离我们很远的奇异天体，它们的大小不到1光
年，而光度却比直径约10万光年的巨大星系还大许多！
第8章
8.1 黑洞最早是由牛顿理论预言的。200多年前，英国科学家米歇尔和法国科
学家拉普拉斯指出，最大的星可能是看不见的。他们认为，当星体的万有引力强
大到能把自己发出的光拉回去时，外界就看不到这颗星了。
8.2 黑洞怎样才能被发现呢？
答：由于中子星和黑洞都有可能性与一个“伴星”组成“双星系统”，于是科
学家就有可能通过能发光的伴星的轨道，周期和谱线来分析发现看不见的主星黑
洞，从伴星发生辐射谱线的引力红移可以计算出黑洞的质量。
8.3 目前通过什么方法与手段探测黑洞？
答：黑洞虽然不能直接被观测到，但其周围强烈弯曲的时空却影响着周围天体或星际物质的运动速度，还能使路过其近处的光线发生弯曲，产生引力透镜效应（图8.2-1），这些都会留下供我们推测黑洞存在的“蛛丝马迹”。还有，物质被吸引而落向黑洞，在尚未抵达其视界时，会释放大量的势能，从而辐射出很强
γ射线，的X 射线或，所以利用仪器观测这些高能辐射也是搜索黑洞的重要线索。
一些黑洞（特别是超级大黑洞）在其吸积盘的轴向还会向两侧射出物质和能量的喷流，通过观测这些喷流，也能帮助人们推测黑洞的存在。
利用黑洞周围的星体及物质的运动速度来推测黑洞的存在，是一种最常用的较可靠的探测方法。
8.4 一颗中子星吸取其伴星物质也会发射出X 射线，由于其引力场不很强却不能导致辐射γ射线，而黑洞却能够。所以能否辐射γ射线也是区分黑洞和中子星的一种方法。
8.5 欧洲南方天文台用一架8.2 m口径的望远镜Kueyen 进行的最新研究表明，银心黑洞的质量大约为太阳的320万~400万倍。这一数据是通过观察围绕黑洞的恒星运动，由加利福尼亚大学的伯克利分校和洛杉矶分校的两组专家独立算出的。此外，伯克利分校的专家还准确测定了黑洞的自转周期为11分钟。
8.6 哪些过程能够产生出如此巨大的黑洞（质量量级可从7M ⊙到10M ⊙）呢？ 答：这大概有三种。第一是早期宇宙中团块的凝缩与碰撞；第二是恒星级黑洞的成长，只要周围有足够丰富的物质，一个质量为10M ⊙的恒星级黑洞就能够长成巨型黑洞；第三则是来自星团的引力坍缩及星系的碰撞。
8.7 天文学家德雷斯勒发现围绕仙女座星系中心旋转的恒星速度竟然接近150 km/s！这高速只可能有一种解释：仙女座星系中央存在着超级黑洞。无独有偶，另一位天文学家几乎在同时也有了同样的发现。这两位科学家所发现的正是自然界最强大的超级黑洞的存在证据。
8.8 1974年，在提出原始黑洞的概念后，霍金应用量子场论的方法推证得出，一定质量的黑洞都有一定的温度，因而能发出热辐射，被人们称为霍金辐射。
8.9 什么是白洞？
答：白洞却是宇宙中最“慷慨”的天体，各类高能物质乃至光线从这个源涌向宇宙，包括外来的物质和能量它也一概加以排斥。白洞也有一个封闭的“视界”，但与黑洞相反，时空曲率在这里是负无限大，界内的物质只可以经边界向外运动，而不能反向；界外更是斥力无限大，即使是射向白洞奇点的光，也会在其视界上折返。白洞是一个负引力源，其外部的引力性质与黑洞相同。有人猜测，性情怪异的类星体核心可能就是一个白洞。
8.10 宇宙膨胀初期产生了大量的时空泡沫，随着膨胀的发展，时空泡沫逐渐演化成宇宙泡。虫洞就是源于宇宙泡之间的隧道，并且可能不止一条，有的并不通向另外的宇宙泡，而只连同自身的两部分，就像“手柄”。虫洞的端口就是黑洞和白洞，就是源和汇。
8.11虫洞与黑洞、白洞的接口是一个时空管道和两个时空闭合区的连接，虫洞的时空曲率并不是无限大，而我们可以安全地通过虫洞，而不被巨大的引力摧毁。
8.12 时间旅行可行 如何建造时光机器？答：英国剑桥大学教授、著名广义相对论和宇宙论家斯蒂芬·霍金在《每日邮
报》网站发表文章，题为《如何建造时光机器》。霍金在文章中称，时间旅行是可行的，我们只需要一个“虫洞”、一个超大强子对撞机或者一个很快很快很快的火箭。
第8章
9.1 你喜欢宇宙学吗？
9.2 你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？
9.3 我们怎么知道暗物质的存在？
答：有几种独立的观察方法表明：大部分星系（包括我们本星系在内），主要是由暗物质构成的。其中一种方法是，根据星系都是旋转结构（其中恒星和气体环绕星系中心公转）的事实。像行星环绕太阳公转一样，恒星和气体是被星系的大质量中心引力拉力保持在它们的大致为圆的轨道上的。在天文学家观察恒星和气体云环绕它们的星系中心公转时，发现它们的速度如此之高，使得星系将会飞散，除非它们被比我们实际看到的多许多倍的物质的引力拉力保持在一起。
天文学家发现，无论如何，用力学的方法测到的质量跟用光学测到的质量是不一样的，力学测到的质量要比光学测到的质量要大得多，不是大百分之几，而是大好几倍，甚至是一两个量级，所以这证明宇宙里实际上不仅仅有看得到的物质，还有光学上看不到的，但力学上还存在的物质。由此得到的结果就是暗物质是大量存在的。
9.4我们怎么知道宇宙在加速膨胀？
答：在20世纪90年代，宇宙学家设法测量出宇宙膨胀速度的减少率。这个结果于1998年发表，令人大吃一惊：宇宙膨胀根本不减慢，反而加速膨胀。
近年来，天文学家发明一种特别有效的方法测量宇宙膨胀的距离和速度。现代的大型望远镜能够检测到一种特别的超新星爆发。这种“1A 型超新星”足够明亮，即使在大于可观察宇宙的半径的一半的距离上都可以看见。我们还知道所有的1A 型超新星都接近于全同，并且它们都在爆发后的大约一个月的最大强度阶段以相同的亮度发光。由于它们的实际亮度全都相同，离地球越远的这种超新星看起来就越模糊，从它们的亮度就可以推断它们离我们多远。于是，1A 型超新星成了我们知道宇宙膨胀速率和大距离的最精确的标识物。它们的精确程度不但可以决定宇宙的遥远部分膨胀的速率，而且可以确定膨胀的速度的变化率——加速度。1998年，这些观察显示出：宇宙膨胀实际上是在加快。
9.5我们怎么知道暗能量的存在？
答：宇宙膨胀实际上是在加快，使我们更加感到困惑，宇宙所有物资的向内的拉力应当使宇宙膨胀减慢，但它却在加速，是什么在推它？由于加速度是由力引起的，加速膨胀意味着有什么东西把空间结构向外推，是什么东西呢？肯定它既不是普通物质又不是暗物质，因为它们的引力只能是拉力而不是推力。科学家们相信，全部空间，甚至包括真空，必定包含某种新形式的非实物的能量，使它们向外推，这种非实物的能量称为暗能量。
9.6 宇宙之外可能有很多宇宙吗？
答：围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
《物理学前沿》 思考题和习题精解
第1章
1.1 你喜欢宇宙学吗？为什么？
1.2 你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？
1.3 爱因斯坦指出：宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的！
1.4 宇宙是均匀的，这是很重要的一点，叫做 宇宙学原理 。
1.5 宇宙究竟是什么？古人的定义：“古往今来谓之宇，四方上下谓之宙。”
宇宙是天地万物的总称，是无限的空间和时间的统一，“宇”是空间的概念，是
无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。
1.6 在中国古代，关于宇宙的结构，主要有三派学说，即盖天说、浑天说和
宣夜说，此外还有昕天论、穹天论、安天论等。
1. 7 西方古宇宙说种种 古印度的宇宙说更为生动，他们把宇宙的天地解释
为“海中龟驮着大象，大象背着大陆，周围环绕大蛇”的“大象龟蛇”说。在西
方有古西方的宇宙鸟龟塔说。
1.8 1924年，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble ，1889-1953）发现T
仙女座大星云中的造父变星，并根据其光度变化周期推算出“仙女座大星云远在
银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统”的结论。这一重大发现最终
结束了多年来关于这类旋涡状星云是近邻天体还是银河系外的“宇宙岛”的争论，
将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到众多星系组成的广阔世界，开启了研究浩
瀚宇宙的新航程。
第2章
2.1 .1 仅通过直接观察，你怎样辨别天空中的一个特定天体是不是行星？
2.2 图 2.1-4中的星星是顺时针旋转还是逆时针转动？
2.3 描述一个你用眼睛能做的观察以否定下述理论：各行星附在一些透明球
壳上，这些球壳以复杂的方式旋转，但总是以地球为中心，行星就是这样绕地球
运行的（地心说）。
2.4我们怎么知道地球是圆的？
答：研究教材。
2.5 开普勒喜欢哥白尼的理论中的那些地方，不喜欢哪些地方？
答：开普勒喜欢哥白尼的理论中的 太阳作为宇宙的中心 , 不喜欢圆轨道。
2.6 哥白尼赞成毕达哥拉斯学派，认为宇宙是和谐的，可以用简单数学关系
表达宇宙规律的基本思想。可是在托勒密的 地心说 中，对环绕地球运动的太阳
河其他五颗行星的运动描述非常烦琐复杂、牵强。哥白尼发现如果把 太阳
作为宇宙的中心，一切将变的简单、清晰。
第3章
3.1我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转？
答：研究教材。
3.2 从哥白尼日心说的诞生过程看宗教对科学的作用是推动还是阻碍？
3.3 开普勒在第谷的观测数据的基础上，经过各种尝试，认识到了行星运动轨
道不是圆而是 椭圆 ，由此他提出了两个定律，分别是：
①椭圆定律，即 每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一个焦点
上 ；
②等面积定律，即 在行星与太阳间作一条直线，则此直线在行星运动时
在相同时间内扫过相等的面积 。
3.4 伽利略用来驳斥亚里士多德的教义——宇宙中只有地球一个中心，一切
都围绕它转的重要发现是 木星有4颗卫星，它们都围绕木星转 。
3.5 从哥白尼日心说的诞生过程看，宗教对科学的作用是推动还是阻碍？
3.6 对开普勒三定律的发现，你有哪些体会？
第4章
4.1 亚里士多德的运动把运动分为 自然运动 和 强迫运动 。伽利
略否定了这种运动划分，而是从运动的基本特征量： 速度 和 加速度 出
发，把运动分为 匀速运动 和 变速运动 。
4．2 伽利略选择了最简单的变速运动——匀加速运动进行研究，还开创性
地设计了 小球沿斜面滚下实验 ，这个实验被评为物理学史上“最美丽”
的十大实验之一。
4．3 爱因斯坦说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史
上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。” 伽利略对科学方法的贡
献是，他开创了科学实验 方法，并将 实验、观察， 与 理论思维
（科学假设，数学推理和演绎） 相结合，获得了突破性的发现。
4．4 牛顿出版的一部划时代的著作叫《自然 的数学原理》
A ．现象 ；
B ．科学；
C．哲学；
D．规律。 【 C． 】
4．5 从特殊到一般，再从一般回到特殊。前者被英国哲学家培根称为 归
纳法 ，它是以实验为基础的，后者被数学家兼哲学家笛卡尔称为 演绎
法 ，它必须依靠数学作为工具。在牛顿以前，一般认为这两种方法是互相排
斥的。牛顿在科学方法上的重大贡献就是将两种方法结合起来。他用自己的一系
列重大成果表明：就科学研究全过程而言，这两种方法是相辅相成、不可或缺的。
A ．观察法, 演绎法, ；
B ．归纳法, 演绎法, ；
C ．测量法, 演绎法；
D ．演绎法, 分析法。 【 B, 】
4．6 第一宇宙速度是指 绕地球运行的速度 ，这个概念最先是由
牛顿 提出的。
4．7 第二宇宙速度是指 逃离地球的速度 ，这个概念最先是由 牛
顿 提出的。
A ．绕地球运行的速度，伽利略 ；
B ．逃离地球的速度，牛顿；
C ．逃离太阳的速度，牛顿；
D ．绕地球运行的速度，牛顿。 [ B ]
4．8 万有引力公式F =-G m 1m 2中的G 叫做万有引力常数，R 2
它最早是由 卡文迪许 通过 扭秤 实验测得的。
4．9 万有引力定律不仅正确地解释已知行星的运动规律，并准确预言了
哈雷 彗星的轨道和出现的周期等，还发现了一颗新的行星，它是 海王
星 。
第5章
5.1 爱因斯坦建立狭义相对论的两个基本假设是：
① 相对性原理 ；
② 光速不变原理 。
5.2 爱因斯坦的质能关系式是=mc 2
5.3前进的一列火车的车头和车尾各遭到一次闪电轰击，据车上的观察者的
测定这两次轰击是同时发生的。试问地面的观察者是否测得仍然同时？
答：车上的观察者测定认为这两次轰击是同时发生的事件，在地面的观察者
测得它们不再是同时发生的。由同时性的相对性可知：轰击车尾的闪电先发生。
5. 4 有下列几种说法：
(1) 所有惯性系对物理基本规律都是等价的．
(2) 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关．
(3) 在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同．
若问其中哪些说法是正确的, 答案是
(A) 只有(1)、(2)是正确的．
(B) 只有(1)、(3)是正确的．
(C) 只有(2)、(3)是正确的．
(D) 三种说法都是正确的． [ ]
解：这是一道概念题，平时牢记基本概念，可解此题。我们知道：所有惯性
系对物理基本规律都是等价的和光速不变原理，所以选D 。
5. 5 边长为a 的正方形薄板静止于惯性系K 的Oxy 平面内，且两边分别与x ，
y 轴平行．今有惯性系K ＇以 0.8c （c 为真空中光速）的速度相对于K 系沿x 轴
作匀速直线运动，则从K ＇系测得薄板的面积为
(A) 0.6a 2．
(B) 0.8 a2．
(C) a 2．
(D) a 2／0.6 ． [ ]
v 2
解： l =l 0-2=a -0. 82=0. 6a ，K ＇系测得薄板的面积为0.6a 2。 c
5. 6 有一直尺固定在K ′系中，它与Ox ′轴的夹角θ′＝45°，如果K ′系
以匀速度沿Ox 方向相对于K 系运动，K 系中观察者测得该尺与Ox 轴的夹角
(A) 大于45°．
(B) 小于45°．
(C) 等于45°．
(D) 当K ′系沿Ox 正方向运动时大于45°而当K ′系沿O 负方向运动时小
于45°． ［ A ］
解： 直尺固定在K ′系中，它与Ox ′轴的夹角θ′＝45°，则尺在K ′系中
的坐标为x '=y '；且K ′系以匀速度沿Ox 方向相对于K 系运动，则 y =y ', x x '，
K 系中观察者测得该尺与Ox 轴的夹角大于45°，选A 。
5. 7 K 系与K ＇系是坐标轴相互平行的两个惯性系，K ＇系相对于K 系沿
Ox 轴正方向匀速运动．一根刚性尺静止在K ＇系中，与O ' x ' 轴成 30°角．今
在K 系中观测得该尺与Ox 轴成 45°角，则K ＇系相对于K 系的速度是：
(A) (2/3)c ．
(B) (1/3)c ．
(C) (2/3)1/2c ．
(D) (1/3)1/2c ． [ C ]
解：当K ＇系相对于K 系沿Ox 轴正方向匀速运动．刚性尺静止在K ＇系中,
令尺长为l 0，x '=l 0cos 30︒=3l 0/2，在K 系中观测得该尺与Ox 轴成 45°角，
Y 轴方向上长度不变 x =y '=l 0sin 30︒=l 0 2
V 213l 0V 2
由 x =x '-2, l 0=1-2 c 22c
12v 2=(1-) c 2, v =c 。 33
5.8 有一速度为u 的宇宙飞船沿x 轴正方向飞行，飞船头尾各有一个脉冲
光源在工作，处于船尾的观察者测得船头光源发出的光脉冲的传播速度大小为
____________；处于船头的观察者测得船尾光源发出的光脉冲的传播速度大小为
__________。
解：因为光速不变原理，所以观察者测得船头光源和船尾光源发出的光脉冲
的传播速度大小相等，都是C 。
第6章
6.1 在爱因斯坦模型中，“有限”是说整个宇宙是一个弯曲封闭的体系，其
体积有限而物质分布均匀；“无边”即指无论向哪个方向运动都永远找不到尽头；
“静态”是指宇宙既不膨胀，也不收缩，永远处于一种稳定的状态。静态是就宇
宙整体而言的，并非说宇宙的各个部分都全然静止不动。
6.2 当光源背离我们运动时，发射光的光频变低，可观测到其光谱线（例如
氢原子谱线）向红端偏移，并且光源离开我们的速度越大谱线的红移量就越大；
而光源向我们飞来时，光频变高，光谱线则向紫端偏移。这两种情况在天文学中
分别被称作“红移”和“紫移”（也称蓝移）。我们今天正是从星系光谱普遍存
在的红移现象，得出了众星系正在远离我们—宇宙正在膨胀的结论。
6.3 哈勃在1922～1924年期间发现，并非都在银河系内。哈勃在分析
一批造父变星的亮度以后断定，这些造父变星和它们所在的星云距离我们远
达几十万光年，因而一定位于银河系外。这项于1924年公布的发现使天文学
家不得不改变对宇宙的看法。这一发现是哈勃成为星系天文学的奠基人。
6.4 当哈勃根据河外星系的形状对它们进行分类时，哈勃又得出
第二个重要的结论：星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速
度越高。这一结论意义深远，因为一直以来，天文学家都认为宇宙是静止的，
而现在发现宇宙是在膨胀的，并且更重要的是，哈勃于1929年还发现宇宙膨
胀的速率是一常数。
6.5 1929年，哈勃发表了堪称经典的重要论文“河外星云距离与视向速度的
关系”，令人信服地论证了：距离我们越远的河外星云，沿着观测者视线方向
远离我们而去的运动速度就越大，而且速度同距离两者之间存在着很好的正比
关系。这就是举世闻名的“哈勃定律”，其数学式为：
r =v /H （ 式中H 叫做哈勃常量）。
第7章
7.1 我们怎么知道曾经发生一次大爆炸？
答：我们正生活在宇宙学黄金时代，它开始于1992年，这一年一具观测卫星
绘制出了早期宇宙第一幅详尽的空间分布图。做出这些宇宙学新发现的关键是那
些奇妙的新观测仪器，像哈勃空间望远镜。理解新发现的关键是广义相对论，它
在研究一个整体宇宙时，预言了我们的三维空间在整个过去和未来时间中的演化
方式。在补充了若干天文观测结果后，广义相对论对宇宙的起源和演化得出了惊
人的结论：137亿年（误差小得令人惊奇，不超过1%）前，发生了一次叫做大
爆炸的事件，宇宙就是从这次事件开始的。
7.2 有哪四条独立的证据支持大爆炸理论？
答：研究教材。
7.3 大爆炸开始后，随着宇宙的膨胀，辐射的温度随之降低。大爆炸1秒钟
温度降低到了100亿度 ，这个温度是太阳中心的1千倍。此时的宇宙
中主要包含光子、电子、中微子和它们的反粒子（光子的反粒子就是它本身），
以及少量的质子和中子。
7.4 当温度降低到了几千度时 ，电子和原子核不能再抵抗彼此间相互的吸
引力而结合成原子。由于宇宙存在着小范围的不均匀，区域性的坍缩开始发生。
其中一些区域在区域外物体引力的作用下开始缓慢的旋转。当坍缩的区域逐渐缩
小，由于角动量的守恒，它自转的速度就逐渐加快。当区域变得足够小时，自转
的速度足以平衡引力的作用，象我们银河系这样的碟状星系就诞生了。
7.5 恒星由于引力坍缩产生的高温引发核聚变，聚变产生的能量又抵抗了继
部不断冷却，3K 就是目前的“余热”，而目前测到的光子正反映了当时宇宙的
快速拍摄照片。
7.8 当温度降到109K 的时候的情况（109K 的时候就是核物理起作用的范围），
最重要的一点是什么呢？
答：这是有一个过程，就是中子跟质子结合成氘核放出光子，但是如果温度
很高，比如说在109K 以上，背景的光子也很高，这个光子可以膨胀，使得氘核
又分解成为中子和质子。所以在109K 以上，这个过程是平衡的，双向的。
7.9 在形成4He ，109K 相当于宇宙年龄三分钟，宇宙刚刚诞只有三分钟，这
是形成了4He 、2H 、3He 、7Li ，这四种同位素都是在那个时候形成的，都是宇宙
年龄只有三分钟的时候形成的，而这几种同位素是稳定的同位素，一直到今天还
在，不信你可以去测量，比例是跟观测事实是完全符合的。这四种同位素在今天
宇宙的量就是宇宙年龄三分钟的那个古老的时刻的考古文物，我们可以倒退回去研究这四种同位素，得到的结论可以了解宇宙只有三分钟时候的情形。
7.10 一般来说，大爆炸宇宙学理论有哪三个观测基础？
答：1、星系红移为基础的哈勃膨胀；2、宇宙微波背景的细致测量； 3、
轻物质丰度。
7.11 哈勃定律：红移量与恒星离地球距离R 成正比
H z =HR =0R ，式中 H 0=(72±8) km ∙s -1∙(Mpc ) -1（哈c
勃常数）。
7.12 宇宙三分钟的过程，在降到3000K 的时候，又发生了一件大事，就是 质子要俘获一个电子而变成氢原子 。
7.13 一颗恒星走到生命的最后阶段，当它把内部一切可以燃烧的东西都燃烧
掉时，它就会轰然倒塌，转变成一颗白矮星。
7.14 中子星，又名（都是中子星，但中子星不一定是脉冲星，我们必须要
收到它的脉冲才算是。爆炸之后，可能成为
的少数终点之一。
7.15 白矮星与中子星的主要区别是什么？
答：白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电
子还是电子，原子核还是原子核。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的
简并电子压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原
子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可
以这样说，中子星就是一个巨大的原子核。
7.16 何为类星体？
答：类星体是一种辐射极强、距离我们很远的奇异天体，它们的大小不到1光
年，而光度却比直径约10万光年的巨大星系还大许多！
第8章
8.1 黑洞最早是由牛顿理论预言的。200多年前，英国科学家米歇尔和法国科
学家拉普拉斯指出，最大的星可能是看不见的。他们认为，当星体的万有引力强
大到能把自己发出的光拉回去时，外界就看不到这颗星了。
8.2 黑洞怎样才能被发现呢？
答：由于中子星和黑洞都有可能性与一个“伴星”组成“双星系统”，于是科
学家就有可能通过能发光的伴星的轨道，周期和谱线来分析发现看不见的主星黑
洞，从伴星发生辐射谱线的引力红移可以计算出黑洞的质量。
8.3 目前通过什么方法与手段探测黑洞？
答：黑洞虽然不能直接被观测到，但其周围强烈弯曲的时空却影响着周围天体或星际物质的运动速度，还能使路过其近处的光线发生弯曲，产生引力透镜效应（图8.2-1），这些都会留下供我们推测黑洞存在的“蛛丝马迹”。还有，物质被吸引而落向黑洞，在尚未抵达其视界时，会释放大量的势能，从而辐射出很强
γ射线，的X 射线或，所以利用仪器观测这些高能辐射也是搜索黑洞的重要线索。
一些黑洞（特别是超级大黑洞）在其吸积盘的轴向还会向两侧射出物质和能量的喷流，通过观测这些喷流，也能帮助人们推测黑洞的存在。
利用黑洞周围的星体及物质的运动速度来推测黑洞的存在，是一种最常用的较可靠的探测方法。
8.4 一颗中子星吸取其伴星物质也会发射出X 射线，由于其引力场不很强却不能导致辐射γ射线，而黑洞却能够。所以能否辐射γ射线也是区分黑洞和中子星的一种方法。
8.5 欧洲南方天文台用一架8.2 m口径的望远镜Kueyen 进行的最新研究表明，银心黑洞的质量大约为太阳的320万~400万倍。这一数据是通过观察围绕黑洞的恒星运动，由加利福尼亚大学的伯克利分校和洛杉矶分校的两组专家独立算出的。此外，伯克利分校的专家还准确测定了黑洞的自转周期为11分钟。
8.6 哪些过程能够产生出如此巨大的黑洞（质量量级可从7M ⊙到10M ⊙）呢？ 答：这大概有三种。第一是早期宇宙中团块的凝缩与碰撞；第二是恒星级黑洞的成长，只要周围有足够丰富的物质，一个质量为10M ⊙的恒星级黑洞就能够长成巨型黑洞；第三则是来自星团的引力坍缩及星系的碰撞。
8.7 天文学家德雷斯勒发现围绕仙女座星系中心旋转的恒星速度竟然接近150 km/s！这高速只可能有一种解释：仙女座星系中央存在着超级黑洞。无独有偶，另一位天文学家几乎在同时也有了同样的发现。这两位科学家所发现的正是自然界最强大的超级黑洞的存在证据。
8.8 1974年，在提出原始黑洞的概念后，霍金应用量子场论的方法推证得出，一定质量的黑洞都有一定的温度，因而能发出热辐射，被人们称为霍金辐射。
8.9 什么是白洞？
答：白洞却是宇宙中最“慷慨”的天体，各类高能物质乃至光线从这个源涌向宇宙，包括外来的物质和能量它也一概加以排斥。白洞也有一个封闭的“视界”，但与黑洞相反，时空曲率在这里是负无限大，界内的物质只可以经边界向外运动，而不能反向；界外更是斥力无限大，即使是射向白洞奇点的光，也会在其视界上折返。白洞是一个负引力源，其外部的引力性质与黑洞相同。有人猜测，性情怪异的类星体核心可能就是一个白洞。
8.10 宇宙膨胀初期产生了大量的时空泡沫，随着膨胀的发展，时空泡沫逐渐演化成宇宙泡。虫洞就是源于宇宙泡之间的隧道，并且可能不止一条，有的并不通向另外的宇宙泡，而只连同自身的两部分，就像“手柄”。虫洞的端口就是黑洞和白洞，就是源和汇。
8.11虫洞与黑洞、白洞的接口是一个时空管道和两个时空闭合区的连接，虫洞的时空曲率并不是无限大，而我们可以安全地通过虫洞，而不被巨大的引力摧毁。
8.12 时间旅行可行 如何建造时光机器？答：英国剑桥大学教授、著名广义相对论和宇宙论家斯蒂芬·霍金在《每日邮
报》网站发表文章，题为《如何建造时光机器》。霍金在文章中称，时间旅行是可行的，我们只需要一个“虫洞”、一个超大强子对撞机或者一个很快很快很快的火箭。
第8章
9.1 你喜欢宇宙学吗？
9.2 你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？
9.3 我们怎么知道暗物质的存在？
答：有几种独立的观察方法表明：大部分星系（包括我们本星系在内），主要是由暗物质构成的。其中一种方法是，根据星系都是旋转结构（其中恒星和气体环绕星系中心公转）的事实。像行星环绕太阳公转一样，恒星和气体是被星系的大质量中心引力拉力保持在它们的大致为圆的轨道上的。在天文学家观察恒星和气体云环绕它们的星系中心公转时，发现它们的速度如此之高，使得星系将会飞散，除非它们被比我们实际看到的多许多倍的物质的引力拉力保持在一起。
天文学家发现，无论如何，用力学的方法测到的质量跟用光学测到的质量是不一样的，力学测到的质量要比光学测到的质量要大得多，不是大百分之几，而是大好几倍，甚至是一两个量级，所以这证明宇宙里实际上不仅仅有看得到的物质，还有光学上看不到的，但力学上还存在的物质。由此得到的结果就是暗物质是大量存在的。
9.4我们怎么知道宇宙在加速膨胀？
答：在20世纪90年代，宇宙学家设法测量出宇宙膨胀速度的减少率。这个结果于1998年发表，令人大吃一惊：宇宙膨胀根本不减慢，反而加速膨胀。
近年来，天文学家发明一种特别有效的方法测量宇宙膨胀的距离和速度。现代的大型望远镜能够检测到一种特别的超新星爆发。这种“1A 型超新星”足够明亮，即使在大于可观察宇宙的半径的一半的距离上都可以看见。我们还知道所有的1A 型超新星都接近于全同，并且它们都在爆发后的大约一个月的最大强度阶段以相同的亮度发光。由于它们的实际亮度全都相同，离地球越远的这种超新星看起来就越模糊，从它们的亮度就可以推断它们离我们多远。于是，1A 型超新星成了我们知道宇宙膨胀速率和大距离的最精确的标识物。它们的精确程度不但可以决定宇宙的遥远部分膨胀的速率，而且可以确定膨胀的速度的变化率——加速度。1998年，这些观察显示出：宇宙膨胀实际上是在加快。
9.5我们怎么知道暗能量的存在？
答：宇宙膨胀实际上是在加快，使我们更加感到困惑，宇宙所有物资的向内的拉力应当使宇宙膨胀减慢，但它却在加速，是什么在推它？由于加速度是由力引起的，加速膨胀意味着有什么东西把空间结构向外推，是什么东西呢？肯定它既不是普通物质又不是暗物质，因为它们的引力只能是拉力而不是推力。科学家们相信，全部空间，甚至包括真空，必定包含某种新形式的非实物的能量，使它们向外推，这种非实物的能量称为暗能量。
9.6 宇宙之外可能有很多宇宙吗？
答：围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。