天文教育I: 万有引力与天体物理*

徐仁新>

(1 北京大学物理学院天文学系北京100871)

(2 北京大学核物理与核技术国家重点实验室北京100871)

1 从物理到天体物理

透过缤纷现象认识繁杂事物之本质推动了人类文明和进步; 从远古的金木水火土到如今的夸克与轻子， 概莫能外. 无疑， 物理学在这方面发挥了关键作用. 物理学科关注构成不同层次物质的基本单元及其间的相互作用. 诚然， 万有引力1“Gravity”一词亦被译为“重力”. 本文中“引力”均指“万有引力”.为最早认识的一种基本相互作用， 不过在人们探究较小尺度物理时(无论是传统的电磁力还是后来的强力、弱力等过程)， 它往往可被忽略. 目前， 粒子物理标准模型囊括了除引力之外的所有物理，但是引力却至今未能成功地纳入量子论框架.

在探究较大尺度物理时， 引力效应则不可忽略; 这正是天文学家2当然， 引力在包括地球在内的行星物理学中的地位也不能忽略.面对宇观现象时的处境. 可见， 从基本物理规律出发研究宇观客体时就不得不重视万有引力作用的存在， 相关的学科以天体物理学为主体. 简言之， 天体物理本质上具有物理学灵魂， 只不过在这类物理中引力构成核心要素罢了.

引力所扮演的角色可以归纳为如下两个方面:

(1)引力主导的物质运动. 在物质的状态已知或可被近似为质点系的情况下， 可以依据万有引力定律演绎若干宇观现象. 这方面的例子包括: 太阳系动力学及其稳定性、双星系统及演化、双致密星旋……