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从19世纪中叶以来，物理学的发展把天文学推到一个新的阶段，以测定天体亮度和光谱为起点的天体物理学开始蓬勃发展，并成为20 世纪天文学的主流。以爱因斯坦为代表的新一代物理学家，创立了相对论和量子力学，也使天文学特别是天体物理学产生了巨大的飞跃，在20世纪初开始了现代天文学的进程。
19世纪中叶物理学的发展促进了天体物理学新学科的产生。天体物理学就是用物理学的基本原理来解释天体的形态、结构、物理状态、化学组成，以及天体产生和演化的科学。最先发展起来的是以测量天体的亮度和光谱为起点的光学天文学。
到19世纪末20世纪初，以爱因斯坦为代表的新一代物理学家，进行了物理学的第三次革命，创立了相对论和量子力学。物理学经历了从经典物理到现代物理过渡的发展阶段，天体物理学也受到巨大的刺激。天文学特别是天体物理学也随着物理学的发展产生了巨大的飞跃，在20世纪初开始了现代天文学的进程。物理学的几乎所有分支学科，如原子物理学、量子力学、原子核物理学、狭义相对论、广义相对论、等离子体物理学、固态物理学、致密态物理学、高能物理学等很快就成为天体物理学新的理论基础。并逐步形成相对论天体物理学、等离子体天体物理学、高能天体物理学、宇宙磁流体力学、核天体物理学等分支学科。天体物理学也成为物理学的一个重要分支。1984年，国际纯粹及应用物理联盟设立了天体物理学委员会。
随着物理学的发展，物理学家必然要把宇宙及各种天体作为物理学的实验室，比如，中子星提供了超高密、超强磁场、超强压力和超强辐射的空间实验室。类似的例子很多。在宇宙中所发生的种种物理过程比地球上所能发生的多得多。在地球上做不到的物理实验，在宇宙中可以找到。物理学家涉足天文学领域的研究成为必然。天文学家也密切注视物理学的发展，期望用物理学的原理来解释我们的宇宙的过去、现在和将来。
天文学观测和理论研究也给物理学以巨大的刺激和挑战。如氦元素首先是在太阳光谱观测中发现的，然后再在地球的实验室中找到。对太阳及恒星内部结构和能量来源的研究获得了热核聚变反应的概念；对星云谱线的分析提供了原子禁线理论的线索；从恒星演化理论发展出元素综合理论等；白矮星的发现曾使物理学家手足无措，因为那时还没有物理理论能解释白矮星的致密态；视超光速现象的发现需要物理学家认真考虑是否存在超过光速的运动；高能天体类星体、星系核、γ射线暴等的能量来源还不能从现有的物理学规律中找到答案，等等。
美籍德国科学家爱因斯坦是公认的20 世纪最伟大的科学家，出生于1879年。1900年8月爱因斯坦在苏黎世工业大学毕业以后约1年左右，才找到了一份瑞士专利局的工作。他没有受过名师的教诲，没有从事科学研究的条件，可是，他却对当时物理学中最困难的“以太之谜”的问题酝酿已久。1905 年作为公务员的爱因斯坦在科学上取得了丰硕的成果，在物理学三个未知领域里，齐头并进，三篇论文同时打响。一篇论文是讨论布朗运动的，以最有力的证据证明了分子的存在；另一篇论文发展了普朗克的量子论，提出了光量子假设，他因此于1921年获得诺贝尔物理学奖；还有一篇论文是《论动体的电动力学》，宣告了狭义相对论的诞生，开创了物理学的新纪元。
图1-14 美籍德国科学家爱因斯坦
狭义相对论只针对匀速运动的情况，爱因斯坦继而进行把相对论扩展到非匀速运动情况的研究。经过10年的努力于1915年完成了广义相对论。由于广义相对论主要是数学的推理结果，所以，刚问世时，许多物理学家都视之为拼凑出来的数学游戏，不屑一顾。为了验证广义相对论的理论，爱因斯坦提出了三个可以用天文学观测来验证的广义相对论“效应”。果然，经过天文学家的努力，一一验证了这三个效应。广义相对论也由此成为一门新兴的天文学学科。
第一个效应是水星近日点附加的进动。离太阳最近的水星，每绕太阳公转一周，它离太阳最近那一点的位置就有些改变，这就是所谓水星近日点的进动。这是法国天文学家勒维耶发现的一种现象。由牛顿力学解释这一现象，水星近日点进动仍余下43 秒找不到原因，不够完满。爱因斯坦根据他的理论，精确算出了水星轨道的正确数值，并且与观测到的数值完全一致。
第二个效应是光线在太阳引力场中弯曲。当恒星发出的光线在太阳近旁掠过时稍有弯曲。这种效应在日全食时能够观测到。第一次世界大战结束后不久，英国天文学家爱丁顿领导的日全食观测队证实了爱因斯坦根据广义相对论理论计算出的理论值是正确的。
第三个效应是引力红移。恒星发出的光谱谱线由于强大引力的作用使得发射出的光的振动频率减少了，波长就相应地增大，也就是红移了。天文学家在天狼星伴星这颗致密的白矮星中，首先验证了引力红移。
广义相对论还有一个重要的推论就是引力波的存在，这一预言也由对1974年发现的射电脉冲星双星系统的长期观测得到了验证。
闻名于世的“诺贝尔奖”，每年一次授予在物理学、化学、生物学、医学等自然科学领域及为人类和平事业作出卓越贡献的人，至今已超过100年了。20世纪以来，天文观测和物理实验、天体物理学与物理学各个分支之间的渗透逐步加强，天文观测发现的天体物理过程已是物理学实验所无法实现的，宇宙及各种天体已成为物理学的巨大天然实验室。天体物理学的一些突出成果大大推进了物理学的发展，获得杰出成就的天文学家获“诺贝尔物理学奖”就是很自然的事情了。
从1970年瑞典天文学家阿尔文因创建太阳和宇宙磁流体力学而获诺贝尔物理学奖开始至今，有7个年度，10项物理学奖项授予14位天文学家。
表2给出荣获诺贝尔物理学奖的项目和天文学家的简要情况。可以看出：全部10个获奖项目中与射电天文学直接有关的多达5 项共8人，反映了新兴学科领域的强大生命力。这10 个获奖项目与物理学理论和观测研究相关的程度非常紧密。当代天体物理学在整个物理学中已具有举足轻重的地位。
也有学者认为，如下3 项诺贝尔物理学奖也应归为天文成果：1936年奥地利物理学家黑斯因发现宇宙线而荣获诺贝尔物理学奖；1964 年，汤斯因研制微波激射器获诺贝尔物理学奖；1967贝特因对核反应理论所作的贡献，特别是涉及恒星能量生成的发现获诺贝尔物理学奖。这样，天文项目获诺贝尔物理学奖的项目就达到13项，获奖科学家这达到17人。
表2 天文学领域获诺贝尔奖的情况
取得成果到获奖之间时间间隔最短的是休伊什发现脉冲星的奖项，但也有7年。任何一项研究成果都需要经受时间的考验，每项成果本身也需要完善和发展。如果仅是发现脉冲星，而不能证认为理论预言的中子星，那也不可能获得诺贝尔物理学奖的。脉冲星发现后，不仅是休伊什对证认脉冲星为中子星问题有重要贡献，其它天文学家也作出了贡献，甚至是更重要的贡献。脉冲星的发现开辟了一个崭新的学科领域，把许许多多的天文学家和物理学家吸引来从事脉冲星的研究，这也是该发现所具有的划时代意义的表现。钱德拉塞卡在73 岁高龄时获奖，是对他几十年的研究工作总的评价。天文研究需要有长期的计划和系统性的研究。
1.简评我国古代天文学的成就和不足。
2.简述托勒密的地心说，为什么这一错误的学说能统治1500年之久？
3.简述哥白尼的日心说的要点及其伟大意义。
4.什么是开普勒三大定律？它们有什么重要性？
5.举例说明现代天文学与物理学的关系。
6.你对本讲中介绍的哪一位天文学家的事迹最感兴趣？为什么？