巴蜀中學選修課程生活中的物理之天文學發(fā)展

1、天文學發(fā)展,第1講 天文學發(fā)展史第2講 光與天文望遠鏡第3講 天體的視運動,第1講天文學發(fā)展史,本講內(nèi)容,引言：中國古代天文學成就（簡介）古希臘天文學天文學的發(fā)展期哥白尼、第谷、開普勒和伽利略牛頓的萬有引力定律愛因斯坦的相對論,星座（星宿、星宮）赤道坐標系太陽黑子：公元前140年，歐洲（807年）日食：約4000年前，650次（春秋戰(zhàn)國-元末1368年）彗星、流星和隕石新星和超新星古代天文研究古代天文

2、儀器張衡、祖沖之、一行、沈括、郭守敬等,1。古希臘的地球中心說,從亞里斯多德到托勒密的地球中心學說古希臘人首先采用觀測和模型解釋宇宙內(nèi)在的邏輯性和系統(tǒng)性大約2000年,畢達哥拉斯的宇宙觀,Pythagorean （569-475 B.C.） 總結出關于天體運動的3個常識：同心圓軌道：行星、太陽、月亮和恒星都在完美的同心圓軌道上運動勻速圓周運動：行星、太陽、月亮和恒星都在作勻速圓周運動地球中心：地球處于所有天體運動的正中心

3、,行星的運動難題,相對于背景恒星，行星為什么是“流浪漢”？（需數(shù)月觀測）順行：向東逆行：向西逆行時行星變亮,在地球為行星運動靜止中心的錯誤思想指引下，古希臘人對行星的運動做出了幾何解釋，特別是“詭異”的逆行和亮度變化,科學鼻祖：亞里斯多德,Aristotle (384-322 B.C.)可能是歷史上對多個學科（科學，神學，哲學等等）最具影響力的人物他的思想不可挑戰(zhàn)長達幾乎2000年之久，直到……,亞里斯多德：地球中心學說,天體

4、鑲嵌在55個轉動速度不同的同心水晶球層上，每個球層作勻速圓周運動，地球處于中心 “原動力” 使最外層天球勻速轉動，并一層一層向內(nèi)傳遞，導致所有天體的轉動,不能解釋行星的逆行和亮度變化,本輪 Epicycles 解釋行星逆行與變亮,行星不是固定在同心球層（均輪）上，而是固定在本輪上，但是本輪固定在同心球層上本輪中心和本輪即行星均沿同一方向作勻速圓周運動,本輪,均輪,*需要多個本輪*,在某些情況下，本輪套本輪實際模型：本輪中心作勻

5、速圓周運動，但不圍繞均輪的中心，其圍繞中心偏離均輪的中心,Ptolemy‘s Geocentric Universe 托勒密的地球中心學說,提出完備的以地球為中心的宇宙論解釋行星的逆行和亮度變化，且依然維持所有天體的運動都是勻速圓周運動天體是完美的，內(nèi)稟特征（如亮度）不變地球是宇宙的中心,Ptolemy 85-165 C.E.,行星皆以本輪的軌跡運動，而本輪中心依附均輪的大正圓繞地球轉動水星、金星的本輪中心和地球及太陽的中

6、心永遠連成一條直線 ? 水星、金星與太陽幾乎同升同落，但不能解釋金星的圓缺 眾星則依附在一個最外層的大天球上,本輪,西方思想停滯的中世紀,托勒密于公元150年在長達13卷名為Almagest (The Greatest《天文學大成》/《至大論》）的巨著中發(fā)表了他的地球中心說這個理論所預測的行星位置和實際位置的誤差在數(shù)度之內(nèi)，因此主宰西方世界約1500年之久！*阿拉伯伊斯蘭文明興起*,2。天文學的發(fā)展期,哥白尼：太陽中心說，發(fā)展的起

7、點（首次揭示真實）第谷（·布拉赫）：杰出的觀測 開普勒：行星運動定律；理論直覺伽利略： “首次”使用望遠鏡觀測天空 (1609)，他的天文與物理發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了古希臘學說,Copernicus’s heliocentric universe哥白尼的太陽中心學說,>,Nicolai Copernicus1473-1543 Poland,對行星運動的簡單解釋,逆行：小軌道行星（地球）比大軌道行星（火星）繞日公轉得更

8、快亮度變化：行星到地球的距離在變化,哥白尼學說的意義,亞里斯多德體系的3個主要錯誤觀點：1。中心； 2。運動； 3。物質哥白尼挑戰(zhàn)了1，但沒有挑戰(zhàn)2，且隱含了3革命掉地球是太陽系的中心但仍假設勻速圓周運動（行星軌道實際上是橢圓）仍不能解釋行星運動的細節(jié) ? 需要本輪，但與托勒密體系相比，因為太陽在中心，所以大多數(shù)情形只需很少的本輪由于托勒密體系是教堂根深蒂固的教條，而且日心說預測天體運動的準確性和地心說不相上下，所

9、以并不為當時的人普遍接受。但拉開了現(xiàn)代天文學發(fā)展的序幕，開普勒、伽利略以及牛頓的工作徹底摧毀了亞里斯多德思想體系,薩摩斯島的亞利斯塔克,Samos 薩摩斯島的Aristarchus (亞利斯塔克，310-230 BC）早在哥白尼之前就提出了太陽中心說由于觀測不支持地球在運動，他的模型當時是不被接受的，直到哥白尼再次提出了太陽中心說,Uraniburg,第谷· 布拉赫(Tycho Brahe 1546-1601 )的杰出觀測,

10、丹麥貴族、受寵天文堡、煉金屬士 失寵，1588，布拉格，與 開普勒（因戰(zhàn)爭）偉大會晤 禮節(jié),第谷· 布拉赫的重要天文貢獻,在望遠鏡發(fā)明之前，做了最好的天文儀器和最精確的觀測對行星特別是火星的觀測為開普勒建立正確的太陽系模型提供了至關重要的數(shù)據(jù)1572發(fā)現(xiàn)一顆超新星，現(xiàn)為第谷超新星（遺跡）1577發(fā)現(xiàn)一顆彗星恒星視差不能很好理解自己所得觀測數(shù)據(jù)的意義曾提出流行一時的太陽系模型：地球為中心，太陽繞地球轉，但行星

11、繞太陽轉,開普勒 Johannes Kepler (1571-1630) 行星運動定律（理論直覺）,生于德國，貧困多病，聰明，獎學金，路德教會任職；學習哥白尼學說 為逃避30年戰(zhàn)爭，移居布拉格，成為布拉赫的助手利用完備的火星數(shù)據(jù)，于1605發(fā)現(xiàn)行星運動定律（1609發(fā)表）開普勒式望遠鏡,開普勒第一定律：軌道形狀,所有行星皆以橢圓軌道環(huán)繞太陽運行，而太陽位于橢圓的一個焦點上,在地球繞太陽公轉過程中，日地距離連續(xù)變化,perihel

12、ion 近日點 aphelion 遠日點,開普勒第二定律：行星速度,行星和太陽的（假想）連線在相同的時間內(nèi)掃過相等的面積 ? 行星越接近太陽則運行速度越快,近日點，運動最快 遠日點，運動最慢,開普勒第三定律：軌道周期,行星公轉周期的平方和其到太陽的平均距離的立方成正比 (公轉周期)2 = (常數(shù)) x (平均距離)3 公式中的常數(shù)適用于行星以及一切環(huán)繞太陽運動的人造或天然物體,P2 ~ R3：公轉周期平方之比等于半長

13、軸立方之比軌道半長軸越大，則公轉周期越大距太陽最近的水星繞太陽一周僅需88天冥王星公轉周期248年,,土星 木星 火星 地球 金星 水星,開普勒猜測：太陽對行星的磁吸引開普勒三定律適用于由于引力而造成的繞任何物體轉動的任何物體的軌道運動,伽利略：望遠鏡與運動學定律,Galileo Galilei (1564-1642),意大利天文學家與物理學家（現(xiàn)代天文學和物理學之父。愛因斯坦如是說）提供了證明哥

14、白尼學說至關重要的天文觀測奠定了正確理解物體在地球表面運動的動力學和引力的基礎,望遠鏡不是伽利略發(fā)明的，荷蘭商人發(fā)明了望遠鏡伽利略是“第一個”(1609年)使用望遠鏡觀測天空的人，首次利用儀器增強人類的天文觀測能力,伽利略與望遠鏡,伽利略的主要天文發(fā)現(xiàn),月球上有山脈地形，有隕坑，命名環(huán)形山太陽黑子，且運動 ? 太陽自轉這兩個發(fā)現(xiàn)證明天空并非完美繞木星旋轉的4顆衛(wèi)星（現(xiàn)稱為伽利略衛(wèi)星），表明宇宙有其它“中心”，地球不是唯一的轉動

15、中心金星亦有盈虧（~月相），證明它必繞太陽運行，而不是本輪。因此支持哥白尼體系，否定托勒密體系,*伽利略的落體實驗*,距離與時間的平方成正比著名的比薩斜塔實驗可能是不真實的?？梢钥隙ǖ氖琴だ岳斫饬似渲械脑?，可能作了類似的斜面實驗來理解物體的運動定律引力產(chǎn)生的加速度與物體的質量無關是牛頓引力理論的基礎,*慣性概念*,對物理學的最大貢獻也許是關于慣性的概念：除非施加外力，運動物體具有的慣性使它保持原有的運動狀態(tài)慣性

16、概念是牛頓定律的基石，其本身成為牛頓第一定律,伽利略晚年被迫公開放棄哥白尼觀點,哥白尼和開普勒沒有真正引起教會的重視伽利略挑戰(zhàn)了教堂的權威（亞里斯多德的宇宙觀）。宗教裁判所定罪為“研究科學”，被終身監(jiān)禁（10年）。 “畢竟地球還在轉動”真理與權威沖突的一個悲劇,3。牛頓的引力理論Sir Isaac Newton (1642-1727),最偉大的科學家之一，25歲前完成主要科學貢獻微積分：用數(shù)學描述物理運動學三定律萬有引力定律

17、光的微粒理論 制造第一個反射式光學望遠鏡 《自然哲學的數(shù)學原理》教授，神學家，煉金屬士，造幣廠長，皇家學會主席，議員,劍橋大學的三一學院,*牛頓運動學三定律*,慣性定律F = ma 作用力與反作用力,,萬有引力定律和蘋果的故事,月球,,萬有引力定律,萬物皆有吸引萬有引力常數(shù)很小，當物體質量很小時，它們之間的引力便微不足道看不到日常物體的相互吸引，例如兩個人由于萬有引力而相互碰撞,*有關引力有趣的例子*,人和木星對你的引力

18、基本相同嬰兒出生：醫(yī)生護士 PK 星座喜馬拉雅山使物斜立（19世紀末英探險家）采礦：金屬密度大于大多數(shù)巖石密度低引力零引力,雙體系統(tǒng)的質心,,兩種極端情況,m1>>m2 ，體系的質心基本位于m1的質心，即太陽系情況--太陽位于一個焦點上“不動”，而行星環(huán)繞它在轉動m1=m2，質心距離m1和m2相等， m1和m2同繞質心轉動，雙（恒）星多近似為此情況,兩體近似,地球的橢圓軌道：假設宇宙中只有太陽和地球，地球繞它

19、們的質心運動實際情況是，萬有引力定律表明地球不僅與太陽相互作用，而且也與宇宙中的其它質量相互作用：月亮，其它行星，小行星和彗星，遙遠的恒星計算行星軌道可用兩體近似：太陽質量遠大于行星和小天體；其它恒星距離太遠,引力攝動和新行星的預言,其它質量對兩體近似的偏離稱為引力攝動，通過仔細觀測也有重要作用。如果考慮了所有已知行星對某顆行星的引力攝動后，這顆行星的運動仍偏離預言，可能有兩種選擇另有未被發(fā)現(xiàn)的天體攝動所觀測行星的軌道萬有引力定

20、律需要修正（廣義相對論）根據(jù)牛頓萬有引力定律，天文學史上恰好給出了這兩種情況,1。海王星的發(fā)現(xiàn),1781年，英國天文學家威廉·赫歇耳發(fā)現(xiàn)天王星發(fā)現(xiàn)天王星的軌道預言和實際觀測不一致1845，亞當斯與勒威耶預言在天王星的軌道以外還有一顆未知的大行星1846，德國柏林天文臺臺長伽勒發(fā)現(xiàn)海王星,,2。牛頓引力攝動以外的效應,萬有引力定律的偉大是顯而易見的，仔細的計算越來越精確解釋了行星的軌道以至于任何軌道觀測數(shù)據(jù)和預言的偏離

21、都被認為是太陽系中“不可見”質量的證據(jù)但是觀測到的水星軌道的不規(guī)則卻是假設一個新行星所產(chǎn)生的引力攝動所不能解釋的。所假設的新行星，祝融星(Vulcan)， 也是不存在的20世紀初，愛因斯坦的廣義相對論發(fā)展了牛頓的萬有引力定律,水星近日點的進動,5600角秒/100年（金星等）引力攝動解釋5557角秒愛因斯坦廣義相對論解釋另外的43角秒（太陽附近強引力）早期愛因斯坦廣義相對論的重要證據(jù)所有其它行星軌道的進動可用牛頓引力攝動解釋

22、,4。愛因斯坦的相對論,牛頓運動學定律的適用范圍：低速（速度遠小于光速）可指導飛船：經(jīng)過幾年飛行幾十億千米到達目的地的誤差僅有幾分鐘牛頓萬有引力定律適用于弱引力場，例如太陽系（水星除外）,高速和強引力場,高速（v>0.1c）情況下會發(fā)生什么新現(xiàn)象？強引力場的時空性質如何？愛因斯坦(Albert Einstein 1879-1955)對空間和時間中的運動和引力做出了新的詮釋：狹義相對論 Special Relativity

23、 (1905)[光電效應，質能方程，布朗運動（1905）]廣義相對論 General Relativity (1915),狹義相對論,基本物理學定律不依賴于實驗者的位置和運動靜止的實驗者和在勻速直線運動火車或火箭中的實驗者得到相同的實驗結果如果勻速直線運動火車或火箭中的實驗室是封閉的，那么沒有實驗可以證明實驗者在運動光速不變光速和測量者的相對速度無關假設火箭速度c/2，靜止觀測者和火箭上的觀測者測量到的光速相同，而不是1

24、.5倍=火箭速度+光速要得到相同的光速（=距離/時間），兩個觀測者對距離和時間的理解必定不同,相對論的意義,所有運動都是相對于一個選定的參考系，這正是愛因斯坦相對論中“相對” 的真正含義長度、時間和質量依賴觀測者相對于所選定的參考系的運動處于不同運動（參考系）中的觀測者在各自的參考系中如果要得到相同光速的唯一辦法是：他們的“米”和“秒”不同，即長度和時間是相對量,狹義相對論效應（1，2）,對于高速勻速運動的物體，一個靜止的觀測者將

25、會發(fā)現(xiàn)：長度收縮 (length contraction) [ 尺子變短 ] 時間膨脹 (time dilation) [ 時鐘變緩 ]但是，處于高速運動物體內(nèi)的觀測者將看到其內(nèi)部的長度和時間都是正常的但其外部世界的長度收縮和時鐘變緩,光速不變!,狹義相對論表明光速最大，光速是任何力（引力）所引起的最大速度但是牛頓的引力理論暗示光速可無限大，因為當兩個物體靠近時引力將連續(xù)變?yōu)闊o限大,宇宙射線 cosmic rays：極好的

26、例子,宇宙射線（極高能[高速]粒子，多為質子）在通過地球大氣外層時產(chǎn)生大量做相對論速度運動(~ 0.995c)的μ介子μ介子壽命2.2*10-6 s ，最多穿行600米。但它們卻在穿越100千米后到達地球表面這是因為它們相對于我們的運動速度接近光速，因此它們內(nèi)部的時鐘（相對于靜止的我們）比靜止μ介子的時鐘慢得多但是在快速運動μ介子的參考系中，其時鐘運轉正常， 其壽命仍為2.2*10-6 s（大氣層厚度縮短）,物質 = 能量,物質和

27、能量可以互相轉換：能量和物質等效愛因斯坦質能方程： 能量 = 質量 × (光速)2 E = mc2 靜止能量；靜止質量,狹義相對論效應（3）,對于勻高速運動的物體，一個靜止的觀測者將會發(fā)現(xiàn)：3. 物體的質量增加,*洛侖茲變換*,狹義相對論的3個“詭異”效應只有在速度大于 ~0.1C 時才能察覺諸多實驗已經(jīng)驗證狹義相對論的正確性,你身體的能量甚至可以“巨大無比

28、”！,四維時空 Four-dimensional spacetime,時間和空間是相對于觀測者的運動的，且不互相獨立時間和空間在一起構成四維時空（三維空間和一維時間）這不奇怪：宇宙距離以光年為單位一個事件既有發(fā)生的時間也有發(fā)生的地點，事件是發(fā)生在時空里的,廣義相對論 General Relativity (GR),愛因斯坦把狹義相對論發(fā)展為包括引力和非勻速（加速度）運動的情況，即廣義相對論。這是受到兩種方法測量到相同質量的啟發(fā):

29、,F = ma,m ：低抗運動改變(加速度，慣性）的大小的量度,m：所感受到的吸引力的大小的量度,這正是伽利略發(fā)現(xiàn)所有物體都以相同加速度下落的推論 ? 引力可等效于加速度,,“愛因斯坦的電梯實驗”,靜止在地球表面 g= 9.8 m/s2,無引力場中向上加速度 a = g = 9.8 m/s2,兩個電梯中的實驗結果相同：小球下落的加速度都是 9.8 m/s2,等效原理 Equivalence Principle,“在一個封閉的小空間內(nèi)

30、沒有實驗能區(qū)分引力場和等效的勻加速度”等效原理是廣義相對論的基石,失重與超重,失重（因地球引力）自由落體的電梯中遠離任何天體（零引力場）的電梯中沒有實驗能區(qū)分以上兩種情況地球引力場中電梯加速向上 ? 超重,,光線彎曲 Light Bending,等效原理 ? 光線在強引力場中要彎曲,三種情況下，電梯外的觀測者均看到光沿水平方向運動！,,引力是時空的彎曲,時空兩點之間光走最短距離。如果空間彎曲，則光線彎曲加速度?光線彎曲加

31、速度?引力愛因斯坦假設：所謂的引力其實就是時空彎曲的結果！,月球繞地球轉動,牛頓力學：月球受到地球的引力廣義相對論：地球質量扭曲其附近的時空，月球在不平坦的時空以最自然的方式運行，即繞地球運轉的曲線,引力=時空彎曲的觀測證據(jù),預言：光線彎曲從大質量天體附近經(jīng)過的光線要彎曲。質量越大，彎曲程度越大日全食提供了極好的觀測驗證機會（愛丁頓）,Who is greater?,Newton: theory of gravity and

32、the tool (calculus,儀器與實驗)Einstein: theory of relativity, not tool (張量分析),Who next one?,時代在召喚！,一個世紀以前的兩朵烏云: “以太”與“黑體譜”－ 導致了世紀性的成果—相對論與量子力學本世紀初天文學乃至整個物理學正面臨著嶄新的挑戰(zhàn)，即暗能量和暗物質這兩大朵“烏云”會導致什么？上世紀初愛因斯坦創(chuàng)立了相對論。時代在召喚更偉大的科學家，暗物質

33、與暗能量也許正在呼喚新的”Einstein”！“MOND （修正的牛頓引力）PK 暗物質暗能量?”,擴展閱讀,《天文學簡史》（牛津通識讀本）霍斯金(Michael Hoskin)著、陳道漢譯，譯林出版社，(2010-06出版)《天文學簡史》 G.伏古勒爾 著，羅玉君、李珩 譯， 中國人民大學出版社 (2010-04出版)《劍橋插圖天文學史》霍斯金主編，江曉原等譯，山東畫報出版社，2003年3月出版《科學世界》2010