從天文學(xué)發(fā)展談物理學(xué)(課堂PPT)

1、從天文學(xué)發(fā)展談物理學(xué),PB05000643 苗又山,2,曾幾何時(shí)，當(dāng)?shù)厍蛏系娜祟愰_始仰望星空的時(shí)候，就開始試圖對(duì)茫茫浩瀚的宇宙進(jìn)行探索，而人類探尋的進(jìn)程是漫長(zhǎng)的而又艱難的。沒有誰(shuí)告訴人類應(yīng)該怎樣探索，只有靠人類自己一點(diǎn)一滴摸索，失敗失敗再失敗，最終走向成功。,在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年的人類歷史中，隨著人類知識(shí)的發(fā)展，宇宙觀也在隨之發(fā)生著巨大的變化。,3,蓋天說(shuō) 蓋天說(shuō)最早在西周時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)認(rèn)為天尊地卑，天圓地方，認(rèn)為“天圓如張蓋，地方如棋局”，穹隆狀的天覆蓋在呈正方形的平直大地上。這是一種樸素的世界觀，源于將人類自己作為參照所得到的直觀感覺，加以想象的完善。 但當(dāng)時(shí)的人也發(fā)現(xiàn)， 這種觀點(diǎn)是難以站

2、住腳的，至少他忽 略了天宇地的接縫。,蓋天說(shuō)的圖示,4,爾后又出現(xiàn)了“渾天說(shuō)”，渾天說(shuō)的代表作張衡渾儀注中說(shuō)：“渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內(nèi)，天大而地小。天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃。渾天說(shuō)最初認(rèn)為：地球不是孤零零地懸在空中的，而是浮在水上；后來(lái)又有發(fā)展，認(rèn)為地球浮在氣中，因此有可能回旋浮動(dòng)，這就是“地有四游”的樸素地動(dòng)說(shuō)的先河。渾天說(shuō)認(rèn)為 全天恒星都布于一個(gè)“天球” 上，而日月五星則附麗于 “天球”上運(yùn)行，這與現(xiàn)代 天文學(xué)的天球概念十分接 近。因而渾天說(shuō)采用球面 坐標(biāo)系，如赤道坐標(biāo)系， 來(lái)量度天體的位置，計(jì)量 天體的運(yùn)動(dòng)。,渾天說(shuō)的圖示,5,與此同時(shí)，西方人也在進(jìn)行

3、著天文觀測(cè)，也許這是人類渴求了解自然的共同屬性。 西方的宗教組織為了自身的需要，建立了一系列的地心說(shuō)的天文觀點(diǎn)。 地心說(shuō)中的本輪、均輪模型，畢竟是托勒密根據(jù)有限的觀察資料所進(jìn)行的人為拼湊。他規(guī)定了本輪、均輪的大小及行星運(yùn)行速度，才使這個(gè)模型和當(dāng)時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果趨于一致。 可以發(fā)現(xiàn)，由于人類觀察的參考系的問題，有很長(zhǎng)一段時(shí)間，我們都停留在宇宙以地球?yàn)橹行牡姆\里。,西方教會(huì)所宣揚(yáng)的宇宙結(jié)構(gòu),6,但由于沒有充分的研究，只憑借某些類似“經(jīng)文”的書籍拼湊，自然會(huì)與實(shí)際情況存在偏差。 到了中世紀(jì)后期，隨著觀察儀器的不斷改進(jìn)，行星位置和運(yùn)動(dòng)的測(cè)量越來(lái)越精確，觀測(cè)到的行星實(shí)際位置同這個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果的偏差逐漸顯

4、露出來(lái)了。但是，信奉地心說(shuō)的人們并沒有認(rèn)識(shí)到這是地心說(shuō)本身的錯(cuò)誤，卻用增加本輪的辦法來(lái)補(bǔ)救。最初的補(bǔ)救還能勉強(qiáng)應(yīng)付，后來(lái)小本輪增加到80多個(gè)，仍不能滿意地計(jì)算出行星的準(zhǔn)確位置，這就不能不使人懷疑地心說(shuō)的正確性了。 矛盾凸現(xiàn)出來(lái)了。,7,最終打破沉寂的是著名波蘭天文學(xué)家哥白尼(1473-1543)。他通過近40年的觀測(cè)和研究，從理性的角度出發(fā)，認(rèn)真分析所掌握的天文數(shù)據(jù)。最終徹底推翻了托勒密的地心說(shuō)，提出了日心說(shuō)。這是一個(gè)空前絕后的創(chuàng)舉。但在當(dāng)時(shí)，這強(qiáng)烈地觸動(dòng)了全力極大的教會(huì)的神經(jīng)，因?yàn)檫@是對(duì)教會(huì)最基礎(chǔ)的學(xué)說(shuō)發(fā)起挑戰(zhàn)。,8,日心說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)是宇宙的中心，地球和其他行星都繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，地球不是宇宙的中

5、心，而是一顆普通行星。地心說(shuō)中表現(xiàn)出的行星圍繞地球運(yùn)動(dòng)的一年周期，其實(shí)是地球每年繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周的反映。,9,開普勒（1571-1630年）是德國(guó)近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。他將數(shù)學(xué)和天文觀測(cè)結(jié)合起來(lái)，在天文學(xué)方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。開普勒是繼哥白尼之后第一個(gè)站出來(lái)捍衛(wèi)日心說(shuō)、并在天文學(xué)方面有突破性成就的人物，被后世的科學(xué)史家稱為“天上的立法者”。 很顯然，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢硭枷雽?duì)他的成功的影響是極大的。,10,開普勒發(fā)現(xiàn)并總結(jié)的行星運(yùn)動(dòng)的三條定律 1. 所有行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上； 2. 行星的向徑在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。 3. 所有行星軌道半長(zhǎng)

6、軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等 但我們說(shuō)開普勒是可惜的，他當(dāng)時(shí)距離更大的成功就只有一步之遙。,11,在此之后出現(xiàn)的就是我們偉大的牛頓。 牛頓善于總結(jié)和尋找前人所得到的結(jié)論。尤其是運(yùn)用他天才般的數(shù)學(xué)知識(shí)的前提下，很多經(jīng)典的結(jié)論應(yīng)運(yùn)而生了。數(shù)學(xué)方面建立了微積分 ，開辟了數(shù)學(xué)上的一個(gè)新紀(jì)元 ，廣學(xué)方面他研究了色散原理，但在理學(xué)方面的建樹是令牛頓名垂青史的重要部分。,艾薩克牛頓（16431727 ）,12,當(dāng)時(shí)已經(jīng)有了地球半徑、日地距離等精確的數(shù)據(jù)可以供計(jì)算使用。牛頓向哈雷證明地球的引力是使月亮圍繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力，也證明了在太陽(yáng)引力作用下，行星運(yùn)動(dòng)符合開普勒運(yùn)動(dòng)三定律。 牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)

7、學(xué)原理中，從力學(xué)的基本概念(質(zhì)量、動(dòng)量、慣性、力)和基本定律(運(yùn)動(dòng)三定律)出發(fā)，運(yùn)用他所發(fā)明的微積分這一銳利的數(shù)學(xué)工具，不但從數(shù)學(xué)上論證了萬(wàn)有引力定律，而且把經(jīng)典力學(xué)確立為完整而嚴(yán)密的體系，把天體力學(xué)和地面上的物體力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大的綜合。,13,與此同時(shí)，中國(guó)的天文學(xué)也有很多值得稱道的成就。 我國(guó)是天文觀測(cè)記錄持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的國(guó)家，也是保存天文記錄資料最豐富的國(guó)家。如日食記錄1000多次，太陽(yáng)黑子記錄100多次，哈雷彗星記錄29次。,中國(guó)也有大量的天文學(xué)家,14,僅從中國(guó)來(lái)講，我國(guó)在商朝就有了關(guān)于天文現(xiàn)象的記載。此后的歷代都有大量的天文現(xiàn)象的記載。豐富的觀測(cè)以及積極的思考對(duì)

8、于我國(guó)古代宇宙觀的形成有重要的意義。,我國(guó)古代的一些天文學(xué)典籍,15,張衡(78-139)是東漢中期渾天說(shuō)的代表人物之一；他指出月球本身并不發(fā)光，月光其實(shí)是日光的反射；他還正確地解釋了月食的成因，并且認(rèn)識(shí)到宇宙的無(wú)限性和行星運(yùn)動(dòng)的快慢與距離 地球遠(yuǎn)近的關(guān)系。 張衡觀測(cè)記錄了兩千五百顆恒 星，創(chuàng)制了世界上第一架能比較準(zhǔn) 確地表演天象的漏水轉(zhuǎn)渾天儀，,渾天儀,16,在張遂（僧一行）以前，天文學(xué)家包括象張衡這樣的偉大天文學(xué)家都認(rèn)為恒星是不運(yùn)動(dòng)的。但是，張遂卻用“渾天銅儀”、“黃道游儀”等儀器，重新測(cè)定了150多顆恒星的位置，多次測(cè)定了二十八宿距天體北極的度數(shù)。從而發(fā)現(xiàn)恒星在運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這個(gè)事實(shí)，張遂推

9、斷出天體上的恒星肯定也是移動(dòng)的。 張遂修訂的大衍歷是一部具有創(chuàng) 新精神的歷法，它繼承了中國(guó)古代天 文學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，對(duì)不足之處和缺 點(diǎn)作了修正，因此，取得了巨大成就。 最突出的表現(xiàn)在它比較正確地掌握了 太陽(yáng)在黃道上運(yùn)動(dòng)的速度與變化規(guī)律。,僧一行 (673727年),17,反觀在天文學(xué)上，中國(guó)與西方國(guó)家有著極大的區(qū)別：西方人更注重從純粹理性、數(shù)學(xué)的角度出發(fā)來(lái)研究問題，這種問題也許僅僅是探索本身，而并不一定要聯(lián)系到實(shí)際的應(yīng)用。中國(guó)則不同，中國(guó)的天文工作更多是在觀察和總結(jié)方面，譬如從長(zhǎng)期的觀察之中抽離出某些感性的或者是判斷性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，制作了許多精妙的天文儀器，以及利用天文現(xiàn)象制作的計(jì)時(shí)儀器，如圭表等

10、。而在量化的規(guī)律方面，我們并沒有顯現(xiàn)出我們所應(yīng)有的才智。 而量化了的規(guī)律具有更廣泛的適用性，同時(shí)也是推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展的重要力量。我們目前所接觸的高等數(shù)學(xué)，絕大多數(shù)可以在物理學(xué)中找到問題的背景。而數(shù)學(xué)問題的解決，也可以促進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展。因此可以說(shuō)物理和數(shù)學(xué)這兩門學(xué)科是相輔相成的。,18,在現(xiàn)代天文物理知識(shí)完備的今天，我們?nèi)藭?huì)像古人一樣遇到很多困惑。因?yàn)槿祟惖娜酥皇且粋€(gè)永無(wú)窮盡的過程。正所謂學(xué)無(wú)止境。 譬如令眾多科學(xué)家頭痛的暗物質(zhì)問題，用我們現(xiàn)在所掌握的物理學(xué)知識(shí)，很難解釋宇宙引力場(chǎng)的曲線平滑下降。引力場(chǎng)的實(shí)質(zhì)問題，究竟是一種由某種粒子導(dǎo)致的特殊的力，還是一種由物質(zhì)導(dǎo)致的時(shí)空彎曲?，F(xiàn)在，我們還沒有明確的答案。 甚至我們的許多學(xué)科的一些基本問題還停留在默認(rèn)其為正確的階段。正如許多科學(xué)家所言，我們的科學(xué)大廈建立在松軟的泥土上，我們不知道他是否堅(jiān)實(shí)，或許有一天，他會(huì)轟然倒塌。 即使如此，這并不代表我們現(xiàn)在的研究是毫無(wú)意義的。 我們有很多值得驕傲的成就產(chǎn)生。,19,通過對(duì)天文以及物理知識(shí)的掌握，我們可以預(yù)測(cè)很多天文事件的發(fā)