宇宙论的历史与哲学 - 上海.ppt

宇宙论的历史与哲学 吴新忠上海交通大学科学史系sju 021 54941833 学习宇宙学的意义 宇宙学的研究对象至大无外 至小无内 未知领域充满神奇色彩 可以充分发挥科学家的理性思维与创造性想象力 宇宙学与最古老的科学 天文学 最基本的科学 物理学 最通用的科学 数学 有着紧密的联系 与其他蓬勃发展的科学能够融会贯通 宇宙学是哲学家发挥思辨 宗教幻想家发挥想象 科学家检验基本规律的重要领域 宇宙学有助于学者冲破狭隘的认识界限 让个人的小我向着无限智慧的大我飞升 宇宙论学习的背景知识 初步的物理学知识与天文学知识初步的科学史与哲学史知识适当的文学修养 一般的数学基础教材 物理学与人类文明十六讲 赵峥 高等教育出版社 2008年9月第1版 刘宇星肖军 宇宙史话 北京工业大学出版社 2010年11月第1版 参考书 宇宙论的科普与学术著作 参考书与视频 肖巍 宇宙学的人文视野 米歇尔 霍斯金 剑桥插图天文学史 何香涛 观测宇宙学 俞允强 大爆炸宇宙学 物理宇宙学 第一推动丛书霍金 格林 加来道雄等人的科普视频 石琼璘主持的 天地科学季 中国科大的 天体物理概论 视频 梁灿彬的 微分几何与广义相对论 视频等 我们的 天问 宇宙的空间有限 还是无限 有界 还是无界 平直 还是弯曲 静态 还是动态 宇宙的时间有没有开端 有没有终结 时间箭头的产生 宇宙的成分和演化宇宙物质的构成 宇宙结构的形成与演化 第一章天文学基础知识 宇宙和世界在中文中都是时空的意思 淮南子 原道训 指出 四方上下曰宇 古往今来曰宙 以喻天地 楞严经 写道 世为迁流 界为方位 宇宙就是秩序与万有 西方人的宇宙概念有两个 一是cosmos 来自希腊文kosmos 反义词是chaos 混沌 二是universe 拉丁文universo 指的是包罗万象 或 万有 宇宙学中的客观性与主体性 宇宙学是客观性最强的科学之一 因为它研究产生了人类的整个自然宇宙的结构与演化 宇宙学也是充分暴露人类智慧的卓越与缺陷的科学 最伟大的科学家立足物理规律构造宇宙模型 描绘宇宙进程 但是观测实验显示的宇宙进程不符合宇宙学的最优秀剧本 物理规律的极小修正 自然常数的重新测定 科学上的任何微小突破 都会改变我们关于宇宙的科学剧本 实证主义 法国实证主义哲学家奥古斯多 孔德 1798 01 19 1857 09 05 认为知识的发展分为三个阶段 神学 形而上学 实证科学我们对宇宙的认识也经历神话 哲学 科学三个阶段 知识发展三阶段 神学阶段是指知识以虚构为基本特征 信仰超自然的力量 用神的意志说明万物 形而上学阶段追求万物的本原 本性和终极原因 要求获得绝对知识 实证阶段以科学为基本形态 尊重经验事实 依靠观察与理性的力量 主要研究现象之间的关系 不再探求宇宙的起源与目的 不再要求知道事物的内在本性与本质原因 宇宙学是实证科学吗 现代宇宙学出现在爱因斯坦的广义相对论建立之后 一开始只是数学模型 经验证据不多 在1950年代还被著名物理学家布里渊看作是科幻小说 这不过是从反面证明实证主义是肤浅与狭隘的 哲学与科学性思维 天文学和宇宙学研究 不仅要了解 星象是什么 的知识 而且要了解 如何观测星象 科学探究时你所需的做为 观察 經常观察大自然的现象 並察觉它們的变换过程 提问 如何 为什么 何时 何处 怎样 客观 不必急于下结论 静思其规则所在 推敲 善用归纳 推论和直觉找寻问题所在 表述 问题现象的发生 思維的过程 推測可能的答案等 评估 近可能地作些数理的推导计算 关键性的科学思維 涵盖修正你先前的错误假设 Assumptions 目的不是在证明假說 nottoproveahypothesis 而是用于测试此假說 totestthehypothesis 基本观念 光速与光年 所谓的 光速 指的是电磁波 光 在 真空 中 行进 的速度 光速 300 000公里 每秒 它是目前我们已知最快的速率 且是个常数 定数 光年 LightYears 是个距离的单位 其大小是光在真空中行进一年 所走的长度大小 一光年 ly 9 5x1012公里 光年不是时间单位 也不是速度的单位 而是天文上用以表示恒星间距离的基本单位 天文单位就是太阳与地球的平均距离 夜空中目视到的星象 极光 aurora 紅色精灵 赤道光 彗星 comets 小行星 asteroids 太阳系里邻近地球的行星 planets 如金星 火星 木星 土星 和月球 恒星 88个星座 Constellations 星宿 双星 binaries 变星 variablestars 星团 StarCluster 星云 Nebulae 星系 Galaxies 星系团 建议参考网頁 AEEA主題介紹行星 月球 彗星 星座 梅西尔星体 NGC星体 螺旋星系高空中的热气球 飞机 人造卫星 artificialsatellites 流星 meteors 观察天象必须先确知的概念 我們生活在一个 旋转 的 球形 世界上 观察 1 找个视野辽阔的地方 瞭望前后左右上下 你最远可以看得多远 它是呈现什么样的形狀 有玲有角的方形还是虹弧狀 2 在看看太陽 月亮的形狀变化 它們是有玲有角的方形还是虹弧狀 3 静观四周有什么现象会是 周而复始 地來回摆动 前后搖动 或是转动 4 你观察夠久了嗎 它又发生了什么令你好奇的另一种 周而复始 新现象呢 提问 1 怎么知道你所在的这块大地是球形的呢 2 怎么知道你所在的这块大地是在旋转呢 客观静思 月相的变化 日食和月食的形狀变化过程 其规则所在 推敲 1 太阳和月亮都是球形的嗎 那地球的形狀呢 2 吊灯和旋转台上的來回周期性运动 表述 1 找出理由說明柱形或平面月亮和大地的不可能 2 怎样描述问題现象的发生 思維的过程 推測可能的答案 評估 起身动一动 转一转 你最后的认定 你自己说服了自己了嗎 你认定的地球到底是圆的 是方的 是球狀的 直接影响着以后你在天文学上星体的形狀认知 你感受到的地球到底是靜止的 是晃动的 是转动的 直接影响着以后你对于星体的运动认知 傅科摆 Foucaultpendulum 说明我們所居之地正在绕着一根轴转动 你是在何时 何处观看星象 你所看到的星空会有所不同 乃是由于下列的因素所造成的 因为 地球的自转 使得你一整晚几乎可以看到星点绕着北极旋转360度 除太阳附近 的夜空景观 你一整晚所能见到的星空只是全天域星空的局部 你无法看到整个星空的原因 和你所观看星象地点的 纬度 有关 你四季所看到的星空也会有所不同 乃是因为地球绕着太阳 公转 过程中所在的相对位置的差异 下图示说明在四季的午夜时分 你头顶的星座正是当日背对着太阳方向的星座 四季星座 在四季的午夜時分 你头顶的星座 寻找正确的方位 北方在哪 观察星点的运动模式 你將发现它们似乎都绕著一个 不动点 旋转 你所见到的这个不动点 在北半球它是 北极 在南半球它是 南极 我们称这个不动点为 极 你能见到这个不动点 乃因为你所居住的地球自转轴延线在 天球 上所指标出的位置 星空的座标 天球 我们该如何地标示星空中星体的位置所在呢 以人类的目视所及 除了能夠察觉太阳系內行星 卫星和彗星的位置移动外 众多恆星 古人认为 恒 者似乎不变动的意思 的距离与运动都是难以了解 研究天象者 将这些恆星假想是镶嵌在一个不必论及半径大小 且将我們所居的大地包含於核心的假想超大球面上 如图示 這个大球天文学家称它为 天球 Celestialsphere 天球和天球的基本点和基本圈 天球上一点的位置 可用该点距离天球基本点和基本圈的大圆弧 或大圆弧所对应的圆心角来度量 这种弧长又叫做球面坐标 由于所选择的基本点和基本圈的不同 因而得出不同的天球坐标系 天球上一点的位置 可用不同的天球坐标系统来测定 常用的基本点和基本圈有 天球和天球的基本点和基本圈 天顶和天底北天极和南天极地平圈 地平坐标系子午圈四方点天赤道 赤道坐标系春分点黄道和黄极 黄道坐标系银道和银极 银道坐标系 天球坐标系 地平坐标系 天球坐标系 时角坐标系 第一赤道坐标系 天球坐标系 赤道坐标系 第二赤道坐标系 天球坐标系 黄道坐标系 天球坐标系 银道坐标系 天体的周日视运动和太阳的周年视运动 1 天体的周日视运动2 天体的中天高度3 太阳的周年视运动 1 天体的周日视运动 观测者在地球上随地球自西向东自转 会看到所有天体都有一种东升西落的视运动 在地球自转一周的时间里 天体在天球上沿着与天赤道平行的小圆 周日平行圈 运行一周 这种因地球自转而造成的表观现象 叫做天体的周日视运动 周日视运动随观测者所在的地理纬度而有不同的现象 天体的周日视运动 天极的地平高度 天体的周日视运动 不同地理纬度处天体的周日视运动 2 天体的中天高度 天体作周日视运动时 两次通过子午圈时叫做中天 靠近天顶的叫上中天 另一次叫下中天 3 太阳的周年视运动 太阳除了每天的周日视运动之外 还有以一年为周期的周年视运动 这是地球围绕太阳公转的反映 地球在一年里自西向东围绕太阳公转一周 地球上的观测者看到太阳在天球上自西向东沿着黄道运转一周 黄道是地球公转轨道在天球上的投影 太阳的周年视运动 太阳的周年视运动 太阳的轨迹 黃道 因为地球的自转轴和以太阳为座标中心绕行太阳公转的平面並不一致 使得在地球上观看太阳的运行 会发现太阳的目視运行轨迹犹如在南北赤纬23027 之间來回地运动 也就是当 太阳的视位置座标 TheapparentpositionoftheSuninHorizontalcoordinates 在 23027 時 北半球正处于是 夏至日 summersolstice 而南半球正处于是 冬至日 wintersolstice 反之 当 太阳的视位置座标 在 23027 时 南半球正处于是 夏至日 而北半球正处于是 冬至日 当 太阳的视位置坐标 在00时 也就是阳光正照射在赤道上时 南北半球正是 春分 或是 秋分 之际 星空的座标 星座与星宿 为了描述恒星在天球上位置的所在 先民们首先將数顆恆星目視位置的連线 与日常生活中所見到的事物如动物 如大熊 獅子等 工具 如斗 杓 箕等 或神話等联想在一起给予命名 而有了 星宿 或 星座 再將这些 星宿 或 星座 的相关位置在天球上以不同的座标系统标示出來 常用的座标系统有 黃道座标系 Eclipticcoordinatesystem 地平座标系 Horizontalcoordinatesystem 赤道座标系 Equatorialcoordinatesystem 等 如何标示出天球上的星体座标呢 我们比照地理的座标方式建立赤道坐标系統 以24小時时区制的经度和从南纬90度到北纬90度的180度的纬度來表示 而建立了 赤经 Rightascension 和 赤纬 Declination 的現代赤道坐标系 Equatorialcoordinatesystem 唯一最大的差异在於地理上的时区是以英國格林威治天文台所在的位置为零時起算 而在赤经的时区起算点 是以 黃道 面 Ecliptic 和天赤道在双魚座內的交点 也就是 春分点 Vernalequinox 为零时起算 將一环天的星空分成24等分 每等分相当于1个小时时区 赤道面与黃道面 因为地球的自转轴的傾斜 使得地球在绕行太阳公转时 会发现太阳的目视运行轨迹彷如在南北赤纬23027 之间來回地运动 換言之 赤道面 与 黃道 面 有23027 的夾角 太阳每月经过 黃道十二宮 的一宫 说明我們所居在一个 绕着 太阳周期性公转的 球形 世界上 至日点 Solstice 太阳的目视位置在天球上呈現周期性的移动 天文上我们將它在每年的6月居赤纬 至高点 和每年的12月居赤纬 至低点 的兩个日子 分別称为 至日点 英文Solstice一詞源於希腊 太阳 Sol留 sistere standstill 之意 換言之 原本太阳由低赤纬度向高赤纬度移动到6月至日点 Junesolstice 时呈現 留 的现象 接着反方向移动 它会从高赤纬度向低赤纬度移动到12月至日点 Decembersolstice 時又呈現 留 的現象 然后 太阳再由低赤纬度向高赤纬度移动 6月至日点居住在北半球的人称它为 夏至 而居住在南半球的人称它为 冬至 反之 12月至日点居住在北半球的人称它为 冬至 而居住在南半球的人称它为 夏至 冬至日那天是一年当中白昼时间最短 黑夜最长的一天 而夏至日那天是一年当中白昼时间最长 黑夜最短的一天 春分 Vernalequinox 太阳的目視位置在天球上呈现周期性的移动 天文上我们將它在每年的3月19 21日和9月22 24日 当黃道面和天赤道交叉时刻的兩个日子 分別称为春分 Vernalequinox 和秋分 Autumnalequinox 也就是 当太阳的视位置坐标在赤纬度数为00时 也就是阳光正照射在赤道上时 南北半球正是春分或是秋分之际 此时全球各地无论任何区域所感受到的是白昼和黑夜时间皆相等 都是12小時 在以天球北极 Celestialpole 和天赤道建立的赤道坐标系中 是以24小時时区制的赤经 Rightascension 和从 90度到 90度的180度赤纬 Declination 來表示 我们已经知道赤纬的度數 是从天赤道开始起算的 常以 号表示北赤纬 而以 号表示南赤纬 赤经的度数是从哪里开始起算呢 有別于地理上的时区是以英国格林威治天文台所在的位置为零时起算 在赤经的时区起算点 是以 黃道 面 Ecliptic 和天赤道在双鱼座 Pisces 內接近白羊座 Aries 的交点 也就是 春分点 Vernalequinox 为零时起算 如图模型所示 星座里的亮星编号 在观测天文学上 为了便于认识和有着星体明亮度的标准 將星空里肉眼能見到的星体相对亮度強弱 分成1至6等級 由较亮等級的1等星 划分到肉眼勉強能見的6等星 在星图上为了便于识別这些星体 常依据星等的大小 將星体的标示划成了不同的大 表示较亮 小 较暗 而這些大小点的标示并不是代表星体本身的体积或质量的大小 只是在星图上表是这些星体的亮暗相对程度 星座內亮星的命名方式 都是依其視星等的亮度 以希腊字母的排列順序命名 星座內较亮的星除了标示星座名称之外 附加上 Alpha Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Eta Theta Iota Kappa Lambda Mu Nu Xi Omicron Pi Rho Sigma Tau Upsilon Phi Chi Psi Omega 等标示之 例如猎戶座內的最亮星參宿四 Betelgeuse 可表示為 Ori 星座內次亮的星參宿七 Rigel 表示为 Ori 依此规则类推其余的亮星排序 北极星 Polaris 又名勾陈一的北极星 是距离北天极最近的亮星 还不到1度 是小熊座中的一個重要成员 它位於小熊座的斗杓頂端上 北极星約为3視星等 利用稍好點的小型望遠鏡 可以看出北極星是個3等星和9等星的雙星 北極星雖然不太明亮 但因為距離北天極最近 也就是說 目前地球自轉軸指向正好在北極星附近 所以眾星辰從地球看出去都是繞著它旋轉 公元前3000年 北天極曾經是在天龍座 到了公元4000年 北天極會在仙王座內 到了公元10 000年 天鵝座中的天津四將成為北天極所在 而到了公元14 000年時 著名的織女星將成為那時的北極星了 春季大三角 春季的星空主要星座有大熊座 小熊座 獅子座 牧夫座 室女座 烏鴉座 長蛇座 若我們想很快地认出春季的星空 可以從春季大三角认识起 室女座的角宿一和牧夫座的大角 以及獅子座的五帝座一所組成了一个巨大的三角形 俗称为 春季大三角 春季大曲线 由大熊座的北斗七星开始辨识出春季的星空 將视线沿著大熊座的北斗杓柄3顆亮星的弧線一直延長出去 就可以看到位於牧夫座上一顆很亮的大角紅星 然後從大角星開始向南偏西延伸下去 便可以看到一顆青白亮星 它是室女座的角宿一 这一巨大的弧线四周所涵蓋的區域就是春季的星空 這一巨大弧线俗称为 春季大曲线 夏季大三角 在夏季 天鵝座中最亮的天津四和銀河兩旁天鷹座上銀白色的牛郎星 天琴座里呈青白色的织女星构成一个大等腰三角形 称为夏季大三角 夏天星座 秋季四边形 秋季星空亮星很少 唯一较易辨识的特征 是我们可以找出星空中在仙女座和飞马座間 由4顆亮星組成的大而醒目的平行四边形 称为 飞马仙女四边形 看到這个四边形的四个边 就可以辨认出东西南北四个方位 冬季六角形 冬季大橢圆 由壮丽的猎戶座 御夫座 大犬座 小犬座 麒麟座和黃道十二宮中的金牛座 双子座 以及銀河上数不清的星点所組成 冬季的星空确实是寒冬夜晚的良伴 而由御夫座內的五車二 双子座內的北河三 小犬座內的南河三 大犬座內的天狼星 猎戶座內的參宿七 金牛座內的毕宿五等六顆亮星形成了著名的 冬季六角形 或称之为 冬季大橢圆 大熊座 小熊座 北極星 时间计量系统 一 恒星时 定义 以春分点的周日视运动为依据建立的时间系统 时间单位 恒星日 春分点连续两次上中天的时间间隔 起始点 上中天 恒星时在数值上 等于春分点的时角S tr t当任一恒星上中天时t 0即s 二 真太阳时 定义 以太阳视圆面中心的周日视运动为依据建立的时间系统 时间单位 真太阳日 真太阳连续两次下中天的时间间隔 起始点 下中天真太阳时以真太阳的时角度量 m t 12h 1 真太阳时比恒星时每日约长4分钟 太阳在周日视运动的同时 又以逆时针方向做周年视运动 每日在黄道上自西向东约运行1度 因此真太阳时比恒星时约长4分钟 m s 3m56s 北极点 子午线 春分点 周年 周日 赤道 2 真太阳时的缺陷 1 太阳在黄道上的运动不均匀 地球公转轨道为椭圆 2 即使太阳在黄道上运动均匀 由于黄赤交角的存在 投影在赤道上的太阳时角变化也不均匀 三 平太阳时 1 平太阳 引入的一个假想