从天文学发展谈物理学课件

從天文學發展談物理學

曾幾何時，當地球上的人類開始仰望星空的時候，就開始試圖對茫茫浩瀚的宇宙進行探索，而人類探尋的進程是漫長的而又艱難的。沒有誰告訴人類應該怎樣探索，只有靠人類自己一點一滴摸索，失敗失敗再失敗，最終走向成功。在長達數十萬年的人類歷史中，隨著人類知識的發展，宇宙觀也在隨之發生著巨大的變化。蓋天說蓋天說最早在西周時期已經出現，當時認為天尊地卑，天圓地方，認為“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，源於將人類自己作為參照所得到的直觀感覺，加以想像的完善。但當時的人也發現，這種觀點是難以站住腳的，至少他忽略了天宇地的接縫。蓋天說的圖示

爾後又出現了“渾天說”，渾天說的代表作《張衡渾儀注》中說：“渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居於天內，天大而地小。天表裏有水，天之包地，猶殼之裹黃。

渾天說最初認為：地球不是孤零零地懸在空中的，而是浮在水上；後來又有發展，認為地球浮在氣中，因此有可能迴旋浮動，這就是“地有四遊”的樸素地動說的先河。渾天說認為全天恒星都布于一个“天球”上，而日月五星則附麗於“天球”上運行，這與現代天文學的天球概念十分接近。因而渾天說採用球面坐標系，如赤道坐標系，來量度天體的位置，計量天體的運動。渾天說的圖示與此同時，西方人也在進行著天文觀測，也許這是人類渴求瞭解自然的共同屬性。西方的宗教組織為了自身的需要，建立了一系列的地心說的天文觀點。地心說中的本輪、均輪模型，畢竟是托勒密根據有限的觀察資料所進行的人為拼湊。他規定了本輪、均輪的大小及行星運行速度，才使這個模型和當時的實測結果趨於一致。可以發現，由於人類觀察的參考系的問題，有很長一段時間，我們都停留在宇宙以地球為中心的樊籠裏。西方教會所宣揚的宇宙結構但由於沒有充分的研究，只憑藉某些類似“經文”的書籍拼湊，自然會與實際情況存在偏差。到了中世紀後期，隨著觀察儀器的不斷改進，行星位置和運動的測量越來越精確，觀測到的行星實際位置同這個模型的計算結果的偏差逐漸顯露出來了。但是，信奉地心說的人們並沒有認識到這是地心說本身的錯誤，卻用增加本輪的辦法來補救。最初的補救還能勉強應付，後來小本輪增加到80多個，仍不能滿意地計算出行星的準確位置，這就不能不使人懷疑地心說的正確性了。矛盾凸現出來了。最終打破沉寂的是著名波蘭天文學家哥白尼(1473-1543)。他通過近40年的觀測和研究，從理性的角度出發，認真分析所掌握的天文數據。最終徹底推翻了托勒密的地心說，提出了日心說。這是一個空前絕後的創舉。但在當時，這強烈地觸動了全力極大的教會的神經，因為這是對教會最基礎的學說發起挑戰。日心說認為，太陽是宇宙的中心，地球和其他行星都繞太陽轉動，地球不是宇宙的中心，而是一顆普通行星。地心說中表現出的行星圍繞地球運動的一年週期，其實是地球每年繞太陽公轉一周的反映。開普勒（1571-1630年）是德國近代著名的天文學家、數學家、物理學家和哲學家。他將數學和天文觀測結合起來，在天文學方面做出了巨大的貢獻。開普勒是繼哥白尼之後第一個站出來捍衛日心說、並在天文學方面有突破性成就的人物，被後世的科學史家稱為“天上的立法者”。很顯然，嚴謹的物理思想對他的成功的影響是極大的。開普勒發現並總結的行星運動的三條定律1.所有行星圍繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上；2.行星的向徑在相等的時間內掃過相等的面積。3.所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉週期的二次方的比值都相等但我們說開普勒是可惜的，他當時距離更大的成功就只有一步之遙。在此之後出現的就是我們偉大的牛頓。牛頓善於總結和尋找前人所得到的結論。尤其是運用他天才般的數學知識的前提下，很多經典的結論應運而生了。數學方面建立了微積分，開闢了數學上的一個新紀元，廣學方面他研究了色散原理，但在理學方面的建樹是令牛頓名垂青史的重要部分。艾薩克·牛頓（1643～1727）當時已經有了地球半徑、日地距離等精確的數據可以供計算使用。牛頓向哈雷證明地球的引力是使月亮圍繞地球運動的向心力，也證明了在太陽引力作用下，行星運動符合開普勒運動三定律。牛頓在《自然哲學的數學原理》中，從力學的基本概念(品質、動量、慣性、力)和基本定律(運動三定律)出發，運用他所發明的微積分這一銳利的數學工具，不但從數學上論證了萬有引力定律，而且把經典力學確立為完整而嚴密的體系，把天體力學和地面上的物體力學統一起來，實現了物理學史上第一次大的綜合。

與此同時，中國的天文學也有很多值得稱道的成就。我國是天文觀測記錄持續時間最長的國家，也是保存天文記錄資料最豐富的國家。如日食記錄1000多次，太陽黑子記錄100多次，哈雷彗星記錄29次。中國也有大量的天文學家

僅從中國來講，我國在商朝就有了關於天文現象的記載。此後的歷代都有大量的天文現象的記載。豐富的觀測以及積極的思考對於我國古代宇宙觀的形成有重要的意義。我國古代的一些天文學典籍

張衡(78-139)是東漢中期渾天說的代表人物之一；他指出月球本身並不發光，月光其實是日光的反射；他還正確地解釋了月食的成因，並且認識到宇宙的無限性和行星運動的快慢與距離地球遠近的關係。

張衡觀測記錄了兩千五百顆恒星，創制了世界上第一架能比較准確地表演天象的漏水轉渾天儀，

渾天儀在張遂（僧一行）以前，天文學家包括象張衡這樣的偉大天文學家都認為恒星是不運動的。但是，張遂卻用“渾天銅儀”、“黃道遊儀”等儀器，重新測定了150多顆恒星的位置，多次測定了二十八宿距天體北極的度數。從而發現恒星在運動。根據這個事實，張遂推斷出天體上的恒星肯定也是移動的。張遂修訂的《大衍曆》是一部具有創新精神的曆法，它繼承了中國古代天文學的優點和長處，對不足之處和缺點作了修正，因此，取得了巨大成就。最突出的表現在它比較正確地掌握了太陽在黃道上運動的速度與變化規律。

僧一行(673――727年)反觀在天文學上，中國與西方國家有著極大的區別：西方人更注重從純粹理性、數學的角度出發來研究問題，這種問題也許僅僅是探索本身，而並不一定要聯繫到實際的應用。中國則不同，中國的天文工作更多是在觀察和總結方面，譬如從長期的觀察之中抽離出某些感性的或者是判斷性質的認識，製作了許多精妙的天文儀器，以及利用天文現象製作的計時儀器，如圭表等。而在量化的規律方面，我們並沒有顯現出我們所應有的才智。而量化了的規律具有更廣泛的適用性，同時也是推動物理學發展的重要力量。我們目前所接觸的高等數學，絕大多數可以在物理學中找到問題的背景。而數學問題的解決，也可以促進物理學的發展。因此可以說物理和數學這兩門學科是相輔相成的。在現代天文物理知識完備的今天，我們人會像古人一樣遇到很多困惑。因為人類的人只是一個永無窮盡的過程。正所謂學無止境。譬如令眾多科學家頭痛的暗物質問題，用我們現在所掌握的物理學知識，很難解釋宇宙引力場的曲線平滑下降。引力場的實質問題，究竟是一種由某種粒子導致的特殊的力，還是一種由物質導致的時空彎曲。現在，我們還沒有明確的答案。甚至我們的許多學科的一些基本問題還停留在默認其為正確的階段。正如許多科學家所言，我們的科學大廈建立在鬆軟的泥土上，我們不知道他是否堅實，或許有一天，他會轟然倒塌。即使如此，這並不代表我們現在的研究是毫無意義的。我們有很多值得驕傲的成就產生。