清华大学天文学导论-2天文学发展史

1、天文学导论,第2讲 天文学发展史,本讲内容,简介中国古代天文学成就 古希腊的地心说 天文学的发展期 哥白尼、第谷、开普勒和伽利略 牛顿的万有引力定律 爱因斯坦的相对论,中国古代天文学,星座（星宿、星宫） 赤道坐标系 太阳黑子：公元前140年，欧洲（807年） 日食：约4000年前，650次（春秋战国-元末1368年） 彗星、流星和陨石 新星和超新星 “夏商周断代工程”与古代天文研究 古代天文仪器 张衡、祖冲之、一行、沈括、郭守敬等,1。古希腊的地球中心说,古希腊人首先采用观测和模型解释宇宙内在的逻辑性和系统性 主导西方思想2000年,毕达哥拉斯,亚里斯多德,托勒密,亚里斯多德的宇宙秩序,天体镶

2、嵌在55个转动速度不同的同心水晶球层上，每个球层作匀速圆周运动，地球处于静止中心 “原动力” 使最外层天球匀速转动，并一层一层向内传递，导致所有天体的转动,不能解释行星的逆行和亮度变化,行星的运动难题,相对于背景恒星，行星为什么是“流浪汉”？（需数月观测） 顺行：向东 逆行：向西 逆行时行星变亮,本轮 Epicycles 解释行星逆行与变亮,行星不是固定在同心球层（均轮）上，而是固定在本轮上，但是本轮固定在同心球层上 本轮中心和本轮即行星均沿同一方向作匀速圆周运动,本轮,均轮,水星、金星的本轮中心和地球及太阳的中心永远连成一条直线 水星、金星与太阳几乎同升同落,本轮,托勒密,西方思想停滞的中世

3、纪,托勒密于公元150年在长达13卷名为Almagest (The Greatest天文学大成/至大论）的巨著中发表了他的地球中心说 这个理论所预测的行星位置和实际位置的误差在数度之内，因此主宰西方世界约1500年之久！,菲洛劳（Philolaus）：“中心火学说” Samos 萨摩斯岛的Aristarchus (亚利斯塔克，310-230 BC）：太阳中心说,“星星之火，没有燎原”,2。天文学的发展期,哥白尼：太阳中心说，发展的起点（首次揭示部分真实） 第谷（布拉赫）：杰出的观测 开普勒：行星运动定律；理论直觉 伽利略： “首次”使用望远镜观测天空 (1609)，他的天文与物理发现彻底颠覆了

4、古希腊学说,Copernicuss heliocentric universe哥白尼的太阳中心学说,Nicolai Copernicus 1473-1543 Poland,对行星运动的简单解释,逆行：小轨道行星（地球）比大轨道行星（火星）绕日公转得更快 亮度变化：行星到地球的距离在变化,哥白尼革命,托勒密体系的3个主要错误观点： 1。中心； 2。运动； 3。物质（以太） 哥白尼挑战了1，但没有挑战2，且隐含了3 托勒密体系是教堂根深蒂固的教条 +日心说预测天体运动的准确性和地心说不相上下 日心说不被接受,Uraniburg,第谷 布拉赫(Tycho Brahe 1546-1601 )的杰出观测

5、,第谷 布拉赫的重要天文贡献,望远镜发明之前，最好的天文仪器和最精确的观测 对行星（特别是火星）的观测为开普勒建立正确的太阳系模型提供了至关重要的数据 1572发现一颗超新星，现为第谷超新星（遗迹） 地缘日心说：太阳、月球和恒星绕地球转，但行星绕太阳转,开普勒 Johannes Kepler (1571-1630) 行星运动定律（理论直觉）,1605发现行星运动定律（1609发表） 开普勒式望远镜,开普勒第一定律：轨道形状,所有行星皆以椭圆轨道环绕太阳运行，而太阳位于椭圆的一个焦点上,在地球绕太阳公转过程中，日地距离连续变化,perihelion 近日点 aphelion 远日点,开普勒第二定

6、律：行星速度,行星和太阳的（假想）连线在相同的时间内扫过相等的面积 行星越接近太阳则运行速度越快,近日点，运动最快 远日点，运动最慢,开普勒第三定律：轨道周期,行星公转周期的平方和其到太阳的平均距离的立方成正比 (公转周期)2 = (常数) x (平均距离)3 轨道半长轴越大，则公转周期越大 水星绕太阳一周仅需88天 冥王星公转周期248年,土星 木星 火星 地球 金星 水星,开普勒猜测：太阳对行星的磁吸引,伽利略：望远镜与运动学定律,Galileo Galilei (1564-1642),意大利天文学家与物理学家 提供了证明哥白尼学说至关重要的天文观测 奠定了正确理解物体在地球表面运动的动力

7、学和引力的基础 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话星空使者,望远镜不是伽利略发明的，荷兰商人发明了望远镜 伽利略是“第一个”(1609年)使用望远镜观测天空的人，首次利用仪器增强人类的天文观测能力,伽利略与望远镜,伽利略的主要天文发现,月球上有山脉地形，有陨坑，命名环形山 太阳黑子，且运动 太阳自转 证明天空并非完美 绕木星旋转的4颗卫星（伽利略卫星），表明宇宙有其它“中心”，地球不是唯一的转动中心 金星亦有盈亏（月相），证明它必绕太阳运行，而不是本轮。因此支持哥白尼体系，否定托勒密体系,本轮,伽利略晚年被迫公开放弃哥白尼观点,哥白尼和开普勒没有真正引起教会的重视 伽利略挑战了教堂的权威（亚

8、里斯多德的宇宙观）。宗教裁判所定罪为“研究科学”，被终身监禁（10年）。 “毕竟地球还在转动” 真理与权威冲突的一个悲剧,3。牛顿的引力理论Sir Isaac Newton (1642-1727),最伟大的科学家之一，25岁前完成主要科学贡献 微积分：用数学描述物理 运动学三定律 万有引力定律 光的微粒理论 制造第一个反射式光学望远镜 自然哲学的数学原理,剑桥大学的三一学院,*牛顿运动学三定律*,惯性定律 F = ma 作用力与反作用力,牛顿的“苹果”与炮弹,月球,万有引力定律,万物皆有吸引 万有引力常数很小，当物体质量很小时，它们之间的引力便微不足道 看不到日常物体的相互吸引，例如两个人由于

9、万有引力而相互碰撞,*有关引力有趣的例子*,人和木星对你的引力基本相同 婴儿出生：医生护士 PK 星座 喜马拉雅山使物斜立（19世纪末英探险家） 采矿：金属密度大于大多数岩石密度 低引力 零引力,双体系统的质心,两种极端情况,m1m2 ，体系的质心基本位于m1的质心，即太阳系情况-太阳位于一个焦点上“不动”，而行星环绕它在转动 m1=m2，质心距离m1和m2相等， m1和m2同绕质心转动，双（恒）星多近似为此情况,两体近似,地球的椭圆轨道：假设宇宙中只有太阳和地球，地球绕它们的质心运动 实际情况是，万有引力定律表明地球不仅与太阳相互作用，而且也与宇宙中的其它质量相互作用：月亮，其它行星，小行星

10、和彗星，遥远的恒星 计算行星轨道可用两体近似：太阳质量远大于行星和小天体；其它恒星距离太远,引力摄动和新行星的预言,其它质量对两体近似的偏离称为引力摄动，通过仔细观测也有重要作用。如果考虑了所有已知行星对某颗行星的引力摄动后，这颗行星的运动仍偏离预言，可能有两种选择 另有未被发现的天体摄动所观测行星的轨道 万有引力定律需要修正（广义相对论） 根据牛顿万有引力定律，天文学史上恰好给出了这两种情况,(1) 海王星的发现,1781年，英国天文学家威廉赫歇耳发现天王星 发现天王星的轨道预言和实际观测不一致 1845，亚当斯与勒威耶预言在天王星的轨道以外还有一颗未知的大行星 1846，德国柏林天文台台长

11、伽勒发现海王星,(2) 牛顿引力摄动以外的效应,万有引力定律的伟大是显而易见的，仔细的计算越来越精确解释了行星的轨道 以至于任何轨道观测数据和预言的偏离都被认为是太阳系中“不可见”质量的证据 但是观测到的水星轨道的不规则却是假设一个新行星所产生的引力摄动所不能解释的。所假设的新行星，祝融星(Vulcan)， 也是不存在的 20世纪初，爱因斯坦的广义相对论发展了牛顿的万有引力定律，解决了此问题,水星近日点的进动,5600角秒/100年 （金星等）引力摄动解释5557角秒 爱因斯坦广义相对论解释另外的43角秒（太阳附近强引力） 早期爱因斯坦广义相对论的重要证据 所有其它行星轨道的进动可用牛顿引力摄

12、动解释,4。爱因斯坦的相对论,牛顿运动学定律的适用范围：低速（速度远小于光速） 牛顿万有引力定律适用于弱引力场，例如太阳系（水星除外）,高速和强引力场,高速（v0.1c）情况下会发生什么新现象？ 强引力场的时空性质如何？ 爱因斯坦(Albert Einstein 1879-1955)对空间和时间中的运动和引力做出了新的诠释： 狭义相对论 Special Relativity (1905) 广义相对论 General Relativity (1915),狭义相对论,所有运动都是相对于一个选定的参考系，这正是爱因斯坦相对论中“相对” 的真正含义 长度、时间和质量依赖观测者相对于所选定的参考系的运动

13、,狭义相对论效应,对于匀高速运动的物体，一个静止的观测者将会发现： 长度收缩 (length contraction) 尺子变短 时间膨胀 (time dilation) 时钟变缓 物体的质量增加 但是，处于高速运动物体内的观测者将看到 其内部的长度和时间都是正常的 但其外部世界的长度收缩、时钟变缓、质量增加,光速不变!,狭义相对论表明光速最大，光速是任何力（引力）所引起的最大速度 但是牛顿的引力理论暗示光速可无限大，因为当两个物体靠近时引力将连续变为无限大,宇宙射线 cosmic rays：极好的例子,宇宙射线（极高能高速粒子，多为质子）在通过地球大气外层时产生大量做相对论速度运动( 0.9

14、95c)的介子 介子寿命2.2*10-6 s ，最多穿行600米。但它们却在穿越100千米后到达地球表面 这是因为它们相对于我们的运动速度接近光速，因此它们内部的时钟（相对于静止的我们）比静止介子的时钟慢得多 但是在快速运动介子的参考系中，其时钟运转正常， 其寿命仍为2.2*10-6 s（相对论运动大气层厚度缩短）,物质 = 能量,物质和能量可以互相转换： 能量和物质等效 爱因斯坦质能方程： 能量 = 质量 (光速)2 E = mc2 静止能量；静止质量,*洛仑兹变换*,狭义相对论的3个“诡异”效应只有在速度大于 0.1C 时才能察觉 诸多实验已经验证狭义相对论的正确性,你身体的能量甚至可以“

15、巨大无比”！,四维时空 Four-dimensional spacetime,时间和空间是相对于观测者的运动的，且不互相独立 时间和空间在一起构成四维时空（三维空间和一维时间） 牛顿的绝对时空,广义相对论 General Relativity (GR),爱因斯坦把狭义相对论发展为包括引力和非匀速（加速度）运动的情况，即广义相对论。这是受到两种方法测量到相同质量的启发:,F = ma,m ：低抗运动改变(加速度，惯性）的大小的量度,m：所感受到的吸引力的大小的量度,这正是伽利略发现所有物体都以相同加速度下落的推论 引力可等效于加速度,“爱因斯坦的电梯实验”,静止在地球表面 g= 9.8 m/s2

16、,无引力场中向上加速度 a = g = 9.8 m/s2,两个电梯中的实验结果相同：小球下落的加速度都是 9.8 m/s2,等效原理 Equivalence Principle,“在一个封闭的小空间内没有实验能区分引力场和等效的匀加速度” 等效原理是广义相对论的基石,失重与超重,失重 （因地球引力）自由落体的电梯中 远离任何天体（零引力场）的电梯中 没有实验能区分以上两种情况 地球引力场中电梯加速向上 超重,光线弯曲 Light Bending,等效原理 光线在强引力场中要弯曲,三种情况下，电梯外的观测者均看到光沿水平方向运动！,引力是时空的弯曲,时空两点之间光走最短距离。如果空间弯曲，则光线

17、弯曲 加速度 光线弯曲 时空弯曲 加速度 引力 爱因斯坦假设：所谓的引力其实就是时空弯曲的结果！,月球绕地球转动,牛顿力学：月球受到地球的引力 广义相对论：地球质量扭曲其附近的时空，月球在不平坦的时空中以最自然的方式运行，即绕地球运转的曲线,引力=时空弯曲的观测证据,预言：光线弯曲 从大质量天体附近经过的光线要弯曲。质量越大，弯曲程度越大 日全食提供了极好的观测验证机会（爱丁顿）,实际位置,实际位置,假位置,引力透镜 Gravitational Lens,有可能看到背景类星体的两个或多个相同的像,太空哈哈镜,爱因斯坦十字,透镜星系,HST观测到极端罕见的双爱因斯坦环,透镜星系距离300万光年

18、两背景星系距离分别为600万光年和1100万光年 三个星系几乎和我们处于一条直线上,时钟不再同步,处于引力场中的时钟变慢 1960年：5楼的时钟比地下室的时钟稍快 2010年：最先进的原子钟，一只置于地面，另一只放在“海拔”33厘米处（引力比地面引力小了两千万分之一）。测量结果表明，高处的原子钟比地面上的每世纪快一千亿分之一秒。,Who is greater?,Newton: theory of gravity and the tool (calculus,仪器与实验) Einstein: theory of relativity, not tool (张量分析),Who next one?,时代在召唤！,一个世纪以前的两朵乌云: “以太”与“黑体谱” 导致了世纪性的成果相对论与量子力学 本世纪初天文学乃至整个物理学正面临着崭新的挑战，即暗能量和暗物质这两大朵“乌云