从天文学发展谈物理学.ppt

1、从天文学发展谈物理学,PB05000643 苗又山,曾几何时，当地球上的人类开始仰望星空的时候，就开始试图对茫茫浩瀚的宇宙进行探索，而人类探寻的进程是漫长的而又艰难的。没有谁告诉人类应该怎样探索，只有靠人类自己一点一滴摸索，失败失败再失败，最终走向成功。,在长达数十万年的人类历史中，随着人类知识的发展，宇宙观也在随之发生着巨大的变化。,盖天说 盖天说最早在西周时期已经出现，当时认为天尊地卑，天圆地方，认为“天圆如张盖，地方如棋局”，穹隆状的天覆盖在呈正方形的平直大地上。这是一种朴素的世界观，源于将人类自己作为参照所得到的直观感觉，加以想象的完善。 但当时的人也发现， 这种观点是难以站 住脚的，

2、至少他忽 略了天宇地的接缝。,盖天说的图示,尔后又出现了“浑天说”，浑天说的代表作张衡浑仪注中说：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。浑天说最初认为：地球不是孤零零地悬在空中的，而是浮在水上；后来又有发展，认为地球浮在气中，因此有可能回旋浮动，这就是“地有四游”的朴素地动说的先河。浑天说认为 全天恒星都布于一个“天球” 上，而日月五星则附丽于 “天球”上运行，这与现代 天文学的天球概念十分接 近。因而浑天说采用球面 坐标系，如赤道坐标系， 来量度天体的位置，计量 天体的运动。,浑天说的图示,与此同时，西方人也在进行着天文观测，也许

3、这是人类渴求了解自然的共同属性。 西方的宗教组织为了自身的需要，建立了一系列的地心说的天文观点。 地心说中的本轮、均轮模型，毕竟是托勒密根据有限的观察资料所进行的人为拼凑。他规定了本轮、均轮的大小及行星运行速度，才使这个模型和当时的实测结果趋于一致。 可以发现，由于人类观察的参考系的问题，有很长一段时间，我们都停留在宇宙以地球为中心的樊笼里。,西方教会所宣扬的宇宙结构,但由于没有充分的研究，只凭借某些类似“经文”的书籍拼凑，自然会与实际情况存在偏差。 到了中世纪后期，随着观察仪器的不断改进，行星位置和运动的测量越来越精确，观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差逐渐显露出来了。但是，信奉

4、地心说的人们并没有认识到这是地心说本身的错误，却用增加本轮的办法来补救。最初的补救还能勉强应付，后来小本轮增加到80多个，仍不能满意地计算出行星的准确位置，这就不能不使人怀疑地心说的正确性了。 矛盾凸现出来了。,最终打破沉寂的是著名波兰天文学家哥白尼(1473-1543)。他通过近40年的观测和研究，从理性的角度出发，认真分析所掌握的天文数据。最终彻底推翻了托勒密的地心说，提出了日心说。这是一个空前绝后的创举。但在当时，这强烈地触动了全力极大的教会的神经，因为这是对教会最基础的学说发起挑战。,日心说认为，太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳转动，地球不是宇宙的中心，而是一颗普通行星。地心说

5、中表现出的行星围绕地球运动的一年周期，其实是地球每年绕太阳公转一周的反映。,开普勒（1571-1630年）是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他将数学和天文观测结合起来，在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫日心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天上的立法者”。 很显然，严谨的物理思想对他的成功的影响是极大的。,开普勒发现并总结的行星运动的三条定律 1. 所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上； 2. 行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。 3. 所有行星轨道半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相

6、等 但我们说开普勒是可惜的，他当时距离更大的成功就只有一步之遥。,在此之后出现的就是我们伟大的牛顿。 牛顿善于总结和寻找前人所得到的结论。尤其是运用他天才般的数学知识的前提下，很多经典的结论应运而生了。数学方面建立了微积分 ，开辟了数学上的一个新纪元 ，广学方面他研究了色散原理，但在理学方面的建树是令牛顿名垂青史的重要部分。,艾萨克牛顿（16431727 ）,当时已经有了地球半径、日地距离等精确的数据可以供计算使用。牛顿向哈雷证明地球的引力是使月亮围绕地球运动的向心力，也证明了在太阳引力作用下，行星运动符合开普勒运动三定律。 牛顿在自然哲学的数学原理中，从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力)

7、和基本定律(运动三定律)出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。,与此同时，中国的天文学也有很多值得称道的成就。 我国是天文观测记录持续时间最长的国家，也是保存天文记录资料最丰富的国家。如日食记录1000多次，太阳黑子记录100多次，哈雷彗星记录29次。,中国也有大量的天文学家,仅从中国来讲，我国在商朝就有了关于天文现象的记载。此后的历代都有大量的天文现象的记载。丰富的观测以及积极的思考对于我国古代宇宙观的形成有重要的意义。,我国古代的一些天文学典籍

8、,张衡(78-139)是东汉中期浑天说的代表人物之一；他指出月球本身并不发光，月光其实是日光的反射；他还正确地解释了月食的成因，并且认识到宇宙的无限性和行星运动的快慢与距离 地球远近的关系。 张衡观测记录了两千五百颗恒 星，创制了世界上第一架能比较准 确地表演天象的漏水转浑天仪，,浑天仪,在张遂（僧一行）以前，天文学家包括象张衡这样的伟大天文学家都认为恒星是不运动的。但是，张遂却用“浑天铜仪”、“黄道游仪”等仪器，重新测定了150多颗恒星的位置，多次测定了二十八宿距天体北极的度数。从而发现恒星在运动。根据这个事实，张遂推断出天体上的恒星肯定也是移动的。 张遂修订的大衍历是一部具有创 新精神的历

9、法，它继承了中国古代天 文学的优点和长处，对不足之处和缺 点作了修正，因此，取得了巨大成就。 最突出的表现在它比较正确地掌握了 太阳在黄道上运动的速度与变化规律。,僧一行 (673727年),反观在天文学上，中国与西方国家有着极大的区别：西方人更注重从纯粹理性、数学的角度出发来研究问题，这种问题也许仅仅是探索本身，而并不一定要联系到实际的应用。中国则不同，中国的天文工作更多是在观察和总结方面，譬如从长期的观察之中抽离出某些感性的或者是判断性质的认识，制作了许多精妙的天文仪器，以及利用天文现象制作的计时仪器，如圭表等。而在量化的规律方面，我们并没有显现出我们所应有的才智。 而量化了的规律具有更广

10、泛的适用性，同时也是推动物理学发展的重要力量。我们目前所接触的高等数学，绝大多数可以在物理学中找到问题的背景。而数学问题的解决，也可以促进物理学的发展。因此可以说物理和数学这两门学科是相辅相成的。,在现代天文物理知识完备的今天，我们人会像古人一样遇到很多困惑。因为人类的人只是一个永无穷尽的过程。正所谓学无止境。 譬如令众多科学家头痛的暗物质问题，用我们现在所掌握的物理学知识，很难解释宇宙引力场的曲线平滑下降。引力场的实质问题，究竟是一种由某种粒子导致的特殊的力，还是一种由物质导致的时空弯曲。现在，我们还没有明确的答案。 甚至我们的许多学科的一些基本问题还停留在默认其为正确的阶段。正如许多科学家所言，我们的科学大厦建立在松软的泥土上，我们不知道他是否坚实，或许有一天，他会轰然倒塌。 即使如此，这并不代表我们现在的研究是毫无意义的。 我们有很多值得骄傲的成就产生。,通过对天文以及物理知识的掌握，我们可以预测很多天文事件的发生时间。并据此来帮助考古工作者破解历史的