第4讲-探索宇宙的历程

第四讲探索宇宙的历程赵峥北京师范大学物理系什么是宇宙？四方上下曰宇古往今来曰宙《淮南子•原道训》宇：空间宙：时间宇宙就是时间、空间和物质的总称。一、中心火——毕达哥拉斯的宇宙二、地心说三、哥白尼与日心说四、伽利略与土星的光环五、开普勒——行星运动三定律六、牛顿与万有引力一、中心火——毕达哥拉斯的宇宙泰勒斯（前584年）首次预报日全食毕达哥拉斯勾股定理（商高定理）三角形三内角之和是180度大地是一个球宇宙模型：“中心火”与“对地”二、地心说亚历士多德（前300多年）强调经验、观察不承认存在“中心火”与“对地”地心宇宙月下世界——土、水、火、气月上世界——以太前200多年阿历斯塔克——最早的日心说前100多年托勒密的地心说地心说战胜日心说得到教会支持，统治西方1500年中世纪修改后的地心说三、哥白尼与日心说背景：地理大发现郑和下西洋（1405~1433）哥伦布（意、西）发现新大陆（1492）达伽马（葡）绕过好望角到印度（1498）亚美利哥（意）认识到新大陆不是印度（1503）麦哲伦（葡、西）环球航行（1519~1522）宗教改革（马丁·路德，1517）赎罪卷；95条指控；萨克森选帝侯文艺复兴（但丁、达·芬奇、莎士比亚，1300~1600）中国的四大发明传入欧洲造纸，印刷，火药，指南针以及炼丹术印度的十进位制和“阿拉伯数字”传入欧洲十字军东征，从巴格达带回希腊文明我们应当观察各种发明的威力、效能与后果，最显著的例子便是印刷术、火药和指南针……这三种发明都曾改变了整个世界的全部面貌和状态！第一种在知识传播的文献方面，第二种在战争上，第三种在航海上，并且随着这些发明的利用又引起了无数的变迁。由此看来，世界上没有一个帝国，没有一个教派，没有一个星宿比这三种发明对于人类发生过更大的力量与影响了！——弗朗西斯•培根这是预告资产阶级社会到来的三大发明，火药把骑士阶层炸得粉碎，指南针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术则变成新教的工具，总的说来变成了科学复兴的手段，变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆。——马克思哥白尼知道古代的“中心火”和“日心说”修改后的地心说：水星和金星绕着太阳转动哥白尼提出日心说1543年，《天体运行论》“献给最神圣的教皇，保罗三世陛下”我对地心说进行了长期思考，上帝为我们创造了美好而协调的宇宙，哲学家们（指地心说的提出者和拥护者）却不能提出正确的理论来描述，对此我感到十分气愤。……因此，我不得不去阅读更多的哲学著作，看看有没有与传统理论（地心说）不同的假说。终于，我在古希腊的一些著作中发现了地球运动的观点。这就启发我也来运用这种观点。……我终于发现，如果认为地球和行星都围绕太阳运动，一切就变得简单而清楚了。——哥白尼《天体运行论》人们正在注意一个突然走红的天文学家，他力图证明地球围绕着太阳转，而不是太阳和诸星绕着地球转。这个蠢材竟然想把天文学翻个底朝天。——马丁•路德布鲁诺：恒星是遥远的太阳宇宙是无限的四、伽利略与土星光环望远镜：太阳的黑子月亮的环形山木星的卫星土星的光环密语Smaismrmielmepoetaleumibuvnenugttaviras开普勒的解读Salve,umbistineumgeminatumMartiaproles.伽利略的谜底Altissimumplanetamtergemiumobservavi50年后休琴士发表了另一个密语三年后自己揭谜：土星的附属物是光环伽利略的认罪声明“我，伽利略，七十岁，跪在您，最杰出最尊敬的红衣主教和全世界基督徒国家反对异端堕落的宗教法庭庭长面前，面对着福音书，用我自己的手按着它宣誓……完全放弃我认为太阳是中心并且不动这一虚妄的观点，绝不以任何方式坚持、辩解和教授上述荒诞无稽的学说……我以一颗真诚的心和诚实的信用，发誓公开放弃、诅咒并嫌恶上述的谬见和异端邪说……此外，如果我知道任何人是异教徒或怀疑任何人是异教徒的话，我一定向宗教法庭或向当地宗教法庭法官和大主教检举告发。而且我发誓并保证，我一定履行并完全遵守宗教法庭现在或将来加诸于我的全部赎罪苦行。”五、开普勒—行星运动三定律第谷改进后的地心宇宙模型开普勒：《宇宙的秘密》“发现了上帝创造宇宙时的思路”“上帝精通几何！”正6面体外接球——土星轨道正6面体内切球——木星轨道正4面体外接球正4面体内切球——火星轨道正12面体外接球正12面体内切球——地球轨道正20面体外接球正20面体内切球——金星轨道正8面体外接球正8面体内切球——水星轨道第谷的遗愿：授权开普勒使用自己的资料但必须用地心说，不能用日心说观测完1000颗恒星，制定鲁道夫星表“一定要尊重观测事实”“希望我没有虚度此生”开普勒抓住火星轨道观测与理论的8分偏差：第一定律：行星绕日的轨道是一个椭圆太阳位于椭圆的一个焦点上第二定律:矢经在单位时间内扫过的面积相等——角动量守恒第三定律：行星绕日运动周期的平方与轨道半长轴的立方成正比32aT开普勒用26年心血完成“鲁道夫星表”此表被天文学家和航海家用了100多年！我欲测天高如今又量地深上天赐予我灵魂大地收容我的俗身六．牛顿与万有引力苹果落地的故事（最早见于伏尔泰1738的书牛顿的哲学）伏尔泰1694年生原名：弗朗索瓦·玛丽·阿鲁埃伏尔泰个子矮小，其貌不扬，语言尖刻，生活轻浮，充满叛逆精神。写的剧本在巴黎常演不衰，尖刻语言直指教会和王公贵族。“神父并不像你想的那么聪明，我们无知才以为他们有学问。”“应该相信，只相信自己的眼睛，让眼睛成为我们的上帝和圣经。”我没有显赫的门第，但我的门第将因为我而显赫。——伏尔泰流亡英国，见到牛顿葬礼，会见牛顿亲戚私奔，《英国书简》，西雷庄园《风俗论》夏特莱夫人翻译《自然哲学之数学原理》伏尔泰作序路易十六：就是这两个人（卢梭和伏尔泰）搞垮了法国牛顿1642年生18岁剑桥三一学院（上帝、耶稣、圣灵）23岁毕业，瘟疫23~25岁在乡下躲避瘟疫“牛顿的丰收年”26岁卢卡斯讲座教授（巴罗让贤）30岁皇家学会会员45岁《自然哲学之数学原理》绝对时空，惯性系，质量相对性原理力学三定律万有引力定律叠加原理（平行四边形法则）65岁《光学》万有引力定律的提出（牛顿与胡克的不愉快关系）牛顿、胡克、哈雷都知道：开普勒第三定律力与距离平方成反比问题：力与距离平方成反比？开普勒第一、第二定律万有引力定律的成就潮汐现象哈雷彗星海王星的发现（亚当斯和勒维叶）万有引力常数G的测定卡文迪什（H.Cavendish,1798）卡文迪什实验室的建立（W.Cavendish,剑桥校长，1871）第一任实验室主任：麦克斯韦走下神坛的牛顿牛顿VS惠更斯光的微粒说与波动说牛顿VS胡克万有引力定律的发现权牛顿VS弗莱姆斯梯德天文数据的使用牛顿VS莱布尼兹微积分的发现权牛顿VS莱布尼兹对时间与空间的认识牛顿：存在脱离物质和运动的绝对空间与绝对时间。莱布尼兹：根本不存在绝对空间与绝对时间，空间是相对的，时间也是相对的。时间不过是相继发生的现象的罗列，空间不过是物体和现象存在有序性的表现方式。“我站在巨人的肩上”“我觉得自己只不过像个在海边玩耍的小孩，时而发现一块光滑的石子，时而发现一个美丽的贝壳，但真理的广阔海洋，却还在我的面前有待发现”1727年牛顿逝世安葬于维斯特明斯教堂参考书：《物理学与人类文明十六讲》，高教社《探求宇宙的秘密》（探求上帝的秘密）北师大出版社《相对论百问》，北师大出版社谢谢！