天文学发展史

天文学导论I：天文学基础第1讲天文学发展史第2讲光与天文望远镜第3讲天体的视运动天文学导论第1讲天文学发展史本讲内容引言：中国古代天文学成就（简介）古希腊天文学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爱因斯坦的相对论标注*…*的为自学内容*引言：中国古代天文学成就（自学）*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从亚里斯多德到托勒密的地球中心学说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大约2000年毕达哥拉斯的宇宙观Pythagorean（569-475B.C.）总结出关于天体运动的3个常识：1.同心圆轨道：行星、太阳、月亮和恒星都在完美的同心圆轨道上运动2.匀速圆周运动：行星、太阳、月亮和恒星都在作匀速圆周运动3.地球中心：地球处于所有天体运动的正中心行星的运动难题相对于背景恒星，行星为什么是“流浪汉”？（需数月观测）1.顺行：向东2.逆行：向西3.逆行时行星变亮在地球为行星运动静止中心的错误思想指引下，古希腊人对行星的运动做出了几何解释，特别是“诡异”的逆行和亮度变化科学鼻祖：亚里斯多德Aristotle(384-322B.C.)可能是历史上对多个学科（科学，神学，哲学等等）最具影响力的人物他的思想不可挑战长达几乎2000年之久，直到……亚里斯多德：地球中心学说天体镶嵌在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*需要多个本轮*在某些情况下，本轮套本轮实际模型：本轮中心作匀速圆周运动，但不围绕均轮的中心，其围绕中心偏离均轮的中心Ptolemy‘sGeocentricUniverse托勒密的地球中心学说提出完备的以地球为中心的宇宙论解释行星的逆行和亮度变化，且依然维持–所有天体的运动都是匀速圆周运动–天体是完美的，内禀特征（如亮度）不变–地球是宇宙的中心Ptolemy85-165C.E.行星皆以本轮的轨迹运动，而本轮中心依附均轮的大正圆绕地球转动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，但不能解释金星的圆缺众星则依附在一个最外层的大天球上本轮西方思想停滞的中世纪托勒密于公元150年在长达13卷名为Almagest(TheGreatest《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！*阿拉伯伊斯兰文明兴起*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古希腊学说Copernicus’sheliocentricuniverse哥白尼的太阳中心学说天体运行论OntheRevolutionsoftheHeavenlyBodiesNicolaiCopernicus1473-1543Poland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学说的意义亚里斯多德体系的3个主要错误观点：1。中心；2。运动；3。物质哥白尼挑战了1，但没有挑战2，且隐含了3•革命掉地球是太阳系的中心•但仍假设匀速圆周运动（行星轨道实际上是椭圆）•仍不能解释行星运动的细节需要本轮，但与托勒密体系相比，因为太阳在中心，所以大多数情形只需很少的本轮由于托勒密体系是教堂根深蒂固的教条，而且日心说预测天体运动的准确性和地心说不相上下，所以并不为当时的人普遍接受。但拉开了现代天文学发展的序幕，开普勒、伽利略以及牛顿的工作彻底摧毁了亚里斯多德思想体系萨摩斯岛的亚利斯塔克Samos萨摩斯岛的Aristarchus(亚利斯塔克，310-230BC）早在哥白尼之前就提出了太阳中心说由于观测不支持地球在运动，他的模型当时是不被接受的，直到哥白尼再次提出了太阳中心说古希腊的中心火学说赫拉克利特：火是世界的本原菲洛劳（Philolaus）：火是最高贵的元素宇宙结构的“中心火学说”“日心说”的鼻祖地球不是宇宙的中心，而只是穿过空间运行，宇宙的中心是一团熊熊燃烧的烈火地球、月亮、水星、金星、火星、木星、土星以及其他星球都是围绕着这一中心火团运行的球体人们能看到的太阳只不过是这个火团的反射物Uraniburg第谷·布拉赫(TychoBrahe1546-1601)的杰出观测•丹麦贵族、受宠•天文堡、炼金属士•决斗•失宠，1588，布拉格，与开普勒（因战争）伟大会晤•礼节第谷·布拉赫的重要天文贡献•在望远镜发明之前，做了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）1577发现一颗彗星恒星视差不能很好理解自己所得观测数据的意义曾提出流行一时的太阳系模型：地球为中心，太阳绕地球转，但行星绕太阳转开普勒JohannesKepler(1571-1630)行星运动定律（理论直觉）•生于德国，贫困多病，聪明，奖学金，路德教会任职；学习哥白尼学说•为逃避30年战争，移居布拉格，成为布拉赫的助手•利用完备的火星数据，于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•公式中的常数适用于行星以及一切环绕太阳运动的人造或天然物体P2~R3：公转周期平方之比等于半长轴立方之比轨道半长轴越大，则公转周期越大•距太阳最近的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开普勒三定律适用于由于引力而造成的绕任何物体转动的任何物体的轨道运动伽利略：望远镜与运动学定律GalileoGalilei(1564-1642)意大利天文学家与物理学家（现代天文学和物理学之父？爱因斯坦如是说）•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学和引力的基础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太阳自转这两个发现证明天空并非完美绕木星旋转的4颗卫星（现称为伽利略卫星），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*伽利略的落体实验*距离与时间的平方成正比著名的比萨斜塔实验可能是不真实的。可以肯定的是伽利略理解了其中的原理，可能作了类似的斜面实验来理解物体的运动定律引力产生的加速度与物体的质量无关是牛顿引力理论的基础*惯性概念*对物理学的最大贡献也许是关于惯性的概念：•除非施加外力，运动物体具有的惯性使它保持原有的运动状态惯性概念是牛顿定律的基石，其本身成为牛顿第一定律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SirIsaacNewton(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》教授，神学家，炼金属士，造币厂长，皇家学会主席，议员剑桥大学的三一学院*牛顿运动学三定律*1.惯性定律2.F=ma3.作用力与反作用力万有引力定律和苹果的故事月球万有引力定律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1.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2.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）•可指导飞船：经过几年飞行几十亿千米到达目的地的误差仅有几分钟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(AlbertEinstein1879-1955)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SpecialRelativity(1905)[光电效应，质能方程，布朗运动（1905）]•广义相对论GeneralRelativity(1915)狭义相对论基本物理学定律不依赖于实验者的位置和运动•静止的实验者和在匀速直线运动火车或火箭中的实验者得到相同的实验结果•如果匀速直