從天文學(xué)發(fā)展談物理學(xué).ppt

1、從天文學(xué)發(fā)展談物理學(xué),PB05000643 苗又山,曾幾何時，當(dāng)?shù)厍蛏系娜祟愰_始仰望星空的時候，就開始試圖對茫茫浩瀚的宇宙進(jìn)行探索，而人類探尋的進(jìn)程是漫長的而又艱難的。沒有誰告訴人類應(yīng)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(dá)數(shù)十萬年的人類歷史中，隨著人類知識的發(fā)展，宇宙觀也在隨之發(fā)生著巨大的變化。,蓋天說 蓋天說最早在西周時期已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時認(rèn)為天尊地卑，天圓地方，認(rèn)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，源于將人類自己作為參照所得到的直觀感覺，加以想象的完善。 但當(dāng)時的人也發(fā)現(xiàn)， 這種觀點是難以站 住腳的，

2、至少他忽 略了天宇地的接縫。,蓋天說的圖示,爾后又出現(xiàn)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，孤居于天內(nèi)，天大而地小。天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃。渾天說最初認(rèn)為：地球不是孤零零地懸在空中的，而是浮在水上；后來又有發(fā)展，認(rèn)為地球浮在氣中，因此有可能回旋浮動，這就是“地有四游”的樸素地動說的先河。渾天說認(rèn)為 全天恒星都布于一個“天球” 上，而日月五星則附麗于 “天球”上運行，這與現(xiàn)代 天文學(xué)的天球概念十分接 近。因而渾天說采用球面 坐標(biāo)系，如赤道坐標(biāo)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(jìn)行著天文觀測，也許

3、這是人類渴求了解自然的共同屬性。 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(jù)有限的觀察資料所進(jìn)行的人為拼湊。他規(guī)定了本輪、均輪的大小及行星運行速度，才使這個模型和當(dāng)時的實測結(jié)果趨于一致。 可以發(fā)現(xiàn)，由于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里。,西方教會所宣揚的宇宙結(jié)構(gòu),但由于沒有充分的研究，只憑借某些類似“經(jīng)文”的書籍拼湊，自然會與實際情況存在偏差。 到了中世紀(jì)后期，隨著觀察儀器的不斷改進(jìn)，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(jié)果的偏差逐漸顯露出來了。但是，信奉

4、地心說的人們并沒有認(rèn)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(yīng)付，后來小本輪增加到80多個，仍不能滿意地計算出行星的準(zhǔn)確位置，這就不能不使人懷疑地心說的正確性了。 矛盾凸現(xiàn)出來了。,最終打破沉寂的是著名波蘭天文學(xué)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(fā)，認(rèn)真分析所掌握的天文數(shù)據(jù)。最終徹底推翻了托勒密的地心說，提出了日心說。這是一個空前絕后的創(chuàng)舉。但在當(dāng)時，這強烈地觸動了全力極大的教會的神經(jīng)，因為這是對教會最基礎(chǔ)的學(xué)說發(fā)起挑戰(zhàn)。,日心說認(rèn)為，太陽是宇宙的中心，地球和其他行星都繞太陽轉(zhuǎn)動，地球不是宇宙的中心，而是一顆普通行星。地心說

5、中表現(xiàn)出的行星圍繞地球運動的一年周期，其實是地球每年繞太陽公轉(zhuǎn)一周的反映。,開普勒（1571-1630年）是德國近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。他將數(shù)學(xué)和天文觀測結(jié)合起來，在天文學(xué)方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。開普勒是繼哥白尼之后第一個站出來捍衛(wèi)日心說、并在天文學(xué)方面有突破性成就的人物，被后世的科學(xué)史家稱為“天上的立法者”。 很顯然，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢硭枷雽λ某晒Φ挠绊懯菢O大的。,開普勒發(fā)現(xiàn)并總結(jié)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(nèi)掃過相等的面積。 3. 所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相

6、等 但我們說開普勒是可惜的，他當(dāng)時距離更大的成功就只有一步之遙。,在此之后出現(xiàn)的就是我們偉大的牛頓。 牛頓善于總結(jié)和尋找前人所得到的結(jié)論。尤其是運用他天才般的數(shù)學(xué)知識的前提下，很多經(jīng)典的結(jié)論應(yīng)運而生了。數(shù)學(xué)方面建立了微積分 ，開辟了數(shù)學(xué)上的一個新紀(jì)元 ，廣學(xué)方面他研究了色散原理，但在理學(xué)方面的建樹是令牛頓名垂青史的重要部分。,艾薩克牛頓（16431727 ）,當(dāng)時已經(jīng)有了地球半徑、日地距離等精確的數(shù)據(jù)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(xué)的數(shù)學(xué)原理中，從力學(xué)的基本概念(質(zhì)量、動量、慣性、力)

7、和基本定律(運動三定律)出發(fā)，運用他所發(fā)明的微積分這一銳利的數(shù)學(xué)工具，不但從數(shù)學(xué)上論證了萬有引力定律，而且把經(jīng)典力學(xué)確立為完整而嚴(yán)密的體系，把天體力學(xué)和地面上的物體力學(xué)統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大的綜合。,與此同時，中國的天文學(xué)也有很多值得稱道的成就。 我國是天文觀測記錄持續(xù)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(xué)家,僅從中國來講，我國在商朝就有了關(guān)于天文現(xiàn)象的記載。此后的歷代都有大量的天文現(xiàn)象的記載。豐富的觀測以及積極的思考對于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(xué)典籍

8、,張衡(78-139)是東漢中期渾天說的代表人物之一；他指出月球本身并不發(fā)光，月光其實是日光的反射；他還正確地解釋了月食的成因，并且認(rèn)識到宇宙的無限性和行星運動的快慢與距離 地球遠(yuǎn)近的關(guān)系。 張衡觀測記錄了兩千五百顆恒 星，創(chuàng)制了世界上第一架能比較準(zhǔn) 確地表演天象的漏水轉(zhuǎn)渾天儀，,渾天儀,在張遂（僧一行）以前，天文學(xué)家包括象張衡這樣的偉大天文學(xué)家都認(rèn)為恒星是不運動的。但是，張遂卻用“渾天銅儀”、“黃道游儀”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(shù)。從而發(fā)現(xiàn)恒星在運動。根據(jù)這個事實，張遂推斷出天體上的恒星肯定也是移動的。 張遂修訂的大衍歷是一部具有創(chuàng) 新精神的歷

9、法，它繼承了中國古代天 文學(xué)的優(yōu)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(xiàn)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(guī)律。,僧一行 (673727年),反觀在天文學(xué)上，中國與西方國家有著極大的區(qū)別：西方人更注重從純粹理性、數(shù)學(xué)的角度出發(fā)來研究問題，這種問題也許僅僅是探索本身，而并不一定要聯(lián)系到實際的應(yīng)用。中國則不同，中國的天文工作更多是在觀察和總結(jié)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(zhì)的認(rèn)識，制作了許多精妙的天文儀器，以及利用天文現(xiàn)象制作的計時儀器，如圭表等。而在量化的規(guī)律方面，我們并沒有顯現(xiàn)出我們所應(yīng)有的才智。 而量化了的規(guī)律具有更廣

10、泛的適用性，同時也是推動物理學(xué)發(fā)展的重要力量。我們目前所接觸的高等數(shù)學(xué)，絕大多數(shù)可以在物理學(xué)中找到問題的背景。而數(shù)學(xué)問題的解決，也可以促進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展。因此可以說物理和數(shù)學(xué)這兩門學(xué)科是相輔相成的。,在現(xiàn)代天文物理知識完備的今天，我們?nèi)藭窆湃艘粯佑龅胶芏嗬Щ蟆Ｒ驗槿祟惖娜酥皇且粋€永無窮盡的過程。正所謂學(xué)無止境。 譬如令眾多科學(xué)家頭痛的暗物質(zhì)問題，用我們現(xiàn)在所掌握的物理學(xué)知識，很難解釋宇宙引力場的曲線平滑下降。引力場的實質(zhì)問題，究竟是一種由某種粒子導(dǎo)致的特殊的力，還是一種由物質(zhì)導(dǎo)致的時空彎曲?，F(xiàn)在，我們還沒有明確的答案。 甚至我們的許多學(xué)科的一些基本問題還停留在默認(rèn)其為正確的階段。正如許多科學(xué)家所言，我們的科學(xué)大廈建立在松軟的泥土上，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，這并不代表我們現(xiàn)在的研究是毫無意義的。 我們有很多值得驕傲的成就產(chǎn)生。,通過對天文以及物理知識的掌握，我們可以預(yù)測很多天文事件的發(fā)生時間。并據(jù)此來幫助考古工作者破解歷史的