当代物理学发展报告——天体物理学与宇宙学(上)

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1、当代物理学发展报告——天体物理学与宇宙学（上）2007年05月11日05:26上一篇：http://hi.baidu.com/jhlb/blog/item/bf23d03f5f1e31c37c1e7153.html五、天体物理学与宇宙学的进展1．行星研究的三部曲在17世纪，以牛顿力学和万有引力定律的发现为标志的这一历史时期，人类对行星的研究常常被形容为对行星各层次研究的三部曲①。这三部曲的主角依次为第谷、开普勒和牛顿。第谷（Tycho，Brahe1546～1601）是最后一位也是最伟大的一位用肉眼进行观测的天文学家。他出身于一个瑞典

2、血统的丹麦贵族之家，13岁即进入哥本哈根大学学习法律与哲学。在1560年，一次偶然观测日蚀后，转向了天文学与数学研究。他做出的第一件引人注意的事，是在1563年发现了木星最接近土星的时间，比西班牙君主阿尔丰沙十世（AlfonsoXofCastile1221～1284）在世时，制定的行星表预计的时间相差有1个月。在这以前，人们使用阿尔丰沙十世的行星表长达300年之久。这件事后，第谷开始着手修定行星表，他所制作的新行星表定位精度达到了30弧秒。第谷做出的第二件有名的事，是在1572年观测到一次星球爆发，后人称它为第谷星，这是继1054年

3、中国人首次观测到的新星之后的第二颗新星。第谷首次引入“新星”这个概念，他通过视差测量出这颗新星比当时人们认为的宇宙边界要远得多，这是对亚里士多德的“天空是完美无缺和永恒不变的”观点的有力冲击。第谷第三件有名的事是对慧星的研究。1577年，第谷对天空出现的一颗巨大彗星研究的结果表明，它不仅来自当时人们认为的“天界”之外，其运行也有特定的轨道。这不仅再次冲击了亚里土多德的天空观念，而且与伽利略坚持的“替星不能与其它天体的永恒性和规律性相比，它仅仅是一种大气现象”的说法大相径庭。第谷一生对行星的观测，积累了有关行星的位置及运行的大量数据，

4、它们达到了前所未有的精确程度。在丹麦国王腓特烈二世的支持下，第谷在丹麦与瑞典之间的赫维恩岛上，修建了人类第一座天文台。他还不惜工本地建造了一个直径5英尺的天球仪。1597年，第谷应德国国王鲁道夫二世之邀，离开丹麦前往布拉格新区定居，此行使他发现了开普勒这位德国青年助手。开普勒（Kepler，Johann1571～1630）1588年毕业于德国蒂宾诺大学。1591年获得该校硕士学位。他在数学上的才华很快地崭露头角，1597年开始担任第谷的助手，替他制作行星运行表。1601年第谷去世后，开普勒继承了一大批非常宝贵的资料。他以这些观测结果

5、为基础，计算出一个能描述星体运行的体系。一开始，他把大量精力用到了行星运行的正多面体理论之中，几年之后才发现，这一理论不适用第谷观测的结果。后来，他从希腊数学家阿波洛尼乌斯（ApolloniusB.C.262～190）的圆锥曲线那里受到启发，终于发现，第谷观测到的火星位置与椭圆轨道符合的精度很高，而太阳恰好位于椭圆轨道的一个焦点之上。以后，他陆续找到其它行星的椭圆轨道，太阳则总在这些轨道的焦点之上。1609年，开普勒在《新天文学》一书中，公布了他对行星按椭圆轨道运行的研究成果，这就是现在的开普勒第一和第二定律。开普勒第三定律发表在另

6、一部著作中。以后，开普勒根据第谷的观测资料和他的椭圆轨道理论，终于制作成功了新的行星运行表。这一部运行表发表于1627年，在书的扉页上，开普勒写了献辞，以纪念他的导师第谷。在行星表的计算中，开普勒首次采用了苏格兰数学家耐普尔（Napier，John1550～1617）所发明的对数。耐普尔的对数表发表于1614年，由于对数大大简化了繁琐的数字运算，像计算机给予现今科学技术以巨大冲击一样，对数的发明也给予当时的科技发展极大的推动。尽管开普勒以惊人的洞察力和坚韧不拔的精神，在第谷大量的资料中找到了行星运行的三大定律，尽管开普勒的理论使延续

7、两千多年的圆运动的神圣不可侵犯受到了冲击，但是开普勒却没能对这一运行规律做出解释。显然，是太阳在以某种方式支配着行星的运动，为此，开普勒曾沿用英国物理学家吉尔伯特（Gilbert，William1544～1603）的看法，认为使行星保持在一定轨道上的是一种来自太阳的“磁性引力”。直到半个世纪之后，才由牛顿提出了一个满意的解释。从古代到中世纪，人们都信奉亚里士多德的哲学，认为天地受不同体系自然规律支配，地上的一切是可变的、污浊的，而天上的一切是永恒的、光辉的，天上与地下万物各自遵循迥然不同的运动法则。牛顿却大胆地提出，天地二者的规律是

8、完全统一一致的。在他的《自然哲学与数学原理》一书中，牛顿首次提出，在没有其它外力的作用下，天体受到“第一次推动”之后，将始终维持惯性运动。牛顿还根据他著名的运动三定律，导出了地球与月球的引力规律，由此提出了著名的引力定律，并认为这一规