天文學(xué)發(fā)展史(編輯修改稿)
2025-03-02 20:06 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 一個(gè)悲劇 3。牛頓的引力理論 Sir Isaac Newton (16421727) ? 最偉大的科學(xué)家之一， 25歲前完成主要科學(xué)貢獻(xiàn) ? 微積分：用數(shù)學(xué)描述物理 ? 運(yùn)動(dòng)學(xué)三定律 ? 萬有引力定律 ? 光的微粒理論 ? 制造第一個(gè)反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 ? 《 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 》 ? 教授，神學(xué)家，煉金屬士，造幣廠長，皇家學(xué)會(huì)主席，議員 劍橋大學(xué)的三一學(xué)院 *牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)三定律 * 1. 慣性定律 2. F = ma 3. 作用力與反作用力 萬有引力定律和蘋果的故事 月球 萬有引力定律 ? 萬物皆有吸引 ? 萬有引力常數(shù)很小，當(dāng)物體質(zhì)量很小時(shí)，它們之間的引力便微不足道 ? 看不到日常物體的相互吸引，例如兩個(gè)人由于萬有引力而相互碰撞 *有關(guān)引力有趣的例子 * ? 人和木星對(duì)你的引力基本相同 ? 嬰兒出生：醫(yī)生護(hù)士 PK 星座 ? 喜馬拉雅山使物斜立（ 19世紀(jì)末英探險(xiǎn)家） ? 采礦：金屬密度大于大多數(shù)巖石密度 ? 低引力 ? 零引力 雙體系統(tǒng)的質(zhì)心 兩種極端情況 1. m1m2 ， 體系的質(zhì)心基本位于 m1的質(zhì)心，即太陽系情況 太陽位于一個(gè)焦點(diǎn)上 “ 不動(dòng) ” ，而行星環(huán)繞它在轉(zhuǎn)動(dòng) 2. m1=m2， 質(zhì)心距離 m1和 m2相等， m1和 m2同繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)，雙（恒）星多近似為此情況 兩體近似 ? 地球的橢圓軌道：假設(shè)宇宙中只有太陽和地球，地球繞它們的質(zhì)心運(yùn)動(dòng) ? 實(shí)際情況是，萬有引力定律表明地球不僅與太陽相互作用，而且也與宇宙中的其它質(zhì)量相互作用：月亮，其它行星，小行星和彗星，遙遠(yuǎn)的恒星 ? 計(jì)算行星軌道可用兩體近似：太陽質(zhì)量遠(yuǎn)大于行星和小天體；其它恒星距離太遠(yuǎn) 引力攝動(dòng)和新行星的預(yù)言 ? 其它質(zhì)量對(duì)兩體近似的偏離稱為引力攝動(dòng)，通過仔細(xì)觀測(cè)也有重要作用。如果考慮了所有已知行星對(duì)某顆行星的引力攝動(dòng)后，這顆行星的運(yùn)動(dòng)仍偏離預(yù)言，可能有兩種選擇 ? 另有未被發(fā)現(xiàn)的天體攝動(dòng)所觀測(cè)行星的軌道 ? 萬有引力定律需要修正（廣義相對(duì)論） ? 根據(jù)牛頓萬有引力定律，天文學(xué)史上恰好給出了這兩種情況 1。海王星的發(fā)現(xiàn) ? 1781年，英國天文學(xué)家威廉 赫歇耳發(fā)現(xiàn)天王星 ? 發(fā)現(xiàn)天王星的軌道預(yù)言和實(shí)際觀測(cè)不一致 ? 1845，亞當(dāng)斯與 勒威耶 預(yù)言在天王星的軌道以外還有一顆未知的大行星 ? 1846，德國柏林天文臺(tái)臺(tái)長 伽勒 發(fā)現(xiàn)海王星 2。牛頓引力攝動(dòng)以外的效應(yīng) ? 萬有引力定律的偉大是顯而易見的，仔細(xì)的計(jì)算越來越精確解釋了行星的軌道 ? 以至于任何軌道觀測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)言的偏離都被認(rèn)為是太陽系中“不可見”質(zhì)量的證據(jù) ? 但是觀測(cè)到的水星軌道的不規(guī)則卻是假設(shè)一個(gè)新行星所產(chǎn)生的引力攝動(dòng)所不能解釋的。所假設(shè)的新行星，祝融星 (Vulcan)， 也是不存在的 ? 20世紀(jì)初，愛因斯坦的廣義相對(duì)論發(fā)展了牛頓的萬有引力定律 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) ? 5600角秒 /100年 ? （金星等）引力攝動(dòng)解釋 5557角秒 ? 愛因斯坦廣義相對(duì)論解釋另外的 43角秒（太陽附近強(qiáng)引力） ? 早期愛因斯坦廣義相對(duì)論的重要證據(jù) ? 所有其它行星軌道的進(jìn)動(dòng)可用牛頓引力攝動(dòng)解釋 4。愛因斯坦的相對(duì)論 ? 牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律的適用范圍：低速（速度遠(yuǎn)小于光速） ? 可指導(dǎo)飛船：經(jīng)過幾年飛行幾十億千米到達(dá)目的地的誤差僅有幾分鐘 ? 牛頓萬有引力定律適用于弱引力場(chǎng)，例如太陽系（水星除外） 高速和強(qiáng)引力場(chǎng) ? 高速（ v） 情況下會(huì)發(fā)生什么新現(xiàn)象？ ? 強(qiáng)引力場(chǎng)的時(shí)空性質(zhì)如何？ 愛因斯坦 (Albert Einstein 18791955)對(duì)空間和時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)和引力做出了新的詮釋： ? 狹義相對(duì)論 Special Relativity (1905) ? [光電效應(yīng)，質(zhì)能方程，布朗運(yùn)動(dòng)（ 1905） ] ? 廣義相對(duì)論 General Relativity (1915) 狹義相對(duì)論 ? 基本物理學(xué)定律不依賴于實(shí)驗(yàn)者的位置和運(yùn)動(dòng) ? 靜止的實(shí)驗(yàn)者和在勻速直線運(yùn)動(dòng)火車或火箭中的實(shí)驗(yàn)者得到相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ? 如果勻速直線運(yùn)動(dòng)火車或火箭中的實(shí)驗(yàn)室是封閉的，那么沒有實(shí)驗(yàn)可以證明實(shí)驗(yàn)者在運(yùn)動(dòng) ? 光速不變 ? 光速和測(cè)量者的相對(duì)速度無關(guān) ? 假設(shè)火箭速度 c/2， 靜止觀測(cè)者和火箭上的觀測(cè)者測(cè)量到的光速相同，而不是 =火箭速度 +光速 ? 要得到相同的光速（ =距離 /時(shí)間），兩個(gè)觀測(cè)者對(duì)距離和時(shí)間的理解必定不同 相對(duì)論的意義 ? 所有運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)于一個(gè)選定的參考系，這正是愛因斯坦相對(duì)論中 “ 相對(duì) ” 的真正含義 ? 長度、時(shí)間和質(zhì)量依賴觀測(cè)者相對(duì)于所選定的參考系的運(yùn)動(dòng) ? 處于不同運(yùn)動(dòng)（參考系）中的觀測(cè)者在各自的參考系中如果要得到相同光速的唯一辦法是：他們的 “ 米 ” 和 “ 秒 ” 不同，即長度和時(shí)間是相對(duì)量 狹義相對(duì)論效應(yīng)（ 1， 2） ? 對(duì)于高速勻速運(yùn)動(dòng)的物體，一個(gè)靜止的觀測(cè)者將會(huì)發(fā)現(xiàn)： 1
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