广义相对论GeneralRelativity

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中国古代天文学成就（简介）古希腊天文学文艺复兴时期的天文学•哥白尼、开普勒、第谷和伽利略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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。古希腊天文学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试图解释宇宙内在的逻辑性和系统性古希腊是现代科学的发源地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.逆行时行星变亮柏拉图的家庭作业试图对行星的运动做出几何解释，特别是“诡异”的逆行和亮度变化柏拉图和他的学生自然受毕达哥拉斯思想的指引，所以无论采用什么模型，地球应是行星运动的静止中心柏拉图Plato(427-347B.C.)：苏格拉地Socrates(470-399B.C.)的学生萨摩斯岛的亚利斯塔克Samos萨摩斯岛的Aristarchus(亚利斯塔克，310-230BC,柏拉图的学生？）违背了常理，提出了太阳中心说。•早在亚利斯塔克之前，?Philolaus：地球围绕中心火（太阳）运动由于观测不支持地球在运动，他的模型当时是不被接受的。而且由于根深蒂固的亚里士多得体系和人的常识，这个理论并未活得太久，很快被遗忘，西方思想几乎2000年停滞不前，直到哥白尼使它复活科学鼻祖：亚里斯多德Aristotle(384-322B.C.),柏拉图的学生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，直到伽利略实验证明物体的运动不会改变除非对物体施加了作用力（……）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亚里斯多德学说不能解释行星的逆行!通过调节同心球层的速度，行星运动的许多特征都可得到解释但依然不能解释夜空中行星的逆行和亮度变化两类奇妙构思：•地球并不位于行星运动轨道的中心•轨道中嵌套着轨道：本轮和均轮本轮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•宇宙论的长梯的第一阶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众星则依附在一个最外层的大天球上西方思想停滞的中世纪Ptolemy于公元150年在长达13卷名为``Almagest(TheGreatest）”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。文艺复兴时期的天文学哥白尼：太阳中心说，革命的起点（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：第一个使用望远镜进行天文观测(1609);运动学定律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亮度变化：行星到地球的距离在变化逆行：几何+小轨道行星的转动快哥白尼的成败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哥白尼的太阳中心说可能不是新的（原创）！早在公元前200年，萨摩斯岛的亚利斯塔克就提出了太阳中心说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害怕嘲笑奚落，害怕失去贵族和教堂的宠爱，哥白尼临终时才发表它的学说这个勉强的革命却拉开了现代天文学发展的序幕。建立在此基础上，Kepler,Galileo,andNewton的工作彻底摧毁了Aristotle思想体系发Uraniburg第谷·布拉赫(TychoBrahe1546-1601)的杰出观测•丹麦贵族•受宠，天文堡•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后来的天文学家如开普勒建立正确的太阳系模型提供了至关重要的数据1552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）。四处奔波,提高预言行星位置的精度，被观测证实开普勒第一定律：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，地月距离连续变化perihelion近日点aphelion远日点开普勒第二定律：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：周期行星公转周期的平方和其与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•以地球取代太阳，例如研究月球或地球人造卫星时，此常数不同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（Mercury）绕太阳一周仅需88天•冥王星（Pluto）公转周期248年SaturnJupiterMarsEarthVenusMercury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？）•提供了证明哥白尼假说至关重要的观测•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（作为海军的望远工具）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•ButAristotle’s:restinrestmotiontorest(hiddenfriction)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与教堂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）。晚年公开放弃哥白尼观点真理与权威冲突的一个悲剧。伽利略以观测和实验寻求真理，但梵蒂冈认为真理可以在信心中获得•现代宇宙大爆炸理论得到教会的认可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•制造第一个光学反射式望远镜•……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牛顿修正了开普勒第三定律:m1m2两种极端情况1.m1m2，质心基本位于m1的中心，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，地球绕其质心运动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•万有引力定律需要修正（广义相对论、“MOND”）•另有未被发现的天体摄动所观测行星的轨道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冥王星的（偶然）发现相似的计算：天王星和海王星的轨道摄动预言海王星轨道外还存在另一颗行星1930年美国天文学家汤博发现冥王星但是现在知道当初的计算是错误的，因为不正确的质量假设，同时天王星和海王星的轨道偏离的计算也是不对的，因为冥王星不会产生所预言的轨道摄动冥王星的发现是一个“偶然”•一个“不幸儿”引力摄动：太阳系外行星系中新行星的发现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