星空的琴弦

Posted on Mar 06, 2021

标签： 天文  科普 

维天有汉 监亦有光
跂彼织女 终日七襄

虽则七襄 不成报章
睆彼牵牛 不以服箱
东有启明 西有长庚
有捄天毕 载施之行

维南有箕 不可以簸扬
维北有斗 不可以挹酒浆
维南有箕 载翕其舌
维北有斗 西柄之揭

-- 《小雅·大东》

其中

• “汉”指银河，又如李白的“永结无情游，相期邈云汉”。
• “（织）女”、“（牵）牛”、“（天）毕”，“箕”、“斗”为二十八宿名。
• “启明”、“长庚”实为一星，即金星。

最近在合作一个天文学背景的项目，说是最近，其实也大半年了，虽然问题背景在合作者的细致介绍中比较清楚了，但是总觉得少了点什么。有一段时间还心血来潮，想找网上的天文学课程补补，但是不了了之。这两天突发奇想在微信读书上找科普读物，最终锁定了这本《星空的琴弦：天文学史话》，其实特意翻了下目录，似乎并没有跟项目特别相关的章节，但是转念一想，系统了解下天文学史也应该蛮不错的，这可能恰巧是自己欠缺的，反而是具体的背景知识是可以直接寻求合作者的帮助。

• 大地是球形的：毕达哥拉斯（Pythagoras，前572年～前497年），亚里士多德（Aristotle，前384年～前322年）
• 日月星辰的变化：
  • 毕达哥拉斯：所有的天体（五大行星、月亮、太阳，再外面一圈就是“天界”，恒星在里面运行，“天界”之外就是一圈永不熄灭的天火）都围绕着地球做着匀速圆周运动
  • 菲洛劳斯（Philolaus，前480年～？，毕达哥拉斯的学生）：天体的数量一定是10个，而非9个，因为10才是神圣的四重数（Triangular number）
  • 柏拉图（Plato，约前427年～前347年）：用五大行星的反常运动质疑毕达哥拉斯的理论
  • 欧多克斯（Eudoxus of Cnidus，前408年～前355年，柏拉图的学生）：同心球理论
  • 亚里士多德：改进完善同心球理论，并称之为水晶球模型
  • 阿波罗尼（Apollonius，约公元前262年～前190年）：指出同心球理论不能解释五大行星的亮度变化，提出本轮均轮理论
  • 阿里斯塔克斯（Aristarchus，约公元前310年～前230年）：地球自转
  • 克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus，约90年～168年）：天文学界公认的古代天文学的教父级人物，也是第一个能够正确预报日食、月食以及行星排列图形的天文学家
    • 注意到阿里斯塔克斯的地球自转的观点，但是根据“向上抛的石子总是会落回手上”否定了这一想法，直到伽利略（GalileoGalilei，1564年～1642年）才揭示了为什么石子能落回原处的物理规律
    • 思考和总结前人的思想，主要是本轮均轮理论，提出自己的宇宙图像，并为每个本轮均轮根据自己的天文观测详细设计了大小、角度和速度值，以此来预测天体的位置
    • 注意到神童依巴古根据对四季持续天数不均匀的发现指出地球在太阳圆周运动的一个偏心的位置上，而非中心点，修正了自己的宇宙模型
    • 鸿篇巨著《天文学大成》：人类历史上第一部系统阐述天文学的著作，它是集古代天文学之大成之作，在此后的1500年中，它将成为无人敢于挑战的成熟理论，同时也成为天文学的教科书
• 中国古代天文学思想：
  • 天象的观测和历法：只是天文学很小的一部分，并未深入到天体运行的本质规律中
    • 石申（战国时期的魏国）：
      • 与楚人甘德测定并精密记录下的黄道附近恒星位置及其与北极的距离，是世界上最古老的恒星表
      • 系统地观察和记录了五大行星的出没规律
    • 郭守敬：制定《授时历》，当时世界上最先进的一种历法
    • 他们与另三位中国古代科学家（祖冲之、张衡、万户）的名字，被用来命名月球背面的五座环形山
  • 三种天地结构：
    • 盖天说：天圆地方，“天圆如张盖，地方如棋局”
    • 宣夜说：天就是由无尽的气组成的，日月星辰全都漂浮在无边无垠的气体中。
    • 浑天说：张衡的《浑天仪注》，“浑天如鸡子，地如蛋中黄，孤居于内，天大而地小。”
      • 学术界指出浑天说其实并没有明确认识到地球是球形的
• 地心说 vs 日心说：
  • 哥白尼（Nikolaj Kopernik，1473年～1543年）：日心说，《天体运行论》
  • 开普勒（Johannes Kepler，1571年～1630年）：“天空立法者”
    • 几乎不用望远镜，也基本不抬头看星星的天文学家、数学家，仅仅用他的纸和笔就解决了哥白尼体系中的缺陷，修正了哥白尼的理论体系
    • 得到老师第谷的观测数据
    • 第一定律（1609 年出版《新天文学》）：行星绕日运行轨道是一个椭圆，太阳位于其中的一个焦点上。
    • 第二定律（《新天文学》）：在相同的时间内，行星到太阳的连线扫过的面积相等。
    • 第三定律（1619 年出版《天体和谐》）：行星绕太阳公转周期的平方与轨道椭圆长半轴的立方成正比。
  • 伽利略（GalileoGalilei，1564年～1642年）：
    • 1609 年，制成了世界上第一架放大倍数为3的望远镜，经过一番改进，又制成了8倍的望远镜
    • 发现木星四颗卫星
    • 发现金星的盈亏变化，日心说最好的佐证
    • 写作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》
  • 艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643年～1727年）：
    • 24岁，发现万有引力定律
    • 45岁，《自然哲学的数学原理》，牛顿力学三定律
  • 天体力学：基于牛顿的四个宇宙间的基本定律
    • 一大堆天文学巨匠，他们为这门学科的发展做出了巨大的贡献，比如拉格朗日、拉普拉斯、高斯等等
    • 拉普拉斯：五卷十六册的巨著《天体力学》，第一个明确提出了“天体力学”这个概念
• 恒星不恒：
  • 肉眼观测到的两种整体“运动”：“恒”并不是说它们在天空中的绝对位置恒定不动，而是说它们之间的相对位置是恒定的
    • 地球自转：每天绕着北天极的周日运动
    • 地球公转：每年周期性绕着黄道带转动的周年运动
  • 第谷发现超新星，人们开始明白恒星至少在数量上不是恒定不变的
  • 哈雷（Halley，1656年～1742年）：第一个发现恒星相对位置变化的人
    • 牛顿的好友，出钱替牛顿出版了《原理》
    • 发明第一台潜水钟
    • 第一个提出人寿保险的数学模型
    • 计算并预言了哈雷彗星（每76年回归一次）
    • 1717 年发表论文指出，经过对托勒密时期的星表与现代最新的星表的细细比较发现，1700多年来，天狼星、大角星、南河三这三颗恒星的位置肯定发生了变化，并且绝不是由于观测误差引起的
  • 周年视差：哥白尼体系的最后悬案
    • 布拉德雷（Bradley，1693年～1762年）发现光行差和地球章动
    • 贝塞尔（Bessel，1784年～1846年）：测定天鹅61星的周年视差
• 日地距离：天文学第一问题
  • 三角测量法，即测量太阳的视差
    • 在南半球和北半球相距很遥远的天文台同时观测太阳：可操作性不强
  • 卡西尼（Giovanni Domenico Cassini，1625年～1712年）：通过测量火星的视差计算出日地距离
    • 结果：1.6亿千米（今测值为1.496亿千米）
  • 哈雷的想法：金星凌日
    • 勒让蒂：史上最悲剧的天文学家
    • 结果：1AU=1.33亿千米。
• 天王星 & 海王星：
  • 天王星：威廉·赫歇尔（Herschel，1738年～1822年）
    • 19.2AU
    • 伽利略误当作木星的卫星
    • 实际运行轨道与计算出的轨道总是有偏差
  • 海王星：
    • 1846年9月23日，勒维耶（Le Verrier，1811年～1877年）寄信给德国柏林天文台台长加勒
    • 一年前，亚当斯的计算结果与勒维耶几乎一致
    • 天文学界一致决定他们三人共享海王星的发现权
    • 距地 30 AU，公转周期 165 年
• 银河系：
  • 伽利略：银河那看上去像牛奶一样的白雾，实际上是由无数极为暗弱的恒星构成的
  • 威廉·赫歇尔及其儿子约翰·赫歇尔：圆盘理论
  • 恒星自行现象：
    • 哈雷首次发现
    • 原因：是恒星在运动还是太阳在运动，亦或两者皆有？
    • 老赫歇尔的结论：两者都有，路灯效应
      • 1783 年：太阳正朝着武仙座方向运动。
      • 半个世纪后，阿哥朗德尔证实了赫歇尔的结论
  • 星云：
    • 赫歇尔发现
    • 威廉·帕森斯（William Parsons，1800年～1867年）：
      • 设计制造超大望远镜
      • 素描猎犬座旋涡星系M51
  • 卡普坦（Kapteyn，1851年～1922年）：倡议全世界天文学家联合起来用赫歇尔的分天区的办法再“数”一次星星
    • 得到的银河系大小仅为现在所知的一半左右，不过比威廉·赫歇尔给出的结果还是要大了9倍
  • 沙普利（Shapley，1885年～1972年）
    • 1917年，口径达到2.5米的胡克望远镜在威尔逊山天文台
    • 球状星团：太阳的位置是在偏离银心的边缘位置上
      • 天文测距：
        • 三角测量法：只能测定不超过400光年的距离
        • “造父变星”测距法：
          • 古德里克（Goodricke，1764年～1786年）：发现仙王座δ（中文名造父一），以仙王座δ星为代表的、本身光度就在变化的星星我们称之为“造父变星”。
          • 勒维特（Leavitt，1868年～1921年）：造父变星的亮度和变星周期之间存在着数学关系。只要测定出了一颗造父变星的光变周期P，就能通过经验公式求出这颗星的绝对亮度值，然后再根据视亮度与距离的平方成反比的规律，测定出视星等，就能算出距离了。
      • 通过造父变星测出球状星团的距离
• 宇宙：
  • 沙普利-柯蒂斯之争：1920年，世纪天文大辩论
    • 沙普利：银河系的直径达到30万光年，仙女座那片星云是银河系中一种星云状天体
    • 柯蒂斯（Curtis，1872年～1942年）：银河系的直径只有4万光年，仙女座星云距离我们至少50万光年，是银河系之外的另一个星系。
  • 哈勃（Edwin Powell Hubble，1889年～1953年）
    • 观测仙女座星云（M31）和三角座星云（M33），计算出距离，使得天文学家达成共识，“星云不可能是银河系中的发光气体“云”或者某一个单独的天体，而是与银河系一样的由千亿星辰构成的真正的“星系”，每一个星系就像在广袤宇宙中的一个岛屿一样。”
    • 河外星系：发现所有的星云其实都是一个银河系以外的星系
    • 发现所有遥远的星系都存在红移现象
      • 多普勒（Christian Andreas Doppler，1803年～1853年）效应：起先被认为星系红移是因为多普勒效应
        • 当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉；而当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高
        • 多普勒效应对所有的波都是成立的
      • 现代天文学的观点认为：星系的红移现象并不是由于多普勒效应造成的，星系的红移恰恰是由于宇宙膨胀本身造成的。多普勒效应造成的红移是一个恒定值，而宇宙膨胀本身造成的红移量是一个不断增大的值。
  • 爱因斯坦：哈勃的红移发现与广义相对论互为印证。
  • 弗里德曼（Alexander Friedman，1888年～1925年）：指出爱因斯坦的那个宇宙常数是画蛇添足，我们所处的宇宙就是在膨胀中的，并且在宇宙最初的时候，只是质量和密度接近无限大的一个点而已。
  • 勒梅特（Lemaǐtre，1894年～1966年）：大爆炸（Big Bang）学说
    • 支持者：俄裔美国物理学家伽莫夫，预言宇宙背景辐射。
  • 宇宙微波背景辐射：大爆炸理论最关键的证据
    • 二十世纪30年代：射电望远镜，并不是捕获光线的，而是通过一个巨大的天线收集各种频率的电磁波进行分析，进而把电磁波转换成图像和声音这两种人类可以直观感受的形式。
    • 工程师彭齐亚斯和威尔逊接收到噪音：来自宇宙的本底辐射，获得1978年的诺贝尔物理学奖
    • 视界问题
      • 整个空间中的辐射是完全均匀的，无论把天线指向哪里，辐射的温度都是2.725K左右
      • 按照广义相对论的计算，在宇宙诞生的那一刻，宇宙空间膨胀的速度是如此之快，以至于其中不同区域相互远离的速度超过了光速（广泛的误解：相对论所说的光速极限是指的信息和能量的传递速度无法突破光速，而空间的膨胀本质上是一种视运动，其速度是完全可以超过光速的）
      • 宇宙在诞生的时候，“砰”一声炸得四分五裂，但是由于空间的膨胀速度超过光速，也就是意味着每一个碎块与碎块之间的分离速度超过了光速，那么这些碎块与碎块之间绝对不可能发生任何能量交互，也不可能发生热量的传导，但是最终的结果，却是所有的碎块温度全部惊人地一致
    • 阿兰·古思（Alan Guth，1947年～）：暴胀理论，宇宙空间在迅速远离之前就已经建立了共同的温度
    • COBE：第一个宇宙微波背景辐射探测器
      • 领导：乔治·斯穆特（George Fitzgerald Smoot，1945年～）和约翰·马瑟（John Mather，1945～），他们获得2006诺贝尔物理学奖
      • 发现：宇宙微波背景辐射的温度涨落找到了，而且和理论预测相符得很好
    • 威尔金森微波各向异性探测器 WMAP：2001年6月30日，NASA 发射另一颗宇宙微波背景辐射探测器
      • 得到的九年数据图像与暴胀理论非常相符
    • 暴胀理论作为宇宙大爆炸理论的补充之一，一直统治宇宙学领域至今，被称为“标准宇宙模型”。
  • 宇宙年龄：以我们地球为参考系，自宇宙大爆炸发生的那一刻起到现在所流逝的时间总和
    • 如果是匀速膨胀，则为哈勃常数的倒数
    • 早期科学家以为是减速膨胀
    • 现在发现是在加速膨胀，而且不是匀加速，各个时期加速度不一样
    • 根据 2015 年欧空局普朗克卫星所的结果，现在得出宇宙年龄为 137.98±0.37亿年
  • 星际有机分子
    • 1968 年：在银河系中心附近，人马座B2区域，发现无机分子，氨分子 (NH3) 和水分子 (H2O)
    • 1969 年：同片分子云中，探测到甲醛 (HCHO)
    • 1969 年 9 月：默奇森陨石，罕见的碳质球粒陨石
      • 布满氨基酸
      • 2001 年，发现复杂的多羟基化合物（一种“糖”）
      • 其他碳质球粒陨石：证明宇宙中存在着丰富的化合物
    • 1974 年：同片分子云中，发现大量乙醇
  • 类星体：像恒星但肯定不是恒星的天体，巨大辐射
    • 桑德奇（Sandage，1926年～2010年）1960年发现 3C48
    • 施密特（Schmidt，1929年～）1963 年发现 3C273
    • 能量之谜：目前主流观点，类星体其实就是中心有一个超大质量黑洞的小型星系，这被称为“活动星系核”
  • 脉冲星：
    • 安东尼·休伊什（Antony Hewish，1924年～）和乔丝琳·贝尔（Jocelyn Bell Burnell，1943年～）发现来自天体的周期性脉冲射电辐射，其周期短而精确，为1.3373011秒
    • 后来人们确信，它是快速自转的具有强磁场的中子星
  • 哈勃太空望远镜：
    • 二十世纪 射电 天文学四大发现：宇宙微波背景辐射、星际有机分子、类星体、脉冲星
    • 1995.12.18 - 1995.12.28: 观测并合成得到照片“哈勃深空场”
    • 可以通过研究星系来认识宇宙
  • 当今物理界和天文学界最令人着迷的两大谜题：
    • 暗物质：
      • 奥尔特（Oort，1900年～1992年）：1932年发现银河系的自转似乎不太符合牛顿力学，银河系外侧的恒星运动速度似乎与靠近银心的恒星运动速度没有什么大的差别
      • 兹威基（Zwicky，1898年～1974年）：1933年研究后发座星系团遇到几乎相同的困惑
        • 两种不同方法（“动力学质量”，“光度学质量”）测算星系团中星系的平均质量相差很大
      • 鲁宾（Rubin，1928年～）：1980年发表论文，第一篇有关暗物质的重量级论文，银河系的总质量计算值远大于观测值
      • 以道格拉斯·克洛为首的一队美国天文学家：2006年，利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E0657-558进行观测时，观测到星系碰撞的过程，发现暗物质存在的直接证据
      • 根据 2015 欧空局普朗克卫星数据，宇宙中的可见物质，只占整个宇宙总质能的4.9%，暗物质占到了26.8%，另外68.3%为暗能量。
    • 暗能量：
      • 爱因斯坦提出宇宙学常数，使得宇宙稳态，不会膨胀也不会收缩
      • 第三种天文测距方法：超新星测量法，也被称为“标准烛光法”
      • 宇宙正在加速膨胀：
        • 珀尔马特（Perlmutter，1959年～）团队：“超新星宇宙学计划”
        • 施密特（Schmidt，1967年～）团队：“高红移超新星搜索队”
        • 他们获得 2011 诺贝尔物理学奖
      • 迈克尔·特纳（Michael S. Turner，1949年～）：发明暗能量（DarkEnergy）
      • 暗能量与万有引力刚好相反，物质之间的空间越大，暗能量反而越强，因为宇宙学常数不会被稀释，它是空间的一种固有属性，相同单位大小的空间都具有相同大小的外推力，这也是由爱因斯坦的广义相对论方程所决定的。
  • 宇宙的形状：
    • 早期宇宙曲率为正，空间被弯曲成闭合的曲面
    • 测量现在的宇宙空间曲率，两种思路
      • 爱因斯坦的广义相对论方程
      • 测量宇宙中一个巨大的三角形的内角和
    • 若曲率非正，可推出宇宙无限大
    • 可观宇宙是有限的，直径大小为930亿光年（“粒子视界”），会随着宇宙年龄的增长而增长。
  • 宇宙的命运：
    • 现在两种主流观点
      • 热寂（Heat death of the universe）说
        • 热力学第二定律：任何孤立系统中的熵只能增大不能减小。
        • 整个宇宙是一个孤立系统，最终达到热平衡
          • 退化时代
          • 黑洞时代
          • 黑暗时代
      • 大撕裂说：2003年首次提出
        • 每个基本粒子之间互相远离的速度都超过了光速，任何基本粒子之间永远也不再可能发生相互作用

读罢此书，除了梳理出上述的天文学史脉络，作者汪洁在科普写作中，展现出的对科学精神的推崇，以及其对科学的理解也是深受启发！他从两个角度阐述了科学

• 方法：科学是一种人类获取最可靠知识的方法论。具体来说，这个方法就是通过观察，提出假设，然后再通过实验来检验这个假设。
• 基本特征：科学活动所得的知识是条件明确的，不能模棱两可或随意解读，是能经得起检验的，而且不能与任何适用范围内的已知事实产生矛盾。

为了说明理性思维对科学精神的重要性，举了统计学上经常强调的重要观念——相关性不等于因果性，而且借用科赫法则判断传染病是否由某病原体的导致的例子作了进一步说明。