请君莫奏前朝曲,听唱新翻杨柳枝物理学的发展不断改变

《请君莫奏前朝曲,听唱新翻杨柳枝物理学的发展不断改变》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、请君莫奏前朝曲，听唱新翻杨柳枝——物理学的发展不断改变着人们的世界观赵凯华一、宇宙观的演变（一）从哥白尼到开普勒在科学不发达的古代，人们已开始对宇宙的结构产生种种的设想和猜测。在中国有盖天、浑天、宣夜诸说；在希腊，从亚里士多德到托勒玫，数百年间建立起极为精致的宇宙模型。那时在人们的观念里，毫无例外地把人类自己放在宇宙的中心。公元150年前后托勒玫（C.Ptolemy）把当时已发展得异常之好的天文学知识（精度惊人的观测数据）总结成宇宙的地心体系（图1），在此体系中太阳、月亮和各行星都固着在不同的水晶天球上绕地球旋转，恒星则呆在最外的天

2、球上。行星在天球上的视轨迹是相当复杂的。最引入注目的特征是，在恒星的背景上行星有时要逆行（retrograde，见图2）。托勒玫的体系把每个行星的运动描绘成沿一个称为本轮（epicycle）的小圆回转，而本轮的中心又循着以地球为中心的一个称为均轮（deferent）的大圆运行。这就解释了且不管人们的宇宙观如何，行星的逆行问题（见图3）。图1托勒攻的宁宙地心体系37/37图2火星的退行图3本轮和均轮为了使其理论体系与相当精确的天文观测数据吻合，托勒玫在本轮上再加一层又一层的本轮。尽管这个体系变得非常复杂，它却能给出行星以前的轨迹，并能

3、相当好地预言它们未来的位置，于是，托勒玫体系一代代传下来，直到15世纪，未发生重大变化。哥白尼（NicolausCopernicus）1473年生于波兰，他对托勒玫庞杂的大小本轮体系强烈地不满，哥白尼认为，如果把太阳放在中心，对行星运动的描述将会大大简化。图4是哥白尼的日心体系，在这个体系中，五大行星和地球都绕着太阳作圆周运动。哥白尼的学说与天主教的教义严重抵触，遭到了教廷的封杀。37/37图4哥白尼的日心体系布鲁诺（GiordanoBruno）不是天文学家，他通过哲学思辨主张宇宙无限的观念。虽然哥白尼的宇宙体系保留了恒星天球，仍是

4、一个有限的体系，布鲁诺把哥白尼的日心说发展成一个无限的体系，在欧洲大陆和英国宣传哥白尼的日心说。1600年被罗马教廷烧死在鲜花广场上。第谷·布拉赫（TychoBrahe）1583年提出了一个混合体系（见图5），仍把地球安置在宇宙的中心，五颗行星则绕太阳转，而太阳带着它们围绕地球运行。布拉赫体系在不涉及恒星天时与哥白尼体系在数学上是等价的，他的体系和观测都驱使他的追随者转向哥白尼阵营。图5第谷·布拉鲁的混合体系开普勒（JohannesKepler）是布拉赫的助手，他与布拉赫相比更倾向于理论上的思考。布拉赫死后，他把自己的全副精力用来整

5、理布拉赫的观测数据，企图求得行星运行轨道的最简单描述，出于便于观测的原因，他详细研究了火星的运动。在研究火星运动轨道的过程中，开普勒总结出行星运动的等面积定理：设想从太阳向行星引一条辐线（径矢），他发现这条辐线在相等的时间间隔内扫过相等的面积（见图6）。37/37为了拟合出行星的轨道，开普勒开始也是用本轮—均轮的方法（不过把太阳放在中心），但不成功；于是他放弃了匀速圆周运动这个一向为人们钟爱的古老信念，着手用卵形线去拟合行星轨道，经过详细计算，最后，他发现，用椭圆轨道才能精确地拟合行星的轨道，而太阳处在它的一个焦点上（见图6），这就

6、是开普勒1609年发表的第一定律，而面积定理则成为他的第二定律。图6开普勒第二定律——等面积法则古希腊以来，人们就想到，行星的轨道愈大，绕行一周的时间（周期）愈长。开普勒进一步的努力找出了二者之间的定量关系：椭圆轨道的半长轴a与周期T的2/3次方成正比，这便是开普勒1618年完成的第三定律。开普勒三定律归纳如下：（1）行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。（2）对任一个行星说，它的径矢在相等的时间内扫过相等的面积。（3）行星绕太阳运动轨道半长轴a的三次方与周期T的二次方成正比。开普勒获此结果欣喜若狂，他毫不掩饰地说：“

7、十六年了，我立志要探索一件事，所以我和第谷结合起来，……我终于走向光明，认识到的真理远超出我最热切的期望。如今木已成舟，书已完稿，至于是否现在就有读者，抑或将留待后世？既然上帝已等了观察者六千多年，那么我也许要整整等上一个世纪才会有读者，对此我一点也不在乎。”把二十余年里观测的几千个数据归纳成这样简洁的几条规律，开普勒是应该为此而感到自豪的。只是开普勒尚不理解，他所发现的三大定律已传达了重大的“天机”：角动量正比于径矢的掠面速度，故开普勒第二定律意味着角动量守恒，亦即行星受到的是有心力；此外，开普勒第三定律意味着引力的平方反比律。开

8、普勒定律蕴涵着更为简洁、更为普遍的万有引力定律，个中的奥秘直到牛顿才被破译出来。（二）伽利略的功勋伽利略（GalileoGalilei）是近代物理学之父，他的努力对宣传、解释和捍卫哥白尼的日心说起了不可磨灭的作用。1608年荷兰的眼镜