天文學(xué)概論-1-緒論

天文學(xué)概論第一講緒論

劉雄偉西華師范大學(xué)1.1天文發(fā)展簡史1.2我們已知的宇宙天文學(xué)也許是最古老的科學(xué)巨石陣約建于公元前4000～2000年

瑪雅遺址距今約700年

古代天文學(xué)：追溯到5000余年前，包括托勒密“地心說”統(tǒng)治的1500年。

近代天文學(xué)：以哥白尼的“日心說”的建立為起點(diǎn)（16世紀(jì)中），牛頓力學(xué)和原子物理等在天文學(xué)研究中廣泛應(yīng)用，天文學(xué)進(jìn)入到理性階段。

現(xiàn)代天文學(xué)：19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)階段，天體物理學(xué)也隨之發(fā)展到新的階段。

天文學(xué)發(fā)展三大階段

一，中國古代天文學(xué)二，日心說和地心說之爭三，日心說的完善：開普勒和牛頓的貢獻(xiàn)四，現(xiàn)代天文學(xué)和諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1.1天文發(fā)展簡史

春秋戰(zhàn)國時(shí)期（公元前770～前222年）有了比較系統(tǒng)的天文學(xué)觀測記錄；秦漢時(shí)期（公元前221～公元200年），形成了以歷法和天象觀測為主的體系。

值得驕傲的成就：歷法、觀測和天象記錄、天文儀器研制。有專職的天文官吏，有經(jīng)費(fèi)、有發(fā)展計(jì)劃，有史書詳細(xì)記載天文學(xué)的大事。一，中國古代天文學(xué)

創(chuàng)造了自己的星座（星官）劃分體系：共分三垣二十八宿。我國公元705－710年間的星圖有1350顆星，歐洲在1609年的星圖只有1022顆。1，星座與星圖

太陽黑子是太陽活動(dòng)最重要的現(xiàn)象之一。公元前140年，我國就有太陽黑子的觀測記錄。

歐洲關(guān)于太陽黑子的記錄是在公元807年，比中國晚了近千年。遺憾的是，我們沒有發(fā)現(xiàn)太陽活動(dòng)11年周期這一重要的規(guī)律。

2，太陽黑子

古書《書經(jīng)》詳細(xì)地記錄了一次發(fā)生在約4千年前的夏代仲康元年的日食。到元朝末年的1368年已有650次。3，日食

長沙馬王堆三號(hào)墓出土的帛書繪有29幅彗星圖像（戰(zhàn)國時(shí)代記錄），我國古代關(guān)于彗星的記錄有500多次。中國古籍對(duì)哈雷彗星的記錄多達(dá)31次。但沒有發(fā)現(xiàn)其軌道周期75～76年（1682年發(fā)現(xiàn)）4，彗星

自商代到17世紀(jì)末，記載的“客星”約有90顆，其中12顆是超新星。最著名的是發(fā)生在1054年的“客星”，超新星爆發(fā)。5，新星和超新星超新星1054，蟹狀星云

6，古代天文儀器

渾儀和簡儀最有名，測量天體的赤道坐標(biāo)。約在公元前四世紀(jì)至公元前一世紀(jì)之間。它們都是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的觀天儀器，是我們中國的驕傲。最重要的成就是簡儀中的赤道經(jīng)緯儀，現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用的赤道裝置的基本結(jié)構(gòu)與之相同。（渾儀）北京古觀象臺(tái)天文儀器

中國天文落后的標(biāo)志始建于1442年(明），復(fù)制了渾儀和簡儀。而另外八大儀器的制造時(shí)間是從1669年到1745年，由外國傳教士監(jiān)制，都不是望遠(yuǎn)鏡，很落后了。清代皇家的欽天監(jiān)一直使用這些已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后了的儀器在工作。到了民國初期還在使用，直到1929年才退休。

推算太陽、月球和5大行星的視運(yùn)動(dòng)，預(yù)報(bào)日食和月食的發(fā)生。從黃帝到太平天國，共有102種歷法。

祖沖之（462年）交點(diǎn)月為27.21223日，現(xiàn)代的測量27.21222日，相差0.86秒郭守敬的授時(shí)歷（1282年）：一年為365.2425日，比現(xiàn)行公歷差26秒，與1582年頒行的《格里高利歷》與《授時(shí)歷》的測算完全相同，但早了300年。7，歷法

8,日晷赤道式日晷，晷面平行于天赤道面，這樣，晷針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。晷針的太陽影子有周年的變化，精確測定便可以確定一年是多少天。從春分到秋分，晷影在晷面上方；從秋分到春分，晷影在晷面下方。落下閎（前156年—前87年）改革歷法張衡（78－139）漏水轉(zhuǎn)渾天儀，候風(fēng)地動(dòng)儀祖沖之（429－500）太明歷、圓周率一行（683－727）大衍歷、天文大地測量沈括（1031－1095）《夢溪筆談》，對(duì)歲差、月相、隕石的解釋，觀測太陽視運(yùn)動(dòng)郭守敬（1231－1316）簡儀、授時(shí)歷徐光啟（1562－1633）介紹西方天文學(xué)（衰落的表現(xiàn)）

9，著名天文學(xué)家10，沒有發(fā)現(xiàn)重要天象規(guī)律我國是歐洲文藝復(fù)興以前天文現(xiàn)象最精確的觀測者和天象記錄最好的保存者。從公元前28年到明代末年的1600多年當(dāng)中，我國共有100多次翔實(shí)可靠的太陽黑子記錄，沒有發(fā)現(xiàn)太陽黑子活動(dòng)11年周期；哈雷彗星的31次回歸都在我國留下了詳細(xì)的記錄。但是沒有發(fā)現(xiàn)哈雷彗星76年回歸周期。中國的近現(xiàn)代天文為什么會(huì)落后于世界?二，日心說和地心說之爭波蘭天文學(xué)家哥白尼(1473－1543)日心說古希臘天文學(xué)家托勒密（90－168）地心說公元5－13世紀(jì)，基督教主張?zhí)靾A地方說，禁止托勒梅的地心說。1215年，教會(huì)才確認(rèn)地心說。1543年出版“天體運(yùn)行論”，日心說正式問世。哥白尼彌留之際才看到自己的書。研究同樣一個(gè)問題

發(fā)現(xiàn)行星，在恒星天中游走，水星，金星，火星，木星和土星；還有月亮和太陽。行星視運(yùn)動(dòng)有順行、逆行和停留不動(dòng)的特點(diǎn)。太陽和月亮則始終自西向東穿行，時(shí)快時(shí)慢。

如何解釋？如何預(yù)報(bào)？不會(huì)出現(xiàn)行星逆行和留的現(xiàn)象，怎么辦？本輪：行星繞小圓軌道運(yùn)動(dòng)；均輪：本輪中心圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的大圓軌道。托勒密的“地心說”地球位于中央靜止不動(dòng)，行星、月亮、太陽和恒星繞地球轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)）（直觀）。依次為地球、月球、水星、金星、太陽、火星、木星、土星和恒星天。關(guān)于行星順行、逆行和留的解釋

行星運(yùn)動(dòng)的合成軌跡顯示順行和逆行。調(diào)整本輪和均輪的角速度和半徑使合成軌跡與觀測結(jié)果一致。在當(dāng)時(shí)較低的觀測精度的條件下，用這一體系所作的理論推算大體上能與觀測結(jié)果相吻合。

在伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡之后（1609），地心說的問題逐漸顯露，無法修補(bǔ)模型來解決。理論和觀測的比對(duì)

波蘭天文學(xué)家哥白尼(1473-1543)提出日心說，認(rèn)為太陽是宇宙的中心，而地球只不過是圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的一顆行星，成功解釋行星的逆行現(xiàn)象。哥白尼的日心說太陽為中心水星（80天）金星（9個(gè)月）地球（1年）月球繞地球（1月）火星（2年）木星（12年）土星（30年）恒星天（不動(dòng)）給出太陽系的真實(shí)圖像。相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚?，正確地描述了6個(gè)行星繞太陽的軌道運(yùn)動(dòng)?？啥坑?jì)算，解釋行星的順行、逆行及留現(xiàn)象；可以預(yù)報(bào)5大行星、太陽、月球在未來某時(shí)刻的視位置。哥白尼的日心說

日心說對(duì)火星視運(yùn)動(dòng)的順行、逆行、停留不動(dòng)（留）現(xiàn)象的解釋

日心說是對(duì)傳統(tǒng)的錯(cuò)誤觀念的一場偉大的革命。導(dǎo)致了人類認(rèn)識(shí)宇宙的一次巨大飛躍。日心說是一聲響鐘，少數(shù)人的謙卑，終于喚醒了全人類的謙卑。人們終于開始認(rèn)識(shí)到，宇宙是何其浩大，人是何其渺小。奠定了近代天文學(xué)的基石，哥白尼堪稱近代天文學(xué)的奠基人。哥白尼日心說的重大意義

錯(cuò)誤之處：1，太陽是宇宙中心；2，太陽靜止不動(dòng)；3，行星軌道是圓形，實(shí)際上是橢圓軌道，因此無法準(zhǔn)確預(yù)測行星視位置。

困難之處：地球繞太陽運(yùn)動(dòng)，一定會(huì)發(fā)生1，周年視差現(xiàn)象2，光行差現(xiàn)象但是當(dāng)時(shí)的觀測精度很差，測量不出。日心說遇到的困難三，日心說的完善：開普勒和牛頓的貢獻(xiàn)

開普勒（1571－1630）開普勒利用第谷的觀測資料，總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)三大定律。對(duì)日心說重要支持。被譽(yù)為“天空的立法者”開普勒第一定律：

所有行星皆以橢圓形軌道環(huán)繞太陽運(yùn)行，而太陽則處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。開普勒第二定律：

假若在行星和太陽之間畫一條直線，無論行星在什么位置，在同等時(shí)間之下，這條直線所掃過的面積皆會(huì)相等。行星越接近太陽，運(yùn)行速度越高。開普勒第一和第二定律開普勒第三定律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方正比于軌道半長軸的立方。牛頓

引力定律：萬物皆會(huì)互相吸引

F=GM1M2/r2

G為引力常數(shù)，太?。。?.671×10－11米3千克－1秒－2）

牛頓從萬有引力理論出發(fā)推導(dǎo)出開普勒三大定律。由天體運(yùn)行總結(jié)出物理規(guī)律，成為天體物理的里程碑。萬有引力定律只能在研究天體運(yùn)動(dòng)中發(fā)現(xiàn)和加以證實(shí)。

開普勒定律：天空立法牛頓萬有引力：宇宙立法從十九世紀(jì)中業(yè)以來，以測定天體亮度和光譜為起點(diǎn)的天體物理學(xué)開始蓬勃發(fā)展，并成為20世紀(jì)天文學(xué)的主流。在20世紀(jì)初，現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展（相對(duì)論和量子力學(xué)為代表）也使天體物理學(xué)展產(chǎn)生了巨大的飛躍，開始了現(xiàn)代天文學(xué)的進(jìn)程。

20世紀(jì)開始，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成為最高學(xué)術(shù)成果獎(jiǎng)，天文學(xué)因其重要的物理學(xué)內(nèi)涵，連連獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)。四，現(xiàn)代天文學(xué)和諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

天體和宇宙是物理學(xué)的巨大實(shí)驗(yàn)室

天文觀測為物理學(xué)的基本理論提供了地球上實(shí)驗(yàn)室無法得到的物理現(xiàn)象和物理過程。在宇宙中所發(fā)生的種種物理過程比地球上所能發(fā)生的多得多。

當(dāng)代科學(xué)事業(yè)最高榮譽(yù)，已有11個(gè)項(xiàng)目，17位天文學(xué)家榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！新興學(xué)科占多數(shù)：射電天文學(xué)方面共5項(xiàng)8人；中微子1項(xiàng)2人；X射線1項(xiàng)1人。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（天文）阿爾文瑞典天文學(xué)家太陽和宇宙磁流體力學(xué)獲1970年諾貝爾獎(jiǎng)賴爾英國天文學(xué)家發(fā)明綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡獲1974年諾貝爾獎(jiǎng)休伊什英國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星證認(rèn)為中子星獲1974年諾貝爾獎(jiǎng)休伊什和貝爾貝爾女士在2012北京IAU大會(huì)錢德拉塞卡美籍印度天文學(xué)家恒星演化及白矮星質(zhì)量上限獲1983年諾貝爾獎(jiǎng)福勒美國天文學(xué)家恒星上元素的合成獲1983年諾貝爾獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)宇宙背景微波輻射

美國天文學(xué)家彭齊亞斯（左）和威爾遜1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)泰勒美國天文學(xué)家（左）赫爾斯美國天文學(xué)家利用脈沖雙星間接檢驗(yàn)了引力波輻射共獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)美國天文學(xué)家戴維斯日本天文學(xué)家小柴昌俊2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（中微子天文學(xué)）

卡爾多·賈科尼

美國天文學(xué)家榮獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線天文學(xué)美國科學(xué)家馬瑟（左）和斯穆特（右）共同榮獲2006年度諾貝爾物理學(xué)（發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射各項(xiàng)異性和黑體譜）

2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三位科學(xué)家通過對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星的觀測發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹。瑞典皇家科學(xué)院稱該發(fā)現(xiàn)“震動(dòng)了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)”

S.Perlmutter,B.P.Schmidt,A.G.Riess一，宇宙的時(shí)間簡史二，宇宙的結(jié)構(gòu)和尺度

1.2我們已知的宇宙天文學(xué)是研究宇宙的科學(xué)。 宇宙：四方上下曰宇，往古來今曰宙。

——《淮南子》大爆炸、時(shí)間的起點(diǎn)(1940,Gamov)第一代恒星2.73K微波背景輻射暴漲Inflation(1980,Guth)past一、宇宙的時(shí)間簡史宇宙演化的歷史始祖鳥恐龍穴居人早期人類“億萬年之后…”—宇宙可能會(huì)成為一片虛空……夸克10-18m核子10-15m原子核10-14m原子10-10m介子介子e

中微子

中微子中微子u,d夸克c,s夸克t,b夸克電子(10-18m)基本粒子（三代）二、宇宙的結(jié)構(gòu)和尺度

L~1-2

m

人類地球107m太陽(Eclipse)corona109mMSun≈2x1030kg