行星运动定律等

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  自哥白尼提出日心说以后,人们对太阳系有了新的认识,从开普勒的行星和谐运动定律,到伽利略利用望远镜观测行星运动,直至卡西尼测量行星之间的距离……人们对宇宙有了新的认知。
  
  行星运动定律
  开普勒(1571~1630)
  
  约翰内斯·开普勒是德国的数学天才,喜欢解答各种数字难题。他给自己定下的目标是破解行星轨道实际上是无数颗暗淡的星星。很明形状和长度之谜,并弄清楚行星轨道的形状和长度与行星完成一次轨道运行的时间有什么关系。
  因为受到宗教迫害,1598年,信仰路德教的开普勒离开格拉茨,前往布拉格,与第谷·布拉赫一起工作,并于1601年继布拉赫之后成为一名皇室数学家。第谷是一位了不起的天文学观察家,开普勒的工作是分析第谷对火星的观察结果。开普勒经过多次乏味的观察尝试,一次又一次地抛弃了不符合第谷精确数据的结论,后来终于意识到火星沿椭圆形轨道运行,而太阳处于其焦点之一的位置。这一观点打破了两千年来圆形轨道论对研究行星运行的桎梏。
  在1609年出版的《新天文学》一书中,开普勒发表了关于行星运行的第一定律和第二定律。行星运动的第二条定律阐述了行星的向径怎样在相等时间内扫过相等的面积,说明为什么行星离太阳越近时运行速度越快。开普勒为天体之间的和谐而着迷,很快又发现了第三条定律——行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。这一结果发表在1619年出版的《宇宙和谐论》中。
  然而,开普勒在试图解释行星运动的驱动力时,错误地提出了在行星和太阳之间有一种相互作用的磁力。
  1627年,开普勒出版了《鲁道夫星表》。这是最早的现代天文学星表,其中运用到了约翰·纳皮尔量新发明的对数。天文学家可以利用这些星表来预测行星在过去、现在或将来任何时刻的位置。
  
  望远镜中的天空
  伽利略(1564~1642)
  
  1608年秋天,在荷兰米德尔堡眼镜工厂附近,独立制作眼镜的汉斯·李普希和扎卡里亚·詹森各自设计出了望远镜,几个月后消息传遍了欧洲。1609年夏天,伽利略在意大利的威尼斯听到这个消息。
  1609年秋天,他已经设计出能把物体放大8倍的望远镜,接着又在同年末将放大倍数提高到20倍。1609年12月初,他发现月球上存在着山脉,并测量了其中一些山脉的高度。1610年1月中旬,他发现有四颗卫星围绕着木星旋转,为纪念柯西摩大公爵而把它们命名为美第奇星。他仰视银河,突然意识到那些肉眼看来模模糊糊发着光的东西实际上是无数颗暗淡的星星。很明显;行星不同于其他星星,有着自己的光盘;金星和月亮一样有盈有亏;而太阳则远不像亚里士多德所描述的那样完美无缺,而是有着很多的斑点,且每25天自转一次。
  伽利略在被抓捕之前很快发表了他观察到的现象。1610年3月13日,他向佛罗伦萨法庭呈交了《星体通报》的样本,到3月19日,《星体通报》销售一空。人们对太阳系开始有了新的认识。
  
  
  太阳系的起源
  拉普拉斯(1749~1827)
  
  1796年,法国伟大的数学家、天文学家拉普拉斯出版了《宇宙系统论》,在书中阐释了旋转运动对行星的形成有着重要的作用。这说明了一些已广为人知的规律,比如为什么行星都在接近圆形的轨道上按相同的方向绕太阳运行,而且几乎处于同一个平面上。
  拉普拉斯认为,太阳原本是不断旋转的巨大的星云或大气团,当气体收缩时,气团旋转速度加快,气团外围的气体在离心力的作用下离开气团。湍流会在赤道附近形成很多圆环,每个圆环里的物质慢慢凝结成一颗行星。因为圆环的外圈比内圈旋转速度快,所以行星沿轴线自转的方向和星云起初旋转的方向一致。最终,星云的核心浓缩成了现在的太阳。
  这种假设的一个主要的缺点在于,原来的太阳旋转速度非常快,很难像现在这样均衡地运转。现在的太阳每25天完成一次自转,与假设中的情形完全不同。拉普拉斯提出,当太阳演变得日趋成熟的时候,太阳系中的风减缓了它旋转的速度。拉普拉斯的星云说成功地经受了时间的考验,现在还在人造卫星领域里得到了应用。
  在《宇宙系统论》里,拉普拉斯还计算出,如果从太阳表面发射出的光线都被重力拉回,太阳的体积会是多少。然而,在1808年版的《宇宙系统论》中,这种对“黑洞”的计算被删除了。一百年后人们才发现,光是传播速度最快的物质。
  
  测量行星的距离
  卡西尼(1625-1712)
  
  自从哥白尼于1543年提出日心说之后,估算行星和太阳间距离的比率就变得较容易了。17世纪初期,开普勒提出宇宙和谐定律,发现行星绕太阳运行的时间的平方与行星和太阳间的平均距离的立方是成比例的,这样一来,计算行星和太阳间的距离就变得更简单了。但是直到卡西尼所处的时代,人类对太阳系的规模所做出的惟一绝对的估计还是公元前280年阿里斯塔科斯提出来的。他的说法非常错误,他认为太阳离地球的距离比它离月球的距离远大约20倍。
  卡西尼在1648年至1669年期间曾在Panzano天文台工作。1640年起,担任波洛尼亚大学天文学教授,并在1671年成为巴黎天文台的台长。1671年,太阳、地球和火星形成一条直线,从地球到火星的距离达到最小值。利用这次机会,卡西尼派让里奇去位于南美洲东北海岸的卡宴与在巴黎的卡西尼同时测量火星和遥远的星星形成的角度。已知两个观察点相距1万千米,卡西尼用三角法算出了地球和火星间的距离。根据开普勒的和谐定律,他发现地球和太阳间的距离是13800万千米,他得出的数据仅比正确数字小7%。
  卡西尼是第一个发现土星有四个卫星的人;他也是第一个发现木星有自转现象的人。他在1690年观测木星的大气层时,发现木星的亦道旋转得比两极快。
  1675年,卡西尼发现土星光环中间有条暗缝,这就是后来以他名字命名的著名的卡西尼缝。他猜测,光环是由无数小块星体物质构成。两个多世纪后的分光观测证实了他的猜测。
  1671年~1679年,他仔细观测了月球的表面特征,1679年送呈法国科学院一份大幅月面图,在一个多世纪内始终没人能在这方面超过他。
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