天文學概論-1-緒論

天文學概論第一講緒論

劉雄偉西華師范大學1.1天文發(fā)展簡史1.2我們已知的宇宙天文學也許是最古老的科學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：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：以哥白尼的“日心說”的建立為起點（16世紀中），牛頓力學和原子物理等在天文學研究中廣泛應用，天文學進入到理性階段。

現代天文學：19世紀末20世紀初，物理學發(fā)展到現代物理學階段，天體物理學也隨之發(fā)展到新的階段。

天文學發(fā)展三大階段

一，中國古代天文學二，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四，現代天文學和諾貝爾物理學獎

1.1天文發(fā)展簡史

春秋戰(zhàn)國時期（公元前770～前222年）有了比較系統(tǒng)的天文學觀測記錄；秦漢時期（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，有經費、有發(fā)展計劃，有史書詳細記載天文學的大事。一，中國古代天文學

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最重要的現象之一。公元前140年，我國就有太陽黑子的觀測記錄。

歐洲關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)現太陽活動11年周期這一重要的規(guī)律。

2，太陽黑子

古書《書經》詳細地記錄了一次發(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

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

自商代到17世紀末，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。約在公元前四世紀至公元前一世紀之間。它們都是當時世界上最先進的觀天儀器，是我們中國的驕傲。最重要的成就是簡儀中的赤道經緯儀，現代望遠鏡中應用的赤道裝置的基本結構與之相同。（渾儀）北京古觀象臺天文儀器

中國天文落后的標志始建于1442年(明），復制了渾儀和簡儀。而另外八大儀器的制造時間是從1669年到1745年，由外國傳教士監(jiān)制，都不是望遠鏡，很落后了。清代皇家的欽天監(jiān)一直使用這些已經遠遠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大行星的視運動，預報日食和月食的發(fā)生。從黃帝到太平天國，共有102種歷法。

祖沖之（462年）交點月為27.21223日，現代的測量27.21222日，相差0.86秒郭守敬的授時歷（1282年）：一年為365.2425日，比現行公歷差26秒，與1582年頒行的《格里高利歷》與《授時歷》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）漏水轉渾天儀，候風地動儀祖沖之（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》，對歲差、月相、隕石的解釋，觀測太陽視運動郭守敬（1231－1316）簡儀、授時歷徐光啟（1562－1633）介紹西方天文學（衰落的表現）

9，著名天文學家10，沒有發(fā)現重要天象規(guī)律我國是歐洲文藝復興以前天文現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多年當中，我國共有100多次翔實可靠的太陽黑子記錄，沒有發(fā)現太陽黑子活動11年周期；哈雷彗星的31次回歸都在我國留下了詳細的記錄。但是沒有發(fā)現哈雷彗星76年回歸周期。中國的近現代天文為什么會落后于世界?二，日心說和地心說之爭波蘭天文學家哥白尼(1473－1543)日心說古希臘天文學家托勒密（90－168）地心說公元5－13世紀，基督教主張?zhí)靾A地方說，禁止托勒梅的地心說。1215年，教會才確認地心說。1543年出版“天體運行論”，日心說正式問世。哥白尼彌留之際才看到自己的書。研究同樣一個問題

發(fā)現行星，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。行星視運動有順行、逆行和停留不動的特點。太陽和月亮則始終自西向東穿行，時快時慢。

如何解釋？如何預報？不會出現行星逆行和留的現象，怎么辦？本輪：行星繞小圓軌道運動；均輪：本輪中心圍繞地球運轉的大圓軌道。托勒密的“地心說”地球位于中央靜止不動，行星、月亮、太陽和恒星繞地球轉轉動）（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。關于行星順行、逆行和留的解釋

行星運動的合成軌跡顯示順行和逆行。調整本輪和均輪的角速度和半徑使合成軌跡與觀測結果一致。在當時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果相吻合。

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

波蘭天文學家哥白尼(1473-1543)提出日心說，認為太陽是宇宙的中心，而地球只不過是圍繞太陽運動的一顆行星，成功解釋行星的逆行現象。哥白尼的日心說太陽為中心水星（80天）金星（9個月）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）給出太陽系的真實圖像。相當嚴謹的理論，正確地描述了6個行星繞太陽的軌道運動?？啥坑嬎悖忉屝行堑捻樞?、逆行及留現象；可以預報5大行星、太陽、月球在未來某時刻的視位置。哥白尼的日心說

日心說對火星視運動的順行、逆行、停留不動（留）現象的解釋

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

錯誤之處：1，太陽是宇宙中心；2，太陽靜止不動；3，行星軌道是圓形，實際上是橢圓軌道，因此無法準確預測行星視位置。

困難之處：地球繞太陽運動，一定會發(fā)生1，周年視差現象2，光行差現象但是當時的觀測精度很差，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

開普勒（1571－1630）開普勒利用第谷的觀測資料，總結出行星運動三大定律。對日心說重要支持。被譽為“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)繞太陽運行，而太陽則處在橢圓的一個焦點上。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，在同等時間之下，這條直線所掃過的面積皆會相等。行星越接近太陽，運行速度越高。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：萬物皆會互相吸引

F=GM1M2/r2

G為引力常數，太?。。?.671×10－11米3千克－1秒－2）

牛頓從萬有引力理論出發(fā)推導出開普勒三大定律。由天體運行總結出物理規(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動中發(fā)現和加以證實。

開普勒定律：天空立法牛頓萬有引力：宇宙立法從十九世紀中業(yè)以來，以測定天體亮度和光譜為起點的天體物理學開始蓬勃發(fā)展，并成為20世紀天文學的主流。在20世紀初，現代物理學的發(fā)展（相對論和量子力學為代表）也使天體物理學展產生了巨大的飛躍，開始了現代天文學的進程。

20世紀開始，諾貝爾物理學獎成為最高學術成果獎，天文學因其重要的物理學內涵，連連獲得這一獎項。四，現代天文學和諾貝爾物理學獎

天體和宇宙是物理學的巨大實驗室

天文觀測為物理學的基本理論提供了地球上實驗室無法得到的物理現象和物理過程。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。

當代科學事業(yè)最高榮譽，已有11個項目，17位天文學家榮獲諾貝爾物理學獎！新興學科占多數：射電天文學方面共5項8人；中微子1項2人；X射線1項1人。

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

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

卡爾多·賈科尼

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

2011年諾貝爾物理學獎三位科學家通過對遙遠的超新星的觀測發(fā)現宇宙加速膨脹。瑞典皇家科學院稱該發(fā)現“震動了宇宙學的基礎”

S.Perlmutter,B.P.Schmidt,A.G.Riess一，宇宙的時間簡史二，宇宙的結構和尺度

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

——《淮南子》大爆炸、時間的起點(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、宇宙的結構和尺度

L~1-2

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