1.2 观测与解释——从开普勒到牛顿

　　第一章 宇宙的起源
　　1.2 观测与解释——从开普勒到牛顿

　　第谷（Tycho Brahe，1546～1601) 终身进行天文观测，编制了恒星表，发现理论计算和实际观测的偏差。

　　开普勒（Johanns Kepler，1571～1630) 在第谷的大量实际观测资料基础,得出了行星运动三大定理。“8秒的差异引起天文学的全部革新”。

　　牛顿(Issac Newton，1642～1727)用数学解释哥白尼体系，提出万有引力定律，解释了行星运动的原理和动力来源，但留下“第一推动”的困惑。

　　第谷

　　第谷·布拉赫，丹麦天文学家，近代天文学的奠基人。发明了“新星”（Nova）一词。1546年12月 14日生于丹麦斯科（今属瑞典），卒于1601年10月24日。自幼过继给伯父约尔根·布拉赫为子，受到良好的教育，曾先后在哥本哈根大学、莱比锡大学、罗斯托克大学、巴塞尔大学等多所大学求学。第谷是一位杰出的观测家，是著名天文学家开普勒的导师。

　　成就

　　1．第谷对天文学的重大贡献在于他通过长期观测积累的有关行星运行的大量数据资料，成为那个时代罕见的天文观测家，获得“星学之王”的美称。1582年，在教皇格里高里十三世主持下，完成了对基督世界延用了一千多年的儒略历的改历工作，颁行了格里高里历。

　　2．1572年11月11日夜间，第谷仰望繁星闪烁的天空，突然发现仙后座中有一颗前所未见的“新星”。第谷在一篇论文中首次发明了“新星”（Nova）一词，并指出，星座一成不变的说法是错误的。后人为了纪念他，把这颗新星叫做第谷星。

　　3．第谷对彗星所作的观测，是他取得的又一个成就。此外，第谷还发现了许多新的现象，如黄赤交角的变化，月球运行的二均差，以及岁差的测定等。
　　评价

　　第谷，是近代天文学的奠基人。他的学生约翰尼斯·开普勒也是一位很杰出的天文学家。

　　第谷在天文历史上以观测精密而著称，是一个善于“看”的人。清醒地知道要认识行星运动的规律，积累高度精确测量数据的重要性，并身体力行地测出了大量的原始精确的数据。第谷却提倡地心说，并试图改进它，未能接受哥白尼的日心说。在他的地心说里，行星绕着太阳转，而太阳又绕着地球转。但是，第谷坚持不懈，一丝不苟地进行科学观察的精神，将永远地载入科学史册；他本身取得的巨大成就和留给开普勒的大量资料，推动了天文学向近代科学发展。

　　第谷这种对现象和事实进行准确观察和记录的精神，是现代科学思想的典范。科学上最重要的是对真实世界详尽、周密、透彻的观察，至于理解和解释，只能尽力而为。要充分理解一个问题往往需要几十年、几百年、甚至几千年，而今天我们能把握的只有得到真实、可靠的事实。如果不能创新和突破，就认真地积累真实的资料，为他人和后人奠定基础。
　　开普勒

　　约翰尼斯·开普勒(Johanns Ke-pler,1571—1630),杰出的德国天文学家，他发现了行星运动的三大定律，分别是轨道定律、面积定律和周期定律，这三大定律可分别描述为：

　　一、所有行星分别是在大小不同的椭圆轨道上运行；

　　二、在同样的时间里行星向径在轨道平面上所扫过的面积相等；

　　三、行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。

　　这三大定律最终使他赢得了“天空立法者”的美名。为哥白尼的日心说提供了最可靠的证据，同时他对光学、数学也做出了重要的贡献，他是现代实验光学的奠基人。

　　牛顿

　　牛顿（1643（格里历）年1月4日—1727年3月21日）爵士，英国皇家学会会员，是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家、炼金术士和反对三位一体的不信耶稣否定救赎论和原罪的基督徒，著有《自然哲学的数学原理》、《光学》、《二项式定理》和《微积分》。

　　他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；为太阳中心说提供了强有力的理论支持，并推动了科学革命。

　　在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理。在光学上，他发明了反射望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。

　　在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。

　　万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次解释了（自然界中四种相互作用之一）一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。 万有引力定律的发现对文化发展有重大意义：使人们建立了有能力理解天地间的各种事物的信心，解放了人们的思想，在科学文化的发展史上起了积极的推动作用。
　　哈勃

　　美国天文学家爱德温·哈勃(Edwin P. Hubble)（1889～1953）是研究现代宇宙理论最著名的人物之一，是河外天文学的奠基人。他发现了银河系外星系存在及宇宙不断膨胀，是银河外天文学的奠基人和提供宇宙膨胀实例证据的第一人。

　　哈勃的著作有《星云世界》、《用观测手段探索宇宙学问题》等，两书都是现代天文学名著。他曾经获得太平洋天文学会奖章和英国皇家天文学会金质奖章。

　　哈勃对20世纪天文系作出许多贡献，被尊为一代宗师。其中最重大者有二：一是确认星系是与银河系相当的恒星系统，开创了星系天文学，建立了大尺度宇宙的新概念；二是发现了星系的红移—距离关系，促使现代宇宙学的诞生。

　　微波背景辐射的发现——彭齐亚斯和威尔逊

　　早在本世纪40 年代，伽莫夫等人根据热大爆炸宇宙学说的观点，预言宇宙空间应该充满着残余辐射，它们的温度已经相当低了，大致为几K或至多几十K。“K”是开氏温标或者叫热力学温标中的温度单位“开耳芬”的符号，正像我们用“℃”来表示摄氏温标中的温度的道理是一样的。0 摄氏度（0℃）相当于273.15K，3K相当于-270℃以下。

　　20 来年后，果然找到了这种残余辐射，实测结果与理论推算值大体相符，被称为“微波背景辐射”。发现者是两位美国工程师射电天文学家彭齐亚斯（1933-）和威尔逊（1936-）。当时他们都受聘在美国新泽西州普林斯顿附近的贝尔电话实验室工作。

　　60年代初，为了改进卫星通讯，需要找出可能会干扰通讯的一切因素，尤其是噪声源。为此，彭齐亚斯和威尔逊建立了灵敏度很高的定向接收天线系统。他们发现，在一一估计了所有嗓声源之后，老是有大致相当于3.5K的噪声温度得不到解释，也无法消除。更加令人迷惑不解的是，这个残余温度没有方向变化，即所谓的各向同性；也没有周日变化，就是说与太阳无关；也不随季节交替而变化。

　　作为两名工程师，他们不清楚自己的发现在天体物理学上的意义。当时，美国普林斯顿大学的狄克小组，正准备筹建专门设备，来寻找前人预言的残余辐射，或者叫宇宙背景辐射。因此，当彭齐亚斯等的论文一发表，消息一传开，狄克等人立即意识到，这很可能就是他们打算要找的东西。事实也正是这样。多少人想找的东西，一直没有找到，两位工程师却在无意之间发现了它，正是：有心栽花花不开，无意插柳柳成行。

　　后来经过订正，背景辐射改为2.7K，习惯上称为3K宇宙背景辐射。根据大爆炸宇宙学的观点，宇宙早期的温度在100亿度以上，而现在已经很冷，微波背景辐射的发现恰恰是有力地支持了大爆炸理论。

　　微波背景辐射，不仅被看作是60年代天文学四大发现之一，而且被认为是20世纪天文学的一项重大成果，对宇宙学的研究具有深远影响。彭齐亚斯和威尔逊为此获得1978年诺贝尔物理学奖金。

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