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1、学科分类号（二级）天文学简史期末论文题目天文学与人类社会的发展指导教师 易庭丰老师 院、系 旅游与地理科学学院专业地理信息系统姓名查建勋学号 104130101天文学与人类社会的发展摘要： 天文学是研究天体、宇宙的结构和发展的科学，内容包括天体的构造、性质和运行规律等。 在人类社会发展过程中，不同时代有着不同的见解，与不同的应用。关键词：天文学，发展，应用。人类生在天地之间，从很早的年代就在探索宇宙的奥秘，因此天文学是一门最古老的科学，它一开始就同人类的劳动和生存密切相关。一、错误观念的抛弃与真理的追求（1）地心说人类与生俱来的好奇心和求知欲是驱动人们进行太阳系外行星及其生命搜寻的原动力。新的
2、天文观测和发现必将继续深刻地影响和改变着整个人类的宇宙观，不断加深人类对宇宙的认识。一直以来，人类都把我们伟大的地球母亲认为是宇宙的中心，当哥白尼通过三十年的天象观测，才渐渐地对长期以来居于宗教统治地位的托勒玫地心说产生了怀疑。哥白尼在他的天体运行论中详细讨论太阳、地球、月亮和各个行星的运动，认为太阳是不动的，是宇宙的中心，而地球只是一个围绕太阳转动的普通行星,为了追求真理，为此付出了生命代价。1609 年，伽利略首次将望远镜用于天文观测，并发现一些可以支持日心说的新的天文现象，日心说才开始引起人们的关注。这些天文现象主要是木卫体系的发现直接说明了地球不是唯一中心，金星盈亏的发现暴露了托勒玫地
3、心说体系的错误。然而，由于支持哥白尼日心说的数据与支持托勒玫体系的数据都不能与第谷的观测相吻合，因此日心说当时仍不具有优势。直至开普勒以椭圆轨道取代圆形轨道修正了日心说之后，日心说在与地心说的长期斗争中才取得了真正的胜利。人类终于认识到地球不是宇宙的中心。德国诗人歌德曾说：“哥白尼撼动人类意识之深，自古无一种创见、无一种发明，可与之相比。 ”可以毫不夸张地说是哥白尼的日心说揭开了近代科学革命的序幕。然而，太阳真的位于宇宙中心吗？这是人们一直非常关心的问题。自从 18 世纪以来，包括赫歇尔等在内的许多著名天文学家，都认为太阳是在银河系中心。美国天文学家沙普利(Harlow Shapley)通过观
4、测发现球状星团并不均匀地分布在全天，而是比较集中在南天，尤其是人马座一带。他大胆而明确地提出，这是由于太阳并不在银河系中心，而是远离中心的缘故，银河系中心在人马座方向。沙普利把太阳从银河系中心挪开，放到它应该在的地方，其见解意义重大。1924 年，哈勃利用威尔逊山天文台的 2.54 米望远镜分析一批造父变星的亮度以后断定，这些造父变星和它们所在的“星云”距离我们远达几十万光年，因而一定位于银河系外。这一发现使人们不得不改变对宇宙的看法，即银河系在宇宙中也是一个非常普通的星系。1925 年，哈勃对河外星系的最新观测显示星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速度越快。这项发现是 20 世纪
5、天文学的重大成就，它颠覆了人类对宇宙已往的理解与认识。一直以来，人们都认为宇宙是静止的，而现在发现宇宙是在膨胀的，这一结论意义深远。今天，通过天文观测，人类终于认识到宇宙是没有中心的，整个宇宙各个部分都在彼此远离，并正在加速膨胀。（2）宇宙生命中心说园，即地球是不是宇宙生命中心的问题。事实上，每个人都在根据自己的认识来寻找着上述问题的答案。对这些问题的回答与思考贯穿于整个文学、艺术和科学的发展史中。新的科学发现使我们更为接近揭开太阳系外生人类在抛弃地球是宇宙中心地位的过程中，也提出了地球是否是宇宙中唯一的生命家命的一些基本问题，但又提出了更多的新问题。随着新千年的到来，人类希望凭借自己掌握和拥
6、有的先进的科学和技术能力来回答这些最古老和深奥的问题。虽然对此问题尚无确切的答案，但是至少太阳系外行星存在的理论已为近年的最新天文观测所证实。90 年代以来，通过大口径光学望远镜观测，对发现具有类似太阳系的恒星行星系统有了许多突破性进展。到目前为止，天文学家已确定了 400余颗有行星系统的恒星候选体。观测还表明，这些具有行星环绕的恒星系统和行星本身都存在多样性。约 40 颗恒星行星系统具有多行星存在，其中一个恒星系统拥有 5 颗行星，2个恒星系统拥有 4 颗行星。从统计来看，至少 5%的类太阳恒星存在行星系统。最近已探测到一颗质量大约为 2 个地球质量的类地行星候选体。特别令人振奋的是天文学家
7、相继在多个行星状星云和多颗行星上发现了生命所必需的一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水等大气谱线。天文学家甚至已经能够通过大望远镜和先进的技术方法直接观测到围绕恒星旋转的行星了。目前，通过太阳系外行星的探测，正朝着推翻宇宙生命中心说的方向发展。越来越多的天文观测表明，地球并不是宇宙中唯一存在生命的星球。2、天文学史上的贡献（1）牛顿力学845 年，当时的巴黎天文台台长阿喇果(Dominique F. J. Arago)建议勒威耶(Urbain Le Verrier)研究天王星运动的反常问题。勒威耶利用有关天王星的大量观测资料，运用牛顿万有引力定律计算出对天王星起摄动作用的未知行星的轨道和质量，并且预测
8、了它的位置。他将计算结果呈送给法国科学院，与此同时他还写信给当时拥有较大望远镜的几位天文学家，请求帮助观测。他的工作在法国同行中受到了冷遇，但是却获得了德国天文学家伽勒(Johann G. Galle)的协助。1846 年 9 月 23 日，伽勒收到勒威耶信的当天晚上就进行了观测搜寻。他仅用一个半小时就在偏离勒威耶预言的位置 52处观测到了这颗当时星图上没有的星，即后来大名鼎鼎的海王星。海王星的发现把牛顿力学推上了科学的巅峰。后来，勒威耶发现水星的近日点进动，在排除太阳引力和其它已知天体的轨道摄动影响后，还有每百年 43 角秒的多余进动。这是牛顿引力所不能解释的。受海王星发现的启示，勒威耶由此
9、预言了“水内行星”的存在。然而勒威耶穷其一生也无法找到这颗预言的行星。他的水星近日点进动观测结果后来被爱因斯坦用广义相对论成功地加以解释。与牛顿力学不同，在广义相对论中，两个没有自转的物体之间的引力与它们自转起来之后的引力是不同的。这一效应会引起自转轴的进动，水星进动就是由这一效应所产生的。牛顿力学解决了很多物理学上的许多问题，可以说牛顿力学也是物理学上的一个重大贡献。（2） 广义相对论广义相对论的验证主要是通过天文观测进行的。 “天文验证”之一是用广义相对论成功地解释了水星近日点进动问题，计算的进动值在扣除了其它行星的影响后为每 100 年移动42.91，与观测值43十分吻合。后来观测到的地
10、球、金星等行星近日点的进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好。“天文验证”之二是利用日全食的观测，验证了引力场中光线弯曲的量是符合广义相对论的。1911 年，爱因斯坦就在理论上预言了这一现象。他认为在发生日全食时，可以通过测量太阳附近引力场的某一恒星的星光，与先前这颗恒星的位置相比较，便可以测出偏转的角度。从 1912 年到 1922 年，天文学家进行了多次日全食观测。特别是英国著名天文学家爱丁顿(Arthur S. Eddington)自爱因斯坦提出这一理论开始就支持他的预言，并为此做了大量的日全食观测。爱因斯坦关于“太阳的引力可能引起恒星光线偏折”预言的正确性，经坎普贝尔(William
11、 W. Campbell)1922 年的观测结果的检验才最终被主流科学界所确认。“天文验证”之三是在一颗白矮星上观测到了谱线的引力红移。广义相对论认为，光线在引力场中传播时，它的频率会发生变化。当光线从引力场强的地方传播到引力场弱的地方时，其频率会略有降低，即发生引力红移现象。1911 年，爱因斯坦计算从太阳射到地球的光线的相对引力红移变化是 210-6。这个数值很小，测量起来相当困难。而白矮星的质量与太阳接近，但半径只有太阳的百分之一，其发出光的引力红移效应比较显著。1925 年，美国天文学家亚当斯(Walter S. Adams)观测了一颗白矮星(天狼星 B)，测到的引力红移与广义相对论的
12、理论计算值基本相符。值得一提的是，在 1974 年，美国科学家赫尔斯(Russell A. Hulse)和泰勒(Joseph H. Taylor)发现了一颗新的脉冲双星 PSR1913+16。通过对这颗脉冲星的转动周期衰减测量，间接证实了广义相对论所预言的引力波。赫尔斯和泰勒也由于此项工作而荣获 1993 年诺贝尔物理学奖。（3）原子裂变1905 年 11 月，爱因斯坦同样在德国物理学纪事杂志上发表了关于狭义相对论的第二篇文章：物体的惯性同它所包含的能量有关吗？ ，这是一篇短文，在这篇论文中，他提出一个物体的质量并不是恒定不变的，而是随着运动速度的增加而增加。这就是运动中物体的“质增效应” 。
13、现在我们想象我们在推一辆小板车，板车很轻，上面什么东西也没有。假设这是一辆在真空中的“理想”板车，没有任何摩擦力、也没有任何阻力，因此，只要我们持续地推它，它的速度就越来越快，但随着时间的推移，它的质量也越来越大，起初像车上堆满了钢铁，然后好像是装着一座喜马拉雅山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系当小板车接近光速时，好像整个宇宙都装在它上面它的质量达到无穷大。这时，你无论施加多大力，无论推多长时间，它都不可能运动得再快一些。由此可见，光子既然以光速传播，它的静止质量就必须等于零，否则它的运动质量就会无穷大。当物体运动接近光速时，我们不断地对物体施加外力，供给能量，可物体速度的增
14、加越来越困难，我们施加的能量去哪儿了呢？其实能量并没有消失，而是转化为了质量。这就是说，物体质量的增加与动能增加有着密切联系，或者说物体的质量与能量之间有着密切联系。爱因斯坦在说明这种联系的过程中，提出了著名的质能关系式：E=mc2.能量等于质量乘以光速的平方，即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊心动魄的，而在绝大多数人眼里，能量等于质量乘以光速的平方，即能量是质量的 9万亿倍，是多么诱人的前景呀！指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失，其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的。遗憾的是，没人能随便减少质量，譬如一块石头，我们尽可以用锤子砸成小块，然后碾成碎末，可是当你仔细地收集这
15、些碎末后就会发现它的质量并未变化。但是，十几年后的 1939 年，约里奥居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应，使人类找到了释放巨大原子能的方法。铀 235 的核收到中子轰击就会发生裂变，分裂成两个中等质量的新原子核，放出 13 个中子，并释放出巨大能量，这些中子又能引发其它铀核再分裂，如此反复，形成连锁反应，不断释放巨大能量。这就是链式反应，为当代原子弹的发明创造奠定了基础。3、成就（1）登月随着天文学的发展，人们曾今认为不可实现的梦想也随之有了希冀。霍金教授的演讲是美国宇航局庆祝其成立 50 周年的系列演讲之一。很明显，他此番幽默的表述是为了说明这样一个道理：看似对于眼前生活
16、的改善并无帮助的探索行为，可能深刻地影响未来。这也告诉我们为什么在地面上还存在许多亟需解决的问题的时候，仍然要耗资巨大地把人送入太空。 “有人会认为，钱更应该用于解决我们这个行星上的问题我不反对应对气候变化和全球变暖，但我们在做这些事情的同时，可以将世界 GDP 的 0.25%用于太空。我们的未来难道不值 0.25%吗？”霍金如是说。 50 年前的 1958 年 7 月，美国总统艾森豪威尔威尔签署了太空法案，于当年 10 月正式成立美国宇航局。美国宇航局的成立可以说是出于冷战的需要，因为美国无法坐视前苏联把人造卫星发射到了太空。但美国宇航局成立后的相当一段时间里，它总是落后于前苏联一步。两个国家的太空实力竞争，尖锐地表现为前苏联的火箭专家科罗廖夫和美国俘获的纳粹火箭专家冯布劳恩之间的竞争。科罗廖夫实在是太强大了。 直到 11 年后，当美国宇航员阿姆斯特朗第一次将脚踏上月球表面的时候，他在激动之下甚至说错了事先准备的台词。美国利用“阿波罗”
