認(rèn)知宇宙：一場(chǎng)偉大的思想革命
作者： ${content.author} 時(shí)間：2021-09-13 瀏覽量：3,244從第一次仰望星空開(kāi)始，人類對(duì)宇宙的探索一直沒(méi)有停過(guò)。因?yàn)閷?duì)古人而言，宇宙是高深莫測(cè)的，但我們祖先發(fā)現(xiàn)，星象的變化與人類的生活生產(chǎn)有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。馬克思曾說(shuō)：計(jì)算尼羅河水的漲落期的需要，產(chǎn)生了埃及的天文學(xué)。不僅如此，歷法、星象解碼、占星術(shù)等，都是由觀測(cè)天象而產(chǎn)生，由此可見(jiàn)，天文學(xué)對(duì)人類文明的重要性可見(jiàn)一斑。而脫離生活生產(chǎn)，將天文學(xué)作為純粹的知識(shí)認(rèn)知對(duì)象，進(jìn)而發(fā)展成一門科學(xué)的是古希臘人。
古希臘被認(rèn)為是現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)源地，而作為科學(xué)的天文學(xué)也濫觴于此。當(dāng)時(shí)缺乏先進(jìn)的觀測(cè)手段，希臘人有著很多對(duì)宇宙形態(tài)的猜想與思考。起源于希臘的“地心說(shuō)”，曾長(zhǎng)期占據(jù)著科學(xué)的主流，直到新航線的開(kāi)辟，在實(shí)踐中有力地證明了大地是圓的，這才開(kāi)始向“地心說(shuō)”發(fā)起挑戰(zhàn)。其實(shí)早在公元前3世紀(jì)，希臘學(xué)者阿里斯塔克就曾提出太陽(yáng)位于宇宙的中心，地球是圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，阿基米德也給出了相呼應(yīng)的論證。而真正通過(guò)嚴(yán)格觀測(cè)和計(jì)算得出結(jié)論是波蘭的科學(xué)家哥白尼。
哥白尼從天文觀測(cè)開(kāi)始，通過(guò)不斷地觀察數(shù)據(jù)和天文現(xiàn)象，對(duì)“地心說(shuō)”提出了質(zhì)疑。哥白尼為此做了大量的工作，提出了大地是球形的，并驗(yàn)證了地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。他堅(jiān)持幾十年如一日地觀測(cè)天象，最終構(gòu)造出了“日心說(shuō)”的宇宙模型，并出完成了第一部天文學(xué)著作《天體運(yùn)行論》。我們可以通過(guò)“八大行星”這件展品了解哥白尼的“日心說(shuō)”思想。我們可以看到太陽(yáng)處于太陽(yáng)系的中心位置，按照離太陽(yáng)的距離從近到遠(yuǎn)，它們依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，八大行星都在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。哥白尼的時(shí)代還沒(méi)發(fā)現(xiàn)全部的八大行星，而“日心說(shuō)”的準(zhǔn)確性也僅僅局限于太陽(yáng)系。但哥白尼的思想?yún)s打破了中世紀(jì)神學(xué)對(duì)思想的禁錮，迎來(lái)了科學(xué)日漸興起的新時(shí)代。
那八大行星為什么會(huì)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)呢？你可能會(huì)脫口而出—牛頓的萬(wàn)有引力！我們不妨來(lái)觀看一下“萬(wàn)有引力”。當(dāng)我們按下按鈕，將鋼球提升后自動(dòng)釋放。球從臺(tái)面邊緣沿圓的切線軌道滾出后，沿以臺(tái)面中心為一個(gè)焦點(diǎn)的橢圓軌跡滾動(dòng)。由于重力和摩擦力的作用，小球滾動(dòng)軌跡不斷縮小，滾動(dòng)速度越來(lái)越快，但始終為橢圓軌道，最后落入漏斗中心的洞中。滾動(dòng)的鋼球模擬行星或地球衛(wèi)星，漏斗形的臺(tái)面表面是個(gè)雙曲線的旋轉(zhuǎn)面，它利用鋼球的重力勢(shì)能模擬太陽(yáng)系中的萬(wàn)有引力勢(shì)能，使小球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律接近開(kāi)普勒三定律。
那什么又是開(kāi)普勒三定律？它指的是第一軌道定律：行星都沿著各自的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)在該橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，展品中小球的軌道就是橢圓形的；第二面積定律：運(yùn)動(dòng)著的行星和太陽(yáng)的連線在單位時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)的面積總是相等的；第三周期定律：各行星公轉(zhuǎn)周期的平方和它們的橢圓軌道長(zhǎng)半軸的立方成正比。這是著名的德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒經(jīng)過(guò)研究和精確計(jì)算得出的結(jié)論，他被后世譽(yù)為“天空立法者”。牛頓正是在他的那本著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，闡述了以開(kāi)普勒定律為基礎(chǔ)的三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律，從而解釋天體運(yùn)動(dòng)背后的原因。
偉大的科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，此后“引力”就成了宇宙中最神奇的力量，根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律，質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力就越大，這個(gè)力與兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比，與兩個(gè)物體間的距離平方成反比。太陽(yáng)系中質(zhì)量最大的非太陽(yáng)莫屬，它的質(zhì)量占太陽(yáng)系的99.86%，巨大的質(zhì)量決定了它無(wú)可匹敵的引力場(chǎng)。八大行星都以太陽(yáng)為中心公轉(zhuǎn)，比如我們地球，它距離太陽(yáng)1.5億公里，它正以29.78KM/S速度圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。或許你會(huì)問(wèn)，地球?yàn)槭裁茨芤恢北３衷谧约旱能壍?，而不是像“萬(wàn)有引力”里的小球一樣最終飛向太陽(yáng)？
16世紀(jì)初期，惠更斯在《論離心力》一書中提出了著名的離心力公式：一個(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體具有飛離中心的傾向，它向中心施加的離心力與速度的平方成正比，與運(yùn)動(dòng)的半徑成反比。牛頓在14年后也獨(dú)立的推出了這個(gè)公式，并以此為橋梁發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力。那讓我們來(lái)觀看一下什么是“離心現(xiàn)象”，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄驅(qū)動(dòng)兩支管子繞共同的軸心旋轉(zhuǎn)。當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，會(huì)發(fā)現(xiàn)原本沉在底部的金屬球會(huì)上升到頂部，而原本浮在頂部的塑料球反而會(huì)下降到底，這便是離心現(xiàn)象。要使物體進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)必須為其提供足夠的向心力，太陽(yáng)的質(zhì)量足夠大，提供了八大行星的向心力；根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律來(lái)看，由于八大行星質(zhì)量和與太陽(yáng)距離的不同，公轉(zhuǎn)的速度也各不相同，最近水星的公轉(zhuǎn)速度達(dá)到了驚人的47.89KM/S，而最遠(yuǎn)海王星公轉(zhuǎn)速度只有5.43KM/S，高速公轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生的離心力與向心力相等，又因?yàn)橛钪嬷袥](méi)有阻力，所以行星可以不停地轉(zhuǎn)下去。每顆天體都在如此精密的平衡之下，太陽(yáng)系內(nèi)所有的天體才會(huì)有條不紊地進(jìn)行公轉(zhuǎn)活動(dòng)。
根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律，一切物體之間都會(huì)產(chǎn)生引力，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。然而，引力的概念也讓牛頓感到困擾，引力究竟是如何在真空中起作用的？引力的傳播速度又有多快？直到生命的盡頭，牛頓一直在說(shuō)，“也許有一天，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生引力效果的機(jī)制”。直到200多年后，愛(ài)因斯坦在1915年提出了廣義相對(duì)論。他認(rèn)為大質(zhì)量天體會(huì)將時(shí)空壓彎，而引力正是時(shí)空彎曲產(chǎn)生的幾何效應(yīng)。正如“萬(wàn)有引力”展品展示的一樣，小球在凹槽中不停的圍繞中心旋轉(zhuǎn)，凹槽正是太陽(yáng)造成的時(shí)空彎曲。
隨著理論的深入和觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步，基于廣義相對(duì)論的宇宙膨脹、大爆炸理論、宇宙微波背景輻射、黑洞理論豐富了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知，我們逐漸意識(shí)到人類的地球不過(guò)是宇宙中的滄海一粟。新的天文觀測(cè)和發(fā)現(xiàn)必將繼續(xù)深刻地影響和改變著整個(gè)人類的宇宙觀，不斷加深人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。這種在理性指導(dǎo)下的實(shí)踐活動(dòng)體現(xiàn)了現(xiàn)代的科學(xué)探索精神，也必將為人類認(rèn)識(shí)自然和諧相處帶來(lái)無(wú)窮的益處。
