从古希腊开始的天文自助游,从阳光里发现太阳的奥秘
精华笔记
太阳离我们有多远?它由什么组成?它为什么能一直发光发热?太阳会熄灭吗?可能你心中浮现过诸如此类的问题。《上下百亿年》这本书就能解答这些疑问。本书作者卢昌海,是美国哥伦比亚大学物理系博士,出版过多部天文方面的科普书籍。
就让我们跟随科学家的视角,回顾人类探索太阳的历程,解开关于太阳位置、组成、能量的层层谜团。
太阳在哪里?
太阳在哪里?这既要计算太阳与地球的绝对距离,又要明确二者的相对位置。
古希腊的学者曾通过视差法来估算日地距离。当月亮是上弦月时,地球到月亮的方向与阳光照射月亮的方向垂直,利用三角函数,古希腊人计算出太阳比月球远19倍。但这个计算存在很大误差。到了18世纪,科学家利用金星凌日的现象来计算,最终确认日地距离为1.5亿公里。
在知道距离之后,还要明晰相对位置,这就引出了长达千年的“地心说”与“日心说”之争。
哲学家柏拉图认为所有天体绕着地球做匀速圆周运动。但很多行星的运行轨迹并不完美,为此,柏拉图的学生欧多克斯引入多层轨道来描述天体运动,却仍然无法解释行星逆行时幅度变化等问题。
托勒密是地心说的集大成者,他提出地球并不是在行星轨道的圆心,而是偏离了一定距离。托勒密的模型可以实现很高的精度。又因为该理论符合基督教的世界观,教会成了地心说的强力支持者。直到17世纪,地心说一直处于统治地位。但托勒密地心说仍有很多无法解释的问题,比如太阳比地球大很多,没理由要围着地球转。此外,为了适应各种行星运动轨迹,地心说的几何模型十分庞杂繁琐。
在这种背景下,哥白尼提出了系统性的“日心说”理论。这一模型不仅符合了天文观测数据,还可以将复杂的托勒密体系大大简化,让天体的运行规则变得简洁。虽然教会大力抵制,但越来越多的证据支持日心说。在众多学者的共同完善下,日心说最终取代了地心说。
地心说与日心说的较量,体现了科学思维最本质的特点:在观察现象的基础上,提出自己对自然规律的理解,并通过后续证据验证自己的理论。
太阳是由什么组成的?
太阳是由什么组成的?对于这个问题,要从阳光之中寻找答案。
17世纪,牛顿让光从小孔摄入三棱镜,得到了彩色光谱,证明了阳光是由不同颜色的单色光组成。1802年,化学家沃拉斯顿用了狭缝取代了小孔,发现了彩色光谱中存在很细的暗线。1814年,德国学者夫琅禾费设计了光谱仪,观察到了阳光光谱中的暗线有数百条。
40多年后,德国人本生与基尔霍夫破解了暗线之谜。本生把各种盐的粉末加热,观察到不同的盐会发出不同的光。在基尔霍夫建议下,本生使用夫琅禾费发明的光谱仪,发现每种元素在被灼烧时,不仅能改变火焰颜色,还会发出独特的光谱。基尔霍夫是让一束光穿过元素的稀薄蒸气。发现,在光谱中出现了暗线。一种元素能发射什么样的光,它也就能吸收什么样的光,两者相互对应。由于亮线源于光的发射,叫做发射光谱;暗线源于光的吸收,被称为吸收光谱。
太阳光谱中的那成百上千条的暗线,正是太阳的吸收光谱。由于吸收光谱与发射光谱相互对应,科学家们将阳光的暗线与已知元素的发射光谱相比较,从而识别出了太阳上的元素。
此外,光谱的强度与产生谱线的元素丰度有关,丰度越大,谱线就越强。经过几代人在光谱上的研究,最终确定太阳的总质量中,氢占了71%,氦占了27%,其余元素接近2%。
直到现在,光谱学仍然是天文物理的重要基础,这门科学的发展也让我们见识到了,通往真理的路并不只有一条。换一个角度,也许别有洞天。
太阳为什么发光?
太阳发光问题的本质是探究恒星的能量产生机制。
18世纪,天文学家赫歇耳提出太阳发光是因为有一个炽热的大气层。这个理论并不正确,因为他无法解释为何太阳能持续燃烧。德国物理学家迈耶则认为太阳是燃烧着的大煤球,并不断有陨星坠落其上补充燃料。但是,陨星坠落的数量必须极大,甚至会影响行星的轨道,这与天文观测并不符合,煤球说也被淘汰。
20世纪,物理学突飞猛进。爱因斯坦提出了质能方程,说明了即使很小的质量中也蕴藏着巨大的能量。卢瑟福证明了可以用人工手段实现原子核转变。基于这些科学突破,天文学家爱丁顿认为太阳能源来自于核聚变反应。在太阳中,氢原子核可以聚合成为氦原子核,这个过程会丢失一部分质量,并转化为巨大能量。经过他的估算,核聚变产生的能量足以支撑太阳燃烧100亿年。但爱丁顿无法给出核聚变过程的具体细节。
随着量子力学的发展,人们对微观世界的运行规律理解越发深入。结合前人理论,物理学家贝特揭示了恒星能量的产生机制。在太阳内部,核聚变通过“质子-质子链”反应,使4个氢原子核相互碰撞生成氦。此外,贝特还提出了一种“碳氮氧循环”的能量机制。在这一机制中,碳、氮、氧等元素会参与反应,促成核聚变发生。两种机制共同作用,为太阳发光提供能量。
从思考太阳的位置,到分析太阳的成分,再到揭示太阳的能量来源。人类对太阳的了解都越来越多。现如今,我们的太阳已经步入中年。人类又将如何应对亿万年后太阳的衰老?这仍需我们继续探索。希望那个时候人类已经移民到了宇宙深处,找到了一个又一个属于人类文明的新太阳。
书 名:上下百亿年
作 者:卢昌海
主 讲 人:圆的方块
主讲人简介:理工科博士,科普作者,科学松鼠会会员
主 播:刘波林
策 划 编 辑:陈艳
总 编 辑:徐苑
太阳不错,它为什么只有一个?
乡巴佬啊 回复 @北斗吃星ing: 后羿干的
错误百出!!!! 哥白尼的日心说,对托勒密体系有很大的继承,仍然认为行星轨道是正圆,其模型仍然有很多复杂的轮子,甚至比托勒密体系还要复杂。并且他的地动模型,无法解释自由落体等现象,与常识严重冲突。这才是他迟迟不肯发表《天球运行论》的根本原因!
希方极勒控油天尊 回复 @弗马: 但是他是被用来打倒教会权威的工具人啊,在西方世界被神话一些也正常。
教会大大阻碍了科学的探索,小孔成像,光谱分析,种元素能发射什么样的光,它也就能吸收什么样的光,两者相互对应。由于亮线源于光的发射,叫做发射光谱;暗线源于光的吸收,被称为吸收光谱,通往真理的路并不只有一条。换一个角度,也许别有洞天。
弗马 回复 @婷婷美的: 这本书讲的,有很多问题,建议下架。布鲁诺,被烧死并不是因为日心说,而是因为他的异端神学。伽利略审判后被判有错,是因为他当时确实无法解释恒星视差等问题。正是因为有了自然神学,认为上帝写了两本书,一本是圣经,一本是大自然,才有了那么多科学家去探索大自然,阅读大自然之书。不要忘了,正是因为有了教会资助,哥白尼才有精力做天文研究。并且,牛顿、莱布尼茨也都是基督徒。莫顿《十七世纪英格兰的科学技术与社会》,经过大量的社会学调查,发现十七世纪时期,英国清教徒只占百分之一,但是科学家的清教徒比例竟然高达百分之六十。他不得不提出观点:清教伦理推动了科学的发展。 因此,简单地认为宗教阻碍科学的发展,肯定是有问题的
望向他的时候,眼里都是星星
这本书太好了!以后孩子长大了要给他看!
中国人对天象的研究是为了农作物的生长。而且长期认为天圆地方,对地球的认识都是错误的更不要说认识太阳了。
还亿万年? 近三百年的发展 人类就已经发展到足以毁灭自己了
都懵了
可以通过颜色判断有哪些元素
人类还能存在50亿年?怕是悬乎!
月牙日子很简单 回复 @小丹讲故事: 肯定在地球存在不了50亿年 因为太阳还没到100亿年的时候,核心氢原子就会聚变完,主序阶段就会结束,到时太阳外壳会膨胀