书城科普读物探究式科普丛书-浩瀚的宇宙
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第17章 量天测地的科学家——国内外著名天文学者(1)

1.尼古拉·哥白尼

尼古拉·哥白尼(1473~1543年),现代天文学创始人,日心说的创立者。哥白尼上中学时,就对天文学很感兴趣,他曾跟着老师在教堂的塔顶上观察星空。他相信研究天文学只有两件法宝:数学和观测。他不辞劳苦,克服困难,每天坚持观测天象,30年如一日,终于取得了可靠的数据,提出了“日心说”,并在临终前出版了他的不朽名著《天体运行论》。

日心说,也称为地动说,是关于天体运动的和地心说相对立的学说。日心说认为,宇宙的中心是太阳而不是地球。哥白尼的日心说沉重地打击了教会的宇宙观,这是唯物主义和唯心主义斗争取得的伟大胜利。由此,天文学从宗教神学的束缚下解放出来,自然科学也获得了新生,这在近代科学的发展史上具有划时代的意义。

哥白尼是欧洲文艺复兴时期的一位巨人。他用毕生的精力去研究天文学,为后世留下了宝贵的遗产。由于时代的局限,哥白尼只是把宇宙的中心从地球移到了太阳,并没有放弃宇宙中心论和宇宙有限论。当德国的开普勒总结出行星运动三定律、英国的牛顿发现万有引力定律以后,哥白尼的太阳中心说才更加的稳固。后来的研究结果证明,宇宙空间是无限的,它没有边界,没有形状,因而也就没有中心。虽然哥白尼的观点并不完全正确,但是他的理论给人类的宇宙观带来了巨大的变革。

恩格斯在《自然辩证法》一书中对哥白尼的《天体运行论》给予了高度的评价。他说:“自然科学借以宣布其独立并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行动,便是哥白尼那本不朽著作的出版,他用这本书(虽然是胆怯地,而且可说是只在临终时)来向自然事物方面的教会权威挑战,从此自然科学便开始从神学中解放出来。”

2.乔尔丹诺布鲁诺

科学的殉道士—乔尔丹诺·布鲁诺(1548~1600年)出生于意大利那不勒斯附近的诺拉镇。他幼年丧失父母,家境贫寒,靠神父收养长大。这个穷孩子自幼好学,15岁那年当了多米尼修道院的修道士。凭着顽强自学的精神,布鲁诺终于成为当时知识渊博的学者。

这位勤奋好学、大胆而勇敢的青年人,一接触到哥白尼的《天体运行论》,他火一般的热情立刻被激起。从此,他便摒弃宗教思想,只承认科学真理,并为之奋斗终生。

布鲁诺信奉哥白尼学说,所以成了宗教的叛逆,被指控为异教徒并革除了他的教籍。布鲁诺的专业不是天文学也不是数学,但他却以超人的预见大大丰富和发展了哥白尼学说。他在《论无限、宇宙及世界》这本书当中,提出了宇宙无限的思想,他认为宇宙是统一的、物质的、无限的和永恒的。在太阳系以后还有无以数计的天体世界。人类所看到的只是无限宇宙中极为渺小的一部分,地球只不过是无限宇宙中一粒小小的尘埃。

布鲁诺进而指出,千千万万颗恒星都是如同太阳那样巨大而炽热的星辰,这些星辰都以巨大的速度向四面八方疾驰不息。它们的周围也有许多像我们地球这样的行星,行星周围又有许多卫星。生命不仅在我们的地球上有,也可能存在于那些人们看不到的遥远的行星上。

由于布鲁诺不遗余力地大力宣传,哥白尼学说传遍了整个欧洲。天主教会深知这种科学对他们来说是莫大的威胁。于是在公元1619年,由罗马天主教会决定将《天体运行论》列为禁书,不准宣传哥白尼的学说。

布鲁诺不畏火刑,坚定不屈地同教会、神学作斗争,为科学的发展作出了贡献。他的科学精神永存。1889年,人们在布鲁诺殉难的鲜花广场上竖起他的铜像,永远纪念这位为科学献身的勇士。布鲁诺后被人们称为“继哥白尼之后的天文学家”。不仅如此,布鲁诺越发受人尊敬,教会也为昔日的行为感到可悲。

3.伽利略·伽利雷

伽利略·伽利雷(1564~1642年),是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家。17岁进入比萨大学攻读医学,后来转攻数学,毕业后任大学教授。他是为维护真理而进行不屈不挠抗争的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍,都能不顾一切而打破旧说,创立新说的巨人之一”。伽利略,1564年2月15日生于比萨,1642年1月8日卒于比萨。为了纪念伽利略的功绩,后人把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四称为伽利略卫星。1983年,罗马教廷正式承认350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。1992年秋天,教宗若望保禄二世恢复了伽利略的名誉。

伽利略发明的望远镜,是天文学研究中具有划时代意义的一次革命。几千年来,天文学家单靠肉眼观察日月星辰的时代结束了,取而代之的是光学望远镜。有了这种有力的武器,近代天文学的大门被打开了。

伽利略是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括:发现月球表面凹凸不平,木星有四个卫星(现称伽利略卫星),太阳黑子和太阳的自转,金星、木星的盈亏现象,以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”,彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。

伽利略是第一个把实验引进力学的科学家。他利用实验和数学相结合的方法,确定了一些重要的力学定律。

伽利略对运动的基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究,并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出,在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念,力学中的动力学部分,才能建立在科学基础之上,而在伽利略之前,只有静力学部分有定量的描述。

伽利略曾非正式地提出过惯性定律的理论构想(见牛顿运动定律)和外力作用下物体的运动规律,这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上,伽利略可说是牛顿的先驱。

伽利略还提出过合力定律,抛射体运动规律,并确立了伽利略相对性原理。

伽利略,是意大利伟大的物理学家和天文学家,科学革命的先驱。历史上,他首先在科学实验的基础上,融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识,扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播哥白尼的日心说,伽利略献出了毕生精力。由此,他晚年受到教会迫害并被终身监禁。他以系统的实验和观察,推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此,他被称为“近代科学之父”。他的工作,为牛顿的理论体系的建立奠定了坚实的基础。

4.斯蒂芬·霍金

斯蒂芬·霍金,1942年1月8日在英国牛津出生。他曾先后毕业于牛津大学和剑桥大学三一学院,并获剑桥大学哲学博士学位。他是英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授,当代最重要的广义相对论和宇宙论家,是本世纪享有国际盛誉的伟人之一,被称为在世的最伟大的科学家,还被称为“宇宙之王”。20世纪70年代,霍金与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体一样发出辐射,其辐射的温度和黑洞质量成反比,这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。

1974年以后,他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现。例如,空间-时间在普郎克尺度(10~33厘米)下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。

1980年以后,霍金的兴趣转向了量子宇宙论。

2004年7月,霍金修正自己原来的“黑洞悖论”观点,认为信息应该守恒。

霍金认为他一生的贡献是在经典物理学的框架里,证明了黑洞大爆炸奇点的不可避免性,且黑洞越变越大;但在量子物理的框架里,他指出黑洞因辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此。

理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了。

霍金还证明了黑洞的面积定理。霍金的生平是非常富有传奇性的,在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一。他担任的职务是剑桥大学有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。他拥有几个荣誉学位,是英国皇家学会会员。

5.郭守敬

郭守敬(1231~1316年),字若思,顺德邢台(今河北邢台)人,汉族。生于元1232年,卒于元仁宗1313年。他是中国元朝的大天文学家、数学家、水利专家和仪器制造家。

郭守敬幼年继承祖父郭荣家学,攻研天文、算学、水利。至元十三年(公元1276年)元世祖忽必烈攻下南宋首都临安(今杭州),在统一前夕,命令制定新历法,由张文谦等主持,成立新的治历机构太史局。太史局由王恂负责,郭守敬辅助。在学术上,则王恂主推算,郭守敬主制仪和观测。

1279年,太史局改称太史院。王恂任太史令,郭守敬为同知太史院事,建立天文台。当时,有杨恭懿等来参与共事。经过四年努力,终于在至元1281年,编出新历,经忽必烈定名为《授时历》。

《授时历》是中国古代一部很精良的历法。王恂、郭守敬等人,曾研究分析汉代以来的四十多家历法,吸取各历之长,力主制历应“明历之理”(王恂)和“历之本在于测验,而测验之器莫先仪表”(郭守敬),采取理论与实践相结合的科学态度,取得许多重要成就。

郭守敬为修历而设计和监制的新仪器有:简仪、高表、候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪以及星晷定时仪12种(史书记载称13种,有的研究者认为末一种或为星晷与定时仪两种)。

在大都(今北京),郭守敬通过三年半约二百次的晷影测量,定出至1278年到1281年的冬至时刻。他又结合历史上的可靠资料,加以归算,得出一回归年的长度为365.2425日。这个值同现今世界上通用的公历值一样。