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18、19世紀的天文學

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(1)18世紀經典天文學的蓬勃發展
    18世紀是經典天文學蓬勃發展的時代。所謂經典天文學是指天體測量學和天體力學。天體測量學主要是研究和測量天體的位置和運動的,它是天文學中最先發展起來的一個分支,可以說,早期天文學的內容就是天體測量學。天體力學是研究天體運動和形狀的科學,它是在天體測量學的基礎上發展起來的。開普勒提出的行星運動三定律,為天體力學的建立創造了條件。牛頓提出的萬有引力定律則奠定了天體力學的基礎。
   18世紀,天體測量學和天體力學密切配合,相輔相成,依靠觀測太陽、月球和行星的大量資料和天體力學的研究方法,總結出太陽系 天體的運動和力學關係的理論。18世紀天文學的主流是為了制定曆法和航海的需要而進行的精密的子午線觀測、月球運動的觀測和日地距離的測定等,所以天體測量學佔主導地位。但在18世紀末,天體力學取得了與天體測量學並肩的地位。
  這個時期天文學的另一特點,是國立天文台的設立。為了航海的需要,法國首先於1671年設立了巴黎天文台,英國也不甘落後,於1675年設立了格林威治皇家天文台。後來俄國的普爾科沃天文台、美國的華盛頓海軍天文台也相繼建成。而這個時期從事天體測量工作的主要是以天文台為基地的專業天文工作者。

    哈雷與彗星
    在航海天文學上發揮最大作用的是英國 格林威治天文台,它的第二任台長是哈雷,21歲那年他毅然放棄獲得學位的良機,決心去測量南天星辰的位置。在父親的支持下,攜帶觀測儀器,來到南大西洋,建立了一座臨時天文台,一年之內便作成了第一個南天星辰錶,這使他在22歲時便享有盛名,稱他為「南天的第谷」。他與牛頓一見如故,致力於彗星軌道的研究,應用萬有引力定律,把所有能找到充分觀測資料的彗星軌道一一推算出來。他發現1531年、1607年和1682年3次觀測的彗星軌道十分相似,而且預言這顆彗星將在1758年和1759年再次歸來,它果然如期而來,但哈雷已於1742年去世,為了紀念他的功績,人們把這顆彗星命名為「哈雷彗星」。1716年哈雷曾經建議觀測1761年和1769年金星凌日(即金星過日面現象)來測定太陽的距離。但到實測之時哈雷卻不能親身觀測了,但哈雷的建議還是實現了,而且成為觀測太陽距離的一個好辦法。1718年哈雷還發現了一個重要現象:恆星自行。哈雷得出結論,恆星並不是固定的,而是有它們自己的「自行」。自古以來人們總認為恆星是固定在天球上的,哈雷終於徹底打破了這個「恆星天球」。他的這一發現,在恆星天文學上開闢了廣闊的園地。月亮的運行長期加速現象也是哈雷的又一重要發現。

                    

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    布拉得雷與光行差和章動
   布拉得雷是格林威治天文台的第三任台長,作為一位偉大的天文學家,他不僅測定了許多恆星的方位,而且還
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做出了兩項重要發現——光行差和章動。
   有一次,他航行在泰晤士河上,發現桅杆頂的旗幟並不簡單地順風飄揚,而是按船與風的相對運動而變換方向。布拉得雷想到,這種情況與人撐傘在雨中行走時的情形一樣,如果將雨傘垂直地撐在頭上方,雨點就會滴在人身上,如果將傘稍稍向前傾斜,人就不致於淋雨了,而且人走得越快,雨傘就必須向前傾斜的越厲害。天文學上的情況與此極為相似。光從某顆恆星沿某個方向以某個速度落到地球上,同時地球以另一個速度繞太陽運轉。望遠鏡就像雨傘一樣,必須朝地球前進的方向略微傾斜,才能使光線筆直地落到透鏡上。布拉得雷把這種傾斜角度稱為「光行差」。布拉得雷的第二大發現是地球的章動。這是進一步觀測光行差的結果。發現天體與天極的距離仍有一點細微的變化。天球各處恆星的變化分佈規律使他想到,這可能是由於月球對地球赤道隆起部分的吸引而使地軸產生擺動造成的,他把這種效應稱為「章動」。

                               
 
 測量地球
      由於人們承認日心體系,又因天體距離測量的需要,人們迫切想知道地球的大小。18世紀以來,人們又努力去探討地球的扁平形狀問題。牛頓曾從理論上推測,地球的形狀是兩極較扁而赤道部分突出。牛頓的看法遭到了法國學者的反對,經測量巴黎天文台認為地球是西瓜形的。爭論從17世紀末開始,一直延續了半個世紀之久。為了測量準確,法國派遣遠征隊,到秘魯和北極圈實地測量,用測量數據證明牛頓的理論是正確的。根據萬有引力,還測量了地球的質量。
 

測量太陽的視差
    地球到太陽的距離通常是用太陽的地心視差來表示。地心視差指的是地球半徑對天體的張角。知道了這個角,有知道了地球半徑的長度,地球到某一天體的距離就很容易求出了。但困難的是太陽距離地球很遠,直接測量地心差誤差很大,於是天文學家轉而去求行星的視差。哈雷早就提出利用金星凌日來測得太陽視差的辦法。1761年和1769年天文學家做了充分的準備,組織了不少遠征隊到世界各地去,求得太陽視差為8』』8,被世界承認,直到1967年國際天文界都採用這個數據。
  
 天體力學的發展與代表人物的貢獻
   18世紀歐洲的歐洲數學人才輩出,由於航海事業的發展,需要更精確的月球與大行星的位置表,數學家則致力於天體運動的研究,創立了分析力學,這是天體力學的基礎。

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    歐拉(leonhard euler,1707~1783)是著名的數學家,對天文也有高深的研究,他第一個完整地創立了月球運動的理論。歐拉一改前人在天文學研究中只運用幾何學的傾向,把高等數學這個嶄新的工具運用到天體研究中,從而研究出一種新理論,這一理論不僅可以解決在海面上觀測月球位置來確定經度,而且在研究天體攝動的方法上也有重大進步。


    克勒羅(Alexis Claude CLAIRAUT,1713~1765)在1743年發表的經典著作《地球外形的理論》,闡明了地球的自轉和地球的各部分間的引力對地形形狀產生的影響,並推出了各緯度的地心引力公式,從而彌補了牛頓理論的不足。由於此時力學有了長足的進展,他的又一貢獻是精確地計算出了1758年哈雷彗星歸來的日期。經過精心計算,他指出,受土星的影響,將使哈雷彗星過近日點的日期延遲到1759年。


    達郎貝爾(Alembert,1717~1783)法國數學家,也是一名物理學家,主要成就是對歲差、章動和三體問題的

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研究,發表關於月球運行理論和行星運行理論的論文。


    拉格郎日(Lagrage,1736~1813)義大利數學家,在天文學上的最大成就,是創立了大行星運動的理論。他的學術見解都表述在其巨著《解析力學》中,系統地闡述了他對太陽系穩定問題的計算,證明由觀測所得的行星運動的各種誤差,確實是由行星間相互攝動所引起的長振動造成的,這些攝動絕不會使太陽系不穩定而終於瓦解,它們完全表現周期性的變化,所以在長時期內,太陽系是絕對穩定的,從而打消了18世紀初期人們對太陽系瓦解的擔心。此外他還詳細推倒了月球的長期加速運動並創立了公式。


    拉普拉斯(P.S.Laplace,1749~1827)是法國著名數學家和天文學家。其著名傑作《天體力學》集各家之大

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成,為18世紀牛頓學派的總匯,書中第一次提出「天體力學」的學科名稱,是經典天體力學的代表作,他因此博得了「法國的牛頓」的美譽。他的另一部名垂千古的傑作是1796年出版的《宇宙體系論》,語言通俗,說理簡明,深受歡迎。他一舉解決了月球的長期加速度和大行星攝動這兩大難題,使牛頓力學達到完美的程度。他還獨立提出了太陽系的星雲起源理論。


     18世紀已經具備了產生太陽系演化理論的條件。首先,由於日心說的確立,對於太陽系的結構有了正確的概念。其次確定了太陽系行星、衛星的數量,明確了它們的公轉、自轉方向基本??形,就是說人們對行星和衛星運動的共同規律性已經有了比較全面的認識。第三,牛頓的力學得到了充分的發展,為研究天體的運動提供了理論根據。第四,18世紀的天文學家已經觀測到了雲霧狀天體——星雲,由此,第一個科學的太陽系起源理論——星雲說就誕生了。
    德國哲學家康德(Immanuel Kant,1724~1804)於1755年在《自然通史和天體論》一書中指出,太陽系是由一團星雲演變而來的。這團星雲是由大小不等的固體微粒組成的,「天體在吸引力最強的地方開始形成」,引力使微粒相互接近,大微粒吸引小微粒形成較大的團塊,團塊越來越大,引力最強的中心部分吸引物質最多,首先形成太陽。外面微粒的運動在太陽吸引下向中心體下落時與其他微粒碰撞而改變方向,成為繞太陽的圓周運動,這些繞太陽運轉的微粒逐漸形成幾個引力中心,最後凝聚成繞太陽運轉的行星。衛星形成的過程與行星相似。
    拉普拉斯認為,形成太陽系的雲是一團巨大的、熾熱的、轉動著的氣體,大致呈現球狀。由於冷卻,星雲逐漸收縮,從而使轉動速度加快了,在中心引力和離心力的共同作用下,星雲逐漸變為扁平的盤狀。在星雲收縮過程中,每當引力和離心力相等時,就有一部分物質留下來形成一個繞中心旋轉的環,以後又不斷形成好幾個環。最後,星雲的中心部分形成了太陽,各個環便形成了不同的行星。比較大的行星在凝聚過程中又分出了一些氣體物質環,形成了衛星系統。
    康德和拉普拉斯的星雲說大同小異,只是後者從數學、力學的理論上加以論證,所以稱之為康德—拉普拉斯星雲說。這一理論雖然只是初步勾畫了太陽系起源的輪廓,而且其中有些內容不盡合理,但它的歷史功績十分重大,對於歐洲18世紀唯心的宇宙觀是個重大打擊,所以說康德—拉普拉斯星雲說是「從哥白尼以來天文學取得的最大進步」。

     

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                                 康德與星雲


威廉.赫歇耳與恆星天文學
    18世紀以前天文學家的研究對象,都不出太陽系,直到威廉.赫歇耳發現天王星就大大擴大了太陽系範圍。至此,恆星、雙星、變星、星團、星雲、銀河系等,無不屬於天文學家觀察和探索的對象,所以天文學發展到了威廉.赫歇耳時代,才真正進入了恆星天文學時代。
    威廉.赫歇耳是天文學史上的一位巨人。1781年他發現天王星,以前人們一直以為土星是太陽系的邊界,天王星的發現使??威廉.赫歇耳還發現了土星的兩顆衛星和天王星的兩顆衛星,但他的最大發現還是在恆星天文學範圍內。1783年赫歇耳發現了太陽的自行,這比哥白尼理論又前進了一大步,根據赫歇耳的發現,人們很自然就會得出結論:太陽也不是宇宙的中心,也許宇宙根本就沒有中心。赫歇耳系統觀測雙星,經常觀測一些雙星的相對位置,他發現多數雙星不是表面上的「光學雙星」,而是真正的「物理雙星」,它們之間的相互引力使它們有物理的聯繫,也就是說,它們是一顆星繞另一顆星在運動。這一重要發現,說明牛頓的萬有引力定律真的是「萬有」的,它不僅適用於太陽系,而且適用於遙遠的恆星系。
    赫歇耳的另一大功績是對星雲、星團的研究,他堪稱是探測星雲的鼻祖。他最大的貢獻,是對銀河繫結構的研究。他第一個確定太陽所在的恆星系統——銀河系的形狀、大小和星數的人。赫歇耳確定了我們置身於其中的這個龐大的恆星系統的外貌,他確認的銀河繫結構工作,使人類對宇宙的認識從太陽系擴展到了銀河系,他不愧為近代天文學的鼻祖。
 
 
(2)19世紀的太陽系開拓

    從18世紀到19世紀上半葉是近代天文學大發展的時期,這時期建立了完整的大行星、地球和彗星運動理論,發現了一些新的行星、行星的衛星和小行星,並且把觀察的視野從太陽系擴展到了銀河系的其他恆星系。19世紀下半葉,天文學家將當時物理學中的一些新的理論和方法引入到天體研究中,創立了天體物理學,從此開始了現代天文學階段。
    1846年海王星的發現使天體力學獲得了空前的榮譽。但是,人類對天體的本質卻是驚人的無知。對此,天體力學是無能為力的。就在19世紀中葉,伴隨著物理學的發展,天體物理學逐漸萌芽。在當時,它還只是簡單的測量天體的亮度和分析天體的光譜。天體物理學的誕生,是現代天文學的起點。與此同時,天體測量學也達到了一個新階段。
    19世紀中葉,分光學、光度學和照相術廣泛應用於天體的觀測以後,對天體的結構、化學組成、物理狀態的研究,形成了一個完整的科學體系,這在當時人們稱之為「新天文學」的天體物理學正式誕生了。19世紀後期天體力學的研究對象從大行星擴展到太陽系內大量的小天體,研究方法也從分析方法發展到定性方法和數值方法。19世紀的天體力學日趨成熟,並向著現代天體力學邁進。    
     太陽物理學
   天體物理學的最初成就就表現在太陽物理上。天文學家一直想知道貫穿太陽光譜的那些暗線的由來和本質。科學家們解決了暗線的問題,是太陽連續光譜被太陽大氣裡面的蒸汽所吸收而造成的暗線,根據太陽光譜中的暗線位置,就可以確定太陽大氣中的化學元素。這意味著望遠鏡觀測發生了一次革命,在這以前,人們只能根據天體的總光亮推導它的亮度、位置和運動,此時人們第一次可以分析天體的光,並由此獲得很多信息,首先是它的化學成分。
    科學家們很快辨認出了太陽光譜中很多譜線,宣布太陽里有許多地球上常見的元素,如納、鐵、鈣、鎳等,證明地球上的存在的元素,天上也存在。從此以後太陽光譜的研究有了很大的發展,還發現了落日光譜的暗帶,是由於地球中大氣氣體吸收造成的,還系統研究了太陽的各部分光譜,發現黑子的光譜中有比光球更強的吸收線,這表明黑子區域的溫度低於光球的溫度。科學家們公布了太陽光譜里1000條譜線的波長和詳盡的光譜圖,記載了太陽光譜里從紫外區到紅色區140000條譜線的確切波長和太陽的強度,這些成果至今仍然是研究太陽光譜的基礎。德國物理學家基爾霍夫(1824~1887)在1861年出版的名著《太陽光譜論》中證明太陽大氣是高溫的,因為那裡的金屬是氣體狀態的。同時證明光球的溫度更高,因為那裡發射的光譜以吸收的狀態出現。所以太陽的溫度是外層低,越向裡層越高。太陽黑子是溫度較低的區域。1865年法國天文學家法伊(1814~1902)發表了太陽的新理論,他認為,整個太陽是一團氣體,通過對流的方式由里向外散熱。法伊的理論在研究太陽的道路上向前邁進了一大步,開闢了近代太陽理論的途徑。
    17世紀以前,人類只能憑藉肉眼直接觀測各類天體.1609年伽利略把望遠鏡指向天空,開創了天文學的新時代。利用望遠鏡進行觀測的頭幾年所取得的成果,比人類用肉眼觀測幾千年的成果還要多。此後,天文學家紛紛用天文望遠鏡武裝自己,大口徑高質量望遠鏡相繼問世。不過,這時人類還是只能觀測整個電磁波譜的可見光部分(「光學窗口」)。
    到了20世紀初,隨著量子論、相對論、核物理和高能物理的相繼創立,天文學也獲得了新的理論工具,天體物理學進入成熟期。從此,人類又在原來研究天體本質的基礎上開始研究天體的演化。
    恆星物理學
    19世紀恆星測量學已經發展得相當完善,可以很精確地測定出恆星的方位,到19世紀末,運用三角視差求出距離的恆星已經多達七十餘顆。19世紀中葉在太陽物理學的刺激下,恆星物理學發展起來,促使天文學家使用分光鏡研究恆星。
    義大利教授賽奇把恆星按照光譜分成4類,即白星、黃星、橙紅星、深紅星,賽奇認識到這樣的分類是和恆星的溫度有關的;英國的哈斯根弄清了這些恆星的化學組成,指出亮星具有和太陽相同的化學組成,它們的光線來自下層熾熱物,穿過高層具有吸收能力的大氣層而向外輻射。
    日趨成熟的太陽光譜研究,相當於把地球上的動植物種屬進行了仔細的分類,19世紀後期光譜工作的結果以更精細更有意義的方式,將恆星按光譜型分了組,從而使天文學家們產生了恆星演化的想法,這一想法在20世紀結出了豐碩的成果。
     星雲物理學
    星空當中各式各樣的雲霧狀天體,統稱為星雲。星雲可分為河內星雲和河外星雲兩大類,銀河帶里的星雲稱為河內星雲,「雲」由氣體和塵埃物質構成,屬於銀河系的成員。河外星雲是位於銀河帶以外的星雲,與銀河系規模不相上下的恆星系統,它們是星系。現代人將星雲可以用幾句話就可概括了,但人類認清其本質卻經歷了漫長的過程,直到19世紀後期這個問題還未最後解決。
   最早天文學家知道的星雲是仙女座大星雲和獵戶座大星雲,是用肉眼觀察到的,17世紀以後人們認識到的星雲數目日趨增多,到18世紀中期,已經記載到近50個。
    最初人們認為星雲是天上的孔穴,后又認為星雲是大得驚人的單個天體,逐漸人們認識到,「它們不是如此巨大的單個恆星,而是由許多星構成的系統」,這種想法更為自然,也最容易理解。但究竟哪種說法更符合客觀實際,就需要用觀測的事實加以驗證。
    威廉.赫歇爾在觀察銀河系內的星雲和一些由恆星際空間的瀰漫物質構成的星雲時,他承認有些星雲在本質上是「不可分的」,「它們是我們全不知道的一種發光的流體」,並且「出了銀河系,現今的一切都模糊了」。顯然用目測的方法是不能弄清星雲本質的。經過對星雲光譜的觀測,星雲應該分為截然不同的兩種類型:一類是具有明線光譜的氣體星雲,另一類是具有連續光譜的由無數恆星構成的星雲。當照相術運用到星雲觀測中后,證明星雲是一大片薄薄的塵埃雲,恆星就在其中。

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